← 返回
交错多相三电平直流-直流变换器的电流纹波预测与基于ZVS的变开关频率控制
Current Ripple Prediction and ZVS-Based Variable Switching Frequency Control for Interleaved Multiphase Three-Level DC–DC Converter
| 作者 | Zhigang Yao · Xinyu He · Ziheng Xiao · Fei Deng · Chaohua Dai · Shuai Lu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年12月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | DC-DC变换器 三电平 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 交错式三电平DC-DC变换器 电感电流纹波预测 统一电流纹波表达式 变开关频率控制 零电压开关 |
语言:
中文摘要
对于高功率应用而言,交错式三电平直流 - 直流转换器是满足高电压和大电流需求的首选拓扑。然而,由于多个开关的耦合效应,电感电流并非标准的三角波形,这使得在近临界导通模式(near - CRM)下的分析和控制变得复杂。本文提出了一种电感电流纹波预测方法,并为交错式 <italic xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">n</i> 相三电平直流 - 直流转换器建立了统一的电流纹波表达式。该用于预测电流纹波的统一表达式适用于任意多相,避免了传统方法中使用分段占空比以及针对每个交错相数进行逐例分析的繁琐求解过程。基于电流纹波预测,本文提出了一种可变开关频率控制方法,该方法无需额外的高频传感器或辅助电路,可在近临界导通模式下实现零电压开关(ZVS)。所需的开关频率在数字控制器内基于电流纹波预测进行计算,而非通过电流过零检测来确定。所提出的电流纹波预测和基于零电压开关的可变开关频率控制方法在基于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的 15.6 千瓦三相交错式三电平直流 - 直流转换器中得到验证,实现了 98.03% 的最高效率。
English Abstract
For high-power applications, the interleaved three-level dc–dc converter is a preferred topology to meet high voltage and high current demands. However, due to the coupling effect of multiple switches, the inductor current is not a standard triangular waveform, complicating analysis and control in near-critical conduction mode (near-CRM). This article proposes an inductor current ripple prediction method and establishes a unified current ripple expression for an interleaved n-phase three-level dc–dc converter. The unified expression for predicting current ripple is applicable to any multiphase, eliminating the traditional cumbersome solution using segmented duty cycles and case-by-case analysis for each interleaved phase number. Based on the current ripple prediction, a variable switching frequency control method is proposed that does not require additional high-frequency sensors or auxiliary circuits, enabling zero-voltage switching (ZVS) in near-CRM. The required switching frequency is calculated within a digital controller based on current ripple prediction instead of current zero-crossing detection. The proposed current ripple prediction and ZVS-based variable switching frequency control are validated in an IGBT-based 15.6-kW three-phase interleaved three-level dc–dc converter, achieving maximum efficiency of 98.03%.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项交错并联多相三电平DC-DC变换器技术具有显著的战略价值。该技术针对高功率应用场景,与我司光伏逆变器、储能变流器等核心产品的技术路线高度契合。
**技术价值分析**:论文提出的电感电流纹波统一预测方法解决了传统多相交错控制中分段占空比分析的复杂性问题,这对我司大功率1500V光伏逆变器和MW级储能PCS的DC-DC变换环节优化具有直接应用价值。基于零电压开关(ZVS)的变频控制技术在15.6kW样机上实现了98.03%的峰值效率,这一效率水平对提升我司产品的系统级竞争力具有重要意义,特别是在储能系统全生命周期能量损耗优化方面。
**应用前景评估**:该技术无需额外高频传感器或辅助电路,仅依靠数字控制器内的纹波预测算法即可实现ZVS,这与我司在数字化控制平台的技术积累形成良好协同。技术成熟度方面,基于IGBT的实验验证表明其已达到工程化应用阶段,可考虑在下一代SG250HX等大功率逆变器产品中进行试点应用。
**挑战与机遇**:主要技术挑战在于统一纹波预测模型在实际工况下的参数鲁棒性,以及变频控制对电磁兼容性的影响。但该技术为我司在超大规模光储电站的功率变换效率提升提供了新路径,特别是在配合碳化硅器件应用时,有望在高压大容量储能系统中实现更高的功率密度和转换效率,强化我司在全球储能市场的技术领先地位。