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基于多逆变器离散功率回退的高效率宽范围射频功率生成系统
High-Efficiency Wide-Range RF Power Generation Systems With Discrete Power Back-Off From Multiple Inverters
| 作者 | Haoquan Zhang · Alexander S. Jurkov · Vladimir Kozitsky · Ky Luu · Anas Al Bastami · Grace Cassidy |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年9月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 工商业光伏 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 射频功率应用 开关模式功率放大器 多逆变器离散补偿 输出功率控制 高效率 |
语言:
中文摘要
摘要:工业射频(RF)功率应用,如用于半导体加工的等离子体产生,需要在较宽的动态功率范围和可变负载阻抗条件下传输射频功率。理想情况下,射频功率系统应在整个工作功率范围内保持高效率、连续功率控制和快速动态响应。本文介绍了一种适用于此类应用的可扩展开关模式功率放大器(PA)架构和控制方法。我们将这种方法称为多逆变器离散回退(MIDB),它以无损方式组合开关模式功率放大器的输出,并对有源功率放大器的数量进行调制,以实现射频输出的离散步进。此外,该方法还采用离散电源调制和功率放大器组间的正交移相技术,以在极宽的范围内实现快速、高效且连续的输出功率控制。一个系统原型采用了4个基于氮化镓(GaN)的零电压开关D类功率放大器单元、两级离散电源调制和经过校准的奇瑞克斯正交移相技术。该系统在设计的5瓦至1千瓦连续波工作范围内实现并保持了高效率和连续功率控制,在5瓦至5千瓦范围内具有动态控制能力,且瞬态性能达到微秒级。与现有的基于线性放大器的解决方案相比,所提出的系统降低了功率损耗。
English Abstract
Industrial radio frequency (rf) power applications, such as plasma generation for semiconductor processing, require the delivery of rf power over a wide dynamic power range and across variable load impedances. It is desirable for the rf power system to maintain high efficiency, continuous power control, and fast dynamic response over the operating power range. This article introduces a scalable switched-mode power amplifier (PA) architecture and control approach suitable for such applications. This approach, which we refer to as multi-inverter discrete backoff (MIDB), losslessly combines the outputs of switched-mode PAs, and modulates the number of active PAs to provide discrete steps in rf output. It further employs discrete supply modulation and outphasing among groups of PAs for rapid, efficient, and continuous output power control over a very wide range. A system prototype is built with 4 GaN-based, zero-voltage switching Class-D PA units, 2-level discrete supply modulation, and calibrated Chireix outphasing. The system achieves and maintains high efficiency and continuous power control over the designed continuous-wave operating range of 5 W–1 kW, and dynamically over 5 W–5 kW, with micro-second level transient performance. The proposed system demonstrates reduced power losses compared with existing linear-amplifier based solutions.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这篇论文提出的多逆变器离散功率回退(MIDB)架构虽然聚焦于射频功率应用,但其核心技术理念与我们在光伏逆变器和储能系统领域的技术演进方向高度契合,具有重要的借鉴价值。
该技术的核心价值在于通过多模块协同控制实现宽范围高效功率输出。论文采用的GaN基零电压开关D类功率放大器、离散供电调制和Chireix移相技术的组合,在5W至5kW范围内保持高效率和微秒级动态响应。这与阳光电源在组串式逆变器和模块化储能系统中追求的目标一致:在宽功率范围内维持高转换效率,同时实现快速功率调节以应对电网波动和新能源出力变化。
具体而言,多逆变器模块化并联架构可直接应用于我们的储能变流器(PCS)设计。当前储能系统面临的核心挑战之一是在轻载和重载工况下均保持高效率,该技术通过动态调整有源模块数量实现离散功率台阶,结合供电调制和移相控制实现连续功率调节,可显著提升系统部分负载效率。这对于提高储能系统全生命周期经济性具有实质意义。
技术成熟度方面,论文已完成千瓦级原型验证,但向百千瓦至兆瓦级电力电子设备扩展仍需解决多模块同步控制复杂度、电磁兼容和热管理等工程挑战。GaN器件在高压大功率应用中的可靠性和成本也需进一步验证。
建议我们的研发团队深入研究其离散-连续混合调制策略和快速动态响应控制算法,探索在下一代模块化逆变器和储能系统中的应用可能性,特别是在微电网和虚拟电厂等需要快速功率调节的场景中。