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第三代功率半导体器件碳化硅MOSFET具有开关速度快、宽禁带、低功耗、导通电阻小、工作频率高和工作温度高等优点,已成为高温、高压、高频等特殊场合的理想器件。该文设计了一种SiC MOSFET的驱动电路,利用软件PSpice仿真测试SiC MOSFET的开关特性,以及驱动电阻对SiC MOSFET的影响。搭建Buck实验电路,测试Si C MOSFET和Si IGBT两种功率器件不同占空比对应的负载电压,以及不同的输入电压和开关频率对应功率器件的壳温。实验结果表明SiC MOSFET比Si IGBT开关速度快、开关损耗小以及负载电压误差小。

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Si C MOSFET 开关损耗 开关特性

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针对50 kW大功率电推进电源设计要求,提出了前级LLC、后级多输入Buck的两级拓扑结构,并根据该两级结构提出了一种新的控制方式,即通过对前级LLC的数量进行配置,降低母线电压,从而提升后级三输入Buck变换器的占空比,提升后级效率;适当减小前级LLC电源工作个数,能够减小前级总损耗,进一步提升整机效率;最后制作了50 kW大功率电推进电源试验样机。结果表明:在前级输入100 V时,后级输出能在300~2000 V的范围内改变。同时在输出功率为20 kW时,前级只有3个LLC模块工作,后级Buck电路的占空比为0.4,验证了控制方法的可行性。

Keyword ：

LLC谐振变换器 电推进 电源 三输入Buck

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随着微电网技术的发展和直流型电源及负载的接入，直流微电网得到广泛应用，且其凭借成本低、控制操作简单、供电可靠性高的优势成为国内外学术界研究的热点。由于直流微电网中恒功率负载的负阻抗特性、变换器控制策略的差异性导致直流微电网稳定性下降，因此，研究含分布式电源的直流微电网小信号电压稳定性，探讨其影响因素并提出改进方法，对于保证微电网安全可靠运行具有重要意义。本文主要针对以下几个方面进行研究： 首先，为了解决传统的阻抗比判据需要严格区分输入输出端的问题，提出了一种基于并联阻抗的系统稳定判据，将二端口网络转化为一端口网络。建立了含Buck变换器的直流微电网模型，与阻抗比判据的仿真结果对比，证明了该稳定判据的有效性。 其次，基于蓄电池、光伏等分布式电源及其接口变换器的工作原理和控制方法，利用PSCAD仿真分析了各个微电源及变换器的输出特性。在含蓄电池的直流微电网中，由变换器的小信号模型计算得到源输出阻抗和负载输入阻抗，提出了改进的并联阻抗判据：系统总阻抗没有右半平面的极点，且其谐振频率在Nyquist曲线上对应点的实部为正值，则该系统稳定。采用改进的并联阻抗判据，对含蓄电池和光伏的直流微电网进行了稳定性分析，研究了光伏特性对系统稳定性的影响以及工作电压波动对各个变换器阻抗特性的影响。 最后，研究了基于有源阻尼和无源阻尼的直流微电网稳定性提升方法。有源阻尼通过改变系统的控制方式间接改变系统阻抗，而无源阻尼通过改变系统中的电感、电容等参数直接改变系统阻抗。仿真结果表明，在不计成本和电能损耗的情况下，滤波电容串联电阻的无源阻尼方法既能使扰动瞬间电压跌落幅值降低，又可以加速电压恢复到稳态值。而本文提出的在蓄电池控制方式中加入有源滤波补偿器的有源阻尼方法通过改变控制方式，也可以达到改善系统稳定性的效果。

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Nyquist曲线 并联阻抗判据 无源阻尼 有源阻尼 直流微电网

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目前，电动汽车的动力装置不再使用传统的内燃机，而是借助于电机进行驱动，有着零排放、低噪声和高效率等优势，因此发展电动汽车成为各国缓解能源短缺和环境压力问题的有效手段。电动汽车采用锂电池作为主要能量源常被设计为高电压输出，需要采用降压型辅助电源模块与高压锂电池组相连为低压蓄电池及低压电器设备供电。辅助电源模块中降压变换器的工作效率与性能直接影响着电动汽车运行的安全性与续航里程，为保证系统在输入电压变化、负载波动等条件下仍具有良好的动态响应、稳定性以及安全性，设计性能优良的控制策略成为研究降压型辅助电源模块的最大挑战。本文对电动汽车降压型辅助电源模块控制策略进行深入研究，主要研究内容如下： 基于非线性、时变的Buck变换器系统，针对传统滑模控制策略存在的奇异问题和硬件电路难实现问题，本文提出广义切换滑模控制策略和狭义切换滑模控制策略。结合Buck变换器的状态空间模型及Lyapunov稳定性准则，设计出切换滑模面函数参数的限制条件，以保证两种切换滑模控制策略的稳定性。同时为了降低开关热损耗、提升系统工作效率，引入滞环调制环节对功率开关进行降频。 为了分析广义切换滑模控制策略和狭义切换滑模控制策略的优势与使用工况，借助Matlab软件实现两种切换滑模控制策略的有效性和可行性分析对比，同时验证两种切换滑模控制策略在不同工况下的抗干扰能力。得出两种切换滑模控制策略可以有效避免终端滑模控制策略存在的奇异问题，使系统获得良好的动态响应和稳定性的结论。另外，两种切换滑模控制策略可以优势互补，分别适用于电动汽车各种运行工况。 针对滑模面函数的参数选择仅能保证切换滑模控制系统稳定而不能保证切换滑模控制效果最优的问题，以切换滑模控制策略收敛时间最短为参数选优目标，采用仿真与理论分析相结合的方式，完成切换滑模面函数各参数的影响规律分析，实现参数选优，从而提升切换滑模控制策略的工作品质。 设计与搭建硬件电路模块，建立实验测试平台，以验证两种切换滑模控制策略对降压型辅助电源模块的控制效果以及滑模面函数参数选优的实际效果。实验结果表明，本文所提出的广义和狭义切换滑模控制策略的滑模面函数的e2值分别在5到14和0到14之间变化，有助于通过纯硬件电路实现滑模控制。相比于传统滑模控制策略，两种切换滑模控制策略均能使辅助电源系统启动响应时间缩短约25%，系统抗干扰能力和鲁棒性得到了提高。选优的参数 使辅助电源系统在加载和卸载工况下的电压响应时间分别缩短2ms和3ms，切换滑模控制策略的性能得到了进一步提升β。

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电动汽车 辅助电源 降压变换器 切换滑模控制

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一种含两个单向直流变换器的复合电源及其控制方法包括：电池组、开关、功率二极管集成盒、电机逆变器、单向Buck‑Boost变换器、超级电容和单向Buck变换器；其方式在于：复合电源根据电动汽车运行状态及超级电容电压确定两个单向直流变换器的四个数字控制接口的高低电平状态，从而控制两个单向直流变换器的工作模式。本发明所产生的有益效果是：本发明复合电源结构及其直流变换器工作模式与控制方法能够避免电池组频繁无序充放电，在制动能量充足时，超级电容可以对电池组进行恒流充电，有效保护电池安全，延长电池使用寿命，并且避免了双向直流变换器在电流正反向交替工作期间产生的时间延迟问题，提升了复合电源系统的稳定性和可靠性。

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由于碳化硅等宽禁带半导体器件具有耐高温、耐高压和高频工作等优点，其必将取代传统的硅基半导体器件在电力电子中的应用。目前，商用的碳化硅功率模块多采用基于硅器件的传统模块封装技术。然而，在将该封装技术应用于碳化硅模块时仍面临着一系列技术挑战，包括铝丝键合、寄生参数、模块散热和电磁干扰等。因此，研究基于碳化硅器件的功率模块封装技术，对我国电力电子技术和半导体行业的发展具有重大而深远的理论和现实意义。 本文完成了基于8个芯片并联的1200V/200A全碳化硅半桥模块的封装设计、制备和模块特性研究。首先，根据模块的设计目标完成了元器件选型、封装布局结构改进和驱动电路设计，主要通过对碳化硅半桥模块的布线布局优化和引入解耦电容的方式降低寄生电感对模块动态性能的影响。其次，完成了碳化硅模块的热设计分析，对模块散热采用强制风冷的方式，并建立一维等效热阻模型研究模块封装材料对散热能力的影响；同时，在分析计算了碳化硅半桥模块的损耗后，利用有限元软件进行三维热仿真，验证设计模块的有效散热能力。在此基础上，本文搭建了基于双脉冲电路的模块动态特性测试平台，分别针对自制碳化硅模块和商用模块进行了软件仿真和实验分析，验证了本文采用的改进封装结构能够有效改善碳化硅模块的动态性能，且在不同温度条件下具有良好的稳定性。最后，分别基于自制碳化硅模块和商用模块搭建了同步Buck变换器样机，通过实验验证了自制模块不仅具有更高的效率，而且在EMI测试中的共模干扰和差模干扰高频段表现更佳。

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电磁干扰 集成电力电子模块 寄生参数 热管理 碳化硅场效应管

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电力电子系统集成是二十一世纪伊始电力电子技术领域最炙手可热的研究方向之一，其目的是为了提高电力电子系统的功率密度、效率以及可靠性，同时降低技术和经济成本，进而促进电力电子技术的发展。数字电源是随着电子信息技术的发展而兴起的，它具有可编程性、高灵活度、低成本和对环境的低敏性等优点，因此在最近几十年取得了长足发展。本文以同步Buck变换器为主要研究对象，将功率器件与控制、驱动、保护电路集成，设计了可实现数字控制的半桥电力电子集成模块。 本文分析了PEBB的基板材料、封装与互连技术等关键的电力电子集成封装技术，比较了不同封装技术之间的优缺点，采用了DBC陶瓷基板和由金属柱实现互连的封装结构。针对所选的电路方案，对半桥集成模块的主要器件进行了选型，并设计了基于STM8103F的控制系统方案。 基于所设计的半桥集成模块搭建了同步Buck变换器，通过TINA-TI电路仿真软件对所选器件进行了仿真验证与损耗计算。接着采用数字电压反馈模式对Buck变换器建模，分析设计了变换器在连续域的控制器，再利用双线性变换法对模拟控制器进行了离散化，得到了变换器的数字PID控制器参数。最终搭建了输入电压为48V，输出电压为12V，输出功率为200W，开关频率为100kHz的实验样机。Buck变换器的实验样机由半桥集成模块与滤波电路组成，半桥集成模块由两个MOSFET、控制器、驱动、保护电路组成。 为了测试半桥模块的通用性，本文还搭建了半桥LLC谐振变换器与Buck变换器作为对比，通过实验结果可以看出，该半桥模块不仅可以在Buck变换器中对硬开关过程进行优化，配合一定的控制手段和外部电路，在LLC变换器中也能实现MOSFET的软开关，具有很好的可移植性。

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Buck LLC 电力电子标准模块 寄生参数 效率

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近来，可再生能源和储能系统不断地快速发展，越来越多的电力电子变换器被用作接口或用于提升系统性能。这些系统中通常需要进行能量管理与监控，而这些功能往往被嵌入到数字控制系统中。为了便于管理，越来越多电力电子变换器的也开始采用数字控制。同时，DSP、微控制器和FPGA的价格降低也促进了数字控制在电力电子变换器中的应用。更重要的是，数字控制的可编程性，灵活性为电力电子变换器提供了许多优势，同时也便于更先进的自适应或非线性控制在电力电子变换器中应用。但是，与模拟控制设计不同，数字控制由于DSP调制和计算延迟以及A/D采样转换量化造成混叠导致系统性能下降，必须在设计时仔细考虑。为了解决这些问题，需要用更精确的小信号模型来描述变换器的动态特性，以便更好的进行数字控制器设计。 本文首先为DC-DC变换器在z域中建立了更精确的小信号线性化离散时间模型，然后进行直接数字PI控制器设计。因为没有平均步骤，且模型中包括调制器延迟，克服了传统的小信号平均建模技术在数字控制器设计中的缺点。为优化数字控制器的性能并减轻频谱混叠效应的影响，采用DPWM对称载波调制以及采样时刻对应载波的峰值点的同步采样。利用MATLAB计算推导精确的离散时间模型并得到传递函数的解析表达式。采用双线性变换将z域模型转换为等效的p域连续模型，这便于采用熟悉的频域设计指标如截止频率和相位裕度来进行补偿器设计。控制上采用内部电流控制环和外部电压环的双环PI控制器，保障了负载变化时最低的电压过冲。通过MATLAB程序得到双环的控制器参数，实现PI控制算法。 将MATLAB中的数学模型与PSIM中进行的物理仿真进行比较，在PE-Expert 3系统中进行实验验证。通过一系列对应的仿真和实验结果验证了建模，控制策略和控制器参数设计的有效性和正确性。

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控制器设计 离散时间建模 数字控制 同步Buck变换器

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作为一种能够实现直流电能转换的功率变换电路，DC-DC变换器在可再生能源发电系统、数据通信系统、航空航天、铁路交通、充电设备等领域中发挥着越来越重要的作用。随着应用需求的不断提升，DC-DC变换器也面临着越来越高的技术要求和挑战，例如高电压增益、高功率密度、高效率等。针对这些问题，本文以混合开关网络单元和DC-DC变换器拓扑为研究对象，着重开展了以下4个方面的研究工作。 “T”型结构混合开关网络单元及其嵌入方法的研究。以某种方式，将开关网络单元嵌入到基本DC-DC变换器中是构建新型DC-DC变换器拓扑的一种重要途径。本文构建了一种由功率开关管、二极管、电感和电容组成的混合开关网络单元，称之为“T”型结构混合开关网络单元。这种开关网络单元在传递能量的过程中同时具备主动控制和被动控制方式，并能对电压和电流起到一定的平滑作用。详细地分析了这种混合开关网络单元处于连续导通模式和断续导通模式时的工作原理。依据对偶原理和反相原理，分别构建了“T”型结构混合开关网络单元的对偶结构和反相结构。研究了混合开关网络单元的嵌入方式以及DC-DC变换器拓扑中元器件的等效变换方法，为基于“T”型结构混合开关网络单元构建新型DC-DC变换器拓扑奠定了理论基础。 高增益Buck变换器及其拓展拓扑的建模与分析。以“T”型结构混合开关网络单元和传统Buck变换器为基础，应用混合开关网络单元嵌入方法构建了一种高增益Buck变换器拓扑，分别详细地分析了这种高增益变换器在连续导通模式和断续导通模式时的工作原理和性能。基于嵌入方法中的拓展规律，构造了高增益Buck变换器的多功率开关管拓展拓扑和双功率开关管拓展拓扑，能够实现更高的降压增益。计算机仿真和电路实验研究结果表明，所构建的高增益Buck变换器具有拓扑结构简单、降压增益高以及功率开关管电流应力低的优点，其拓展拓扑可以在远离极限占空比的条件下实现更高的降压增益。 高增益Boost变换器及其拓展拓扑的建模与分析。应用混合开关网络单元嵌入方法，将“T”型结构混合开关网络单元级联入传统Boost变换器中，构建了一种高增益Boost变换器拓扑。稳态分析和拓扑性能分析结果表明，这种Boost变换器具有拓扑结构简单、升压增益高、电荷泵电容应力低以及电容电压和电感电流都无突变的优点。通过将若干个“T”型结构混合开关网络单元逐级级联入高增益Boost变换器中，构建了一种可以实现更高升压增益的拓展拓扑。理论分析、计算机仿真和电路实验结果表明，这种高增益Boost变换器及其拓展拓扑在高输出电压场合中具有明显的应用优势。 高增益Buck-Boost变换器及其拓展拓扑的建模与分析。应用混合开关网络单元嵌入方法，以“T”型结构混合开关网络单元和传统Buck-Boost变换器为基础，构造了一种电压增益为传统Buck-Boost变换器的平方倍的高增益Buck-Boost变换器拓扑。详细地分析了这种高增益变换器在连续导通模式时的稳态工作性能以及在断续导通模式时的工作原理。在理论分析的基础上，对所构建的Buck-Boost变换器进行了计算机仿真以及电路实验测试。研究结果表明，这种高增益Buck-Boost变换器具有拓扑结构简单、升-降压增益高以及输出电压极性为正的优点。根据嵌入方法中的拓展规律，分别构建了一种在降压场合具有更低电流应力的拓展拓扑和一种在升-降压场合具有更高电压增益的拓展拓扑。

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Boost变换器 Buck-Boost变换器 Buck变换器 DC-DC变换器 混合开关网络单元

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电力电子变换器是频域内典型的单输入多输出系统,当输入某一频率的扰动信号时,变换器各状态变量既包含扰动频率分量,也包含与扰动相关的边带频率成分.在包含多个电力电子变换器的分布式供电系统中,一个变换器的开关纹波为另一个变换器的扰动,这种相互作用在某些情况下可能会导致母线电压差频振荡从而影响系统电能质量.然而,传统小信号模型以单个变换器的分析和设计为背景提出,主要用于描述变换器的低频特性.由于这些模型忽略了开关变换器的很多固有特性,因此不能准确地分析上述变换器之间在开关频率附近的相互作用.为此,提出了一种新的矩阵小信号模型并以Buck变换器为例进行了详细的说明.该模型可以准确地描述变换器的单输入多输出特性,并解释分布式供电系统中电力电子变换器相互作用导致的母线电压差频振荡现象.对比结果表明,传统的平均小信号模型和多频率小信号模型都是所提出的矩阵模型在不同情况下的近似.仿真和实验结果证明了所提模型的准确性和有效性.

Keyword ：

Buck变换器 差频振荡 多频率矩阵模型 分布式供电系统

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