检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：孙仁杰湖南大学

学位级别：硕士

随着数据中心、电动汽车和消费电子等领域的快速发展,AC/DC变换器正朝着高效率、小型化的方向发展。图腾柱无桥pfc因其结构简单、效率高成为目前研究的热点。电流连续导通模式下,基于Si MOSFET的图腾柱无桥pfc因反向恢复损耗大无法得到... 详细信息

随着数据中心、电动汽车和消费电子等领域的快速发展,AC/DC变换器正朝着高效率、小型化的方向发展。图腾柱无桥pfc因其结构简单、效率高成为目前研究的热点。电流连续导通模式下,基于Si MOSFET的图腾柱无桥pfc因反向恢复损耗大无法得到实际应用。随着第三代宽禁带半导体GaN HEMT/SiC MOSFET的出现,因其具有开关速度快、反向恢复损耗低和热传导率高等物理特性,使图腾柱无桥pfc得到应用。电流连续导通模式下的变换器工作在硬开关,本文应用SiC MOSFET研制了1k W实验样机并对其性能进行了测试。电流临界导通模式下变换器可以实现软开关,但其软开关的实现具有边界条件,本文对其软开关实现的原理和方法进行研究。基于不同坐标系下的锁相方法,本文研究了图腾柱无桥pfc变换器在静止坐标系和dq旋转坐标系下的工作原理和实现方法。在静止坐标系下,研究了平均电流控制下的系统小信号模型,分析了控制器参数对系统稳定性的影响。在dq旋转坐标系下,研究了基于二阶广义积分器的单相锁相环原理和系统双环控制策略。最后,通过仿真验证了其在不同模式下控制策略的有效性。电流临界导通模式下的变换器无法实现全输入电压范围下的软开关,本文提出了基于冗余时间的软开关控制策略使变换器实现全输入电压范围下的软开关,并建立了变换器基于冗余时间的数学模型。在该数学模型的基础上,研究了变换器在电流滞环控制的实现方法,并通过仿真对其控制方法进行了验证。最后,应用SiC器件对平均电流控制下的变换器进行了硬件电路和软件算法的设计,并搭建了1kW实验平台。不同输入电压有效值下变换器均可获得良好的电感电流波形和稳定的输出电压,其功率因数均达到0.99以上。对其在输入电压有效值为110V时的不同负载下的效率进行了测试,峰值效率达到96.63%。对其在负载和输出电压参考值变化时的动态性能进行了测试,实验结果表明,系统具有快速响应能力和稳定性。

关键词：图腾柱无桥pfc变换器连续导通模式临界导通模式软开关双环控制策略

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一种可工作于CCM模态的高效图腾柱无桥pfc变换器

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中国电机工程学报 2022年第5期42卷 1957-1967页

作者：章治国李世锋李鑫程鹏铭罗全明重庆市能源互联网工程技术研究中心(重庆理工大学) 重庆市巴南区400054 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) 重庆市沙坪坝区400044

提出一种具有零电压开通(zero-voltageswitching,ZVS)和零电流关断(zero-current switching,ZCS)的可工作于CCM腾柱式无桥功率因数校正(power factor correction,pfc)电路拓扑。该拓扑在传统图腾柱无桥pfc的基础上,通过增加辅助谐振支路来实现功率开关管(MOSFET)的ZVS导通,同时辅助谐振支路亦可有效地抑制其体二极管电流的di/dt,实现ZCS关断,极大地缓解了MOSFET体二极管反向恢复问题;工作在电流断续模态下的辅助谐振支路,其开关管均能实现零电流开通,变换器的所有开关管均工作在软开关状态。该拓扑克服传统硅基图腾柱无桥pfc的MOSFET体二极管反向恢复问题,以及只能工作在电流断续导电模式或临界导电模式的限制,拓宽其工作范围,与传统图腾柱式无桥pfc电路相比,有更高的效率和功率密度。基于对所提出变换器的工作原理和稳态特性的分析,设计一台实验样机,实验结果验证了该拓扑方案的可行性和有效性。

关键词：图腾柱无桥pfc变换器零电压开通零电流关断连续导电模式辅助谐振支路

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氮化镓图腾柱无桥pfc变换器串扰及谐波抑制研究

氮化镓图腾柱无桥PFC变换器串扰及谐波抑制研究

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作者：李斌兴哈尔滨工业大学

学位级别：博士

节能降碳是电能变换系统发展的重要趋势,系统效率和功率密度已成为重点关注问题。传统的Boost功率因数校正(Power Factor Correction,pfc)变换器用于解决谐波对电网污染问题,但是整流桥和Boost电路损耗制约了系统效率的进一步提升。相比... 详细信息

节能降碳是电能变换系统发展的重要趋势,系统效率和功率密度已成为重点关注问题。传统的Boost功率因数校正(Power Factor Correction,pfc)变换器用于解决谐波对电网污染问题,但是整流桥和Boost电路损耗制约了系统效率的进一步提升。相比于Boost pfc变换器,图腾柱无桥pfc变换器具有器件利用率高和导通损耗小的优势。由于氮化镓(Gallium Nitride,GaN)功率器件具有更高的开关速度和更低的开关损耗,并且无反向恢复问题,采用基于GaN器件的图腾柱无桥pfc变换器可以有效提高系统的效率和功率密度。目前基于GaN器件的图腾柱无桥pfc变换器已成为研究热点,关于GaN器件动态特性、高压工况可靠驱动、网侧电流相移和电流谐波抑制等方面的问题有待进一步解决。本文根据工程应用需求,对上述关键问题展开研究,提出相应的解决方法。由于GaN器件开关速度快并且栅源极阈值电压低,高dv/dt引起的桥臂串扰问题显著。为此,提出一种考虑GaN器件非线性结电容的桥臂结构分析模型,对串扰问题进行研究。通过曲线拟合及参数提取建立GaN器件非线性结电容模型,并考虑非线性结电容以及寄生参数,以提升模型准确性。为了降低模型复杂度,忽略沟道电流并利用斜坡电压源等效主开关管,从而构建了包含四个状态变量的等效电路图及等效方程。根据非线性状态方程求解获得分析模型,进而揭示了电路中各个参数对串扰电压幅值和振荡情况的影响。仿真和实验结果表明,不同条件下分析模型得到的串扰电压与实验结果一致性较高。所提出的模型可以用于器件开关过程中串扰现象的分析及预测,为GaN器件防串扰高速驱动的优化设计奠定了基础。为了抑制GaN桥臂结构中的串扰现象,在分析桥臂串扰产生机理及驱动参数敏感性基础上,提出一种基于负压自恢复门极驱动的串扰抑制方法。本研究中,驱动通过分隔开通与关断回路实现阻抗解耦,构建了基于电阻、电容和二极管的分压器产生负栅源极电压以抑制正向串扰。并利用反并联二极管建立驱动芯片到GaN器件的低阻抗Miller电流路径,其与自恢复栅源极电压共同抑制负向串扰,从而防止GaN器件负向过压。通过匹配电容和电阻参数可以确定驱动的负电压幅值和恢复时间,该方法不需要增加额外的负电压电源或有源器件。结果表明所提出的方法可以减少死区时间内的反向导通损耗,且具有低成本及控制简单的优势。受到压缩机驱动系统中电流环带宽限制和电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)滤波器的影响,氮化镓图腾柱无桥pfc变换器存在网侧电流相移现象。通过建立考虑EMI滤波器和电流环的GaN图腾柱无桥pfc变换器输入导纳模型,揭示了EMI滤波器和电流环引起网侧电流相移的机理。为了补偿网侧电流相移,提出了一种基于虚拟导纳重塑的变换器电流相移补偿策略。该策略根据提取输入电压相位构造虚拟导纳,进而通过设计电感电流参考值和调制电压值,从而获得等效虚拟导纳电流。该方法对变换器参数的敏感程度较低,在差模电容和pfc电感变化条件下,相移补偿效果受影响很小。实验结果表明所提出方法可以有效补偿网侧电流相移,解决了GaN图腾柱无桥pfc变换器中EMI滤波器导致的功率因数下降问题。针对GaN图腾柱无桥pfc变换器EMI滤波器差模电容与电感谐振导致的网侧电流谐波问题,本文提出一种基于输入电压前馈有源阻尼的网侧电流谐波抑制方法。首先,通过分析系统LC谐振特性,揭示了电流谐波产生机理。在建立变换器输入导纳模型基础上,将变换器系统非理想特性纳入考虑,进一步提高了模型的准确性。为了抑制电流谐波,在目标谐波频率处构建虚拟导纳,改变该频率的系统阻抗。通过滤波器获取相应的输入电压,并根据虚拟导纳获取等效电流,进而将其转化为变换器电流给定值和调制电压指令,从而实现有源阻尼控制。并分析了有源阻尼对负载变化工况的敏感性,实现了虚拟导纳的准确匹配。结果表明,所研究的电流谐波抑制方法可以在宽负载范围内提高网侧电能质量。最后,设计了基于GaN器件的半桥功率模块,研制了基于GaN功率器件的高效率压缩机驱动器样机。并设计了驱动系统软件架构,在样机中实现了所研究的相移补偿和谐波抑制数字算法,通过空调压缩机系统进行实验验证,测试了样机的网侧电能质量、动态性能和效率。结果表明,所研制的样机网侧电能质量满足谐波标准,效率得到了显著提升,总体性能能够满足空调压缩机负载的实际应用需求。

关键词： GaN功率器件图腾柱无桥pfc变换器串扰模型负压自恢复门极驱动电流相移补偿谐波抑制

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高效率图腾柱无桥pfc变换器研究

高效率图腾柱无桥PFC变换器研究

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作者：李世锋重庆理工大学

学位级别：硕士

电力电子技术在日常生活与工业中的应用日益广泛,在给人类带来便利的同时也给电网的谐波治理造成了一定的困难,这使得功率因数校正技术(Power Factor Correction,pfc)在现代高品质整流系统中显得尤为重要。随着人们对电力电子装置高效... 详细信息

电力电子技术在日常生活与工业中的应用日益广泛,在给人类带来便利的同时也给电网的谐波治理造成了一定的困难,这使得功率因数校正技术(Power Factor Correction,pfc)在现代高品质整流系统中显得尤为重要。随着人们对电力电子装置高效率、高功率密度的追求,无桥变换器因为其优越的特性正逐渐成为pfc领域研究热点。本文首先对pfc进行了概述,分析各种无桥pfc变换器特性及适用场景,然后对其工作原理、共模噪声、驱动方式以及半导体器件数量等进行了比较分析。最后,深入研究了图腾柱无桥pfc(Totem-Pole Bridgeless pfc,TPBL pfc)变换器。TPBL pfc变换器的输入在每个工频周期由二极管钳位至输出,较其它无桥变换器拓扑具有较低的共模噪声;同时较少的元器件数目和较高的器件利用率使其具有较高的工程应用价值。然而,由于硅基MOSFET寄生体二极管较差的反向恢复特性,使得TPBL pfc变换器只能工作在断续模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)或者临界模式(Boundary Conduction Mode,BCM)。近些年来,随着新型器件的发展,由氮化镓MOSFET构成的TPBL pfc变换器,由于其没有反向恢复时间问题,可以工作在连续模式(Continuous Conduction Mode,CCM),从而备受学术界及工程师们的关注。但是,目前氮化镓MOSFET多用于小功率变换器,大功率氮化镓器件不仅产品种类少、价格昂贵,而且还存在性能退化和可靠性较低的风险,限制了其进一步应用。本文提出了一种具有零电压开通(Zero-Voltage Switching,ZVS)和零电流关断(Zero-Current Switching,ZCS)的可工作于连续模式TPBL pfc变换器。该拓扑在传统TPBL pfc变换器的基础上,通过增加辅助谐振支路来实现功率开关管(MOSFET)的ZVS导通,同时辅助谐振支路亦可有效地抑制其体二极管电流的di/dt,实现ZCS关断,极大地缓解了MOSFET体二极管反向恢复问题。工作在电流DCM下的辅助谐振支路,其开关管均能实现零电流开通,变换器的所有开关管均工作在软开关状态。该拓扑克服了传统TPBL pfc变换器硅基MOSFET体二极管反向恢复问题,以及只能工作在DCM或BCM的限制,拓宽了其工作范围;与传统TPBL pfc变换器相比有更高的效率和功率密度。论文对所提出变换器的工作原理和稳态特性进行了分析,设计了一台开关频率100k Hz,功率1k W的实验样机,实测结果表明,在全输入电压(150Vac～220Vac)范围内,实验样机的功率开关均实现了软开关运行,并且PF值大于0.97,满载时效率达到96.4%,实验结果验证了该拓扑的可行性和有效性。

关键词：图腾柱无桥pfc变换器连续模式零电压开通零电流关断有源谐振

来源：评论

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连续导通模式图腾柱无桥pfc变换器的分析与设计

连续导通模式图腾柱无桥PFC变换器的分析与设计

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作者：钱圣宝东南大学

学位级别：硕士

氮化镓(GaN)器件的出现使图腾柱无桥pfc(Power Factor Correction)变换器能够工作在连续导通模式。图腾柱无桥pfc变换器所用半导体开关管数量最少,工作时其原边电流只流过一个高频开关管和工频开关管,在工作运行时具有最少的通态损耗,... 详细信息

氮化镓(GaN)器件的出现使图腾柱无桥pfc(Power Factor Correction)变换器能够工作在连续导通模式。图腾柱无桥pfc变换器所用半导体开关管数量最少,工作时其原边电流只流过一个高频开关管和工频开关管,在工作运行时具有最少的通态损耗,因此图腾柱无桥pfc变换器成为效率最高的功率因数校正变换器。然而,其拓扑在交流输入电压过零点附近存在的电流尖峰,导致了更多的电流谐波畸变和电磁干扰问题,使图腾柱无桥pfc变换器难以推广应用。因此分析图腾柱无桥pfc变换器交流输入电压过零点附近的电流尖峰问题具有重要意义。本文设计了一种解决交流电压过零点附近电流尖峰问题的图腾柱无桥pfc变换器,主要完成了三个方面的工作:首先,分析了图腾柱无桥pfc变换器的结构特点和工作原理,并从全桥变换器结构的角度详细分析了电流尖峰问题的产生机理。其次,针对高频桥臂最小占空比限制和低频桥臂转换延时导致的交流电压过零点附近的电流尖峰问题,采用了对低频桥臂进行死区时间补偿、对高频桥臂进行占空比数字归并的控制方法。最后,完成了一台lkw图腾柱无桥pfc变换器样机的软硬件设计。基于lkw变换器样机,本文对以上分析和设计进行了验证。实测结果表明,变换器的工作频率为100kHz,在全负载范围内,变换器样机的PF值均大于0.96,且轻载时的效率达到96.4%,满载时效率达到98.1°%。并且交流电压过零点附近的电流尖峰明显减少,总谐波失真(THD)最小为3.7%。

关键词：氮化镓器件图腾柱无桥pfc变换器连续导通模式电流尖峰谐波畸变数字控制

来源：评论

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