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电动汽车驱动
★ 5.0
谐波分区功率变换器架构:采用双向开关的单级单相交流/直流功率变换
The Harmonically Partitioned Power Converter Architecture: Single-Stage Single-Phase ac/dc Power Conversion Using Bidirectional Switches
| 作者 | Jacob Ryan Anderson · Mike Kavian Ranjram |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年6月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 谐波分区功率转换器 单级单相AC/DC转换 功率因数 小型化 实验原型 |
语言:
中文摘要
本文提出了一种新颖的单级单相交流/直流功率转换架构,称为谐波分区功率转换器(HPPC)。HPPC利用双向开关(BDS)直接调制交流线路电压,并构建一个谐波分区负载网络,从而在单个转换级内实现自动单位功率因数、完全的功率脉动解耦、连续增益变化和电气隔离。该架构为所有在交流端口有功率因数要求的单相交流/直流功率转换器的小型化和性能提升提供了巨大机遇。HPPC通过将所有磁性元件置于高频交流谐振槽中,并使缓冲电容器在无直流电压调节要求的端口工作,实现了小型化。此外,该转换在单个阶段完成,消除了传统单相交流/直流转换器为实现这些功能而采用多个转换阶段依次处理全部功率所带来的效率损失。本文介绍了HPPC的工作原理,推导了该架构的高级控制方程,并给出了通用架构的简单“单支路”实现方式的设计方程。本文还展示了一个利用反串联氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)来模拟单片BDS器件的实验原型,验证了单支路实现方式的工作原理和建模,其规格如下:<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"><tex-math notation="LaTeX">$\mathbf {V_{in}=120\,V_{rms}}$</tex-math></inline-formula>、<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"><tex-math notation="LaTeX">$ \mathbf {f_{g}=60\,Hz}$</tex-math></inline-formula>、<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"><tex-math notation="LaTeX">$\mathbf {V_{o}=250\,V_{dc}}$</tex-math></inline-formula>、<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"><tex-math notation="LaTeX">$ \mathbf {P_{o}=250\,W}$</tex-math></inline-formula>以及<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"><tex-math notation="LaTeX">$ \mathbf {f_{HF}=210\,kHz}$</tex-math></inline-formula>。
English Abstract
This article proposes a novel single-stage single-phase ac/dc power conversion architecture called a harmonically partitioned power converter (HPPC). The HPPC leverages bidirectional switches (BDSs) to directly modulate the ac line voltage and enforces a harmonically partitioned loading network, resulting in automatic unity power factor, complete power pulsation decoupling, continuous gain variation, and galvanic isolation within a single conversion stage. This architecture provides a substantial opportunity for miniaturization and performance advances to all single-phase ac/dc power converters with power factor requirements on the ac port. The HPPC enables miniaturization by relegating all magnetic components to a high frequency ac tank and by operating the buffer capacitor at a port with no dc voltage regulation requirements. Further, the conversion is achieved in a single stage, eliminating the efficiency penalty traditionally suffered by single-phase ac/dc converters which achieve these functionalities via individual conversion stages processing the entire power throughput sequentially. The article introduces the principle of operation of the HPPC, derives the high level governing equations of the architecture, and presents design equations for a simple “single-branch” implementation of the general architecture. An experimental prototype utilizing anti-series connected GaN HEMTs to emulate monolithic BDS devices is presented and validates the operating principles and modeling for a single-branch implementation with the following specifications: V_in=120,V_rms , f_g=60,Hz , V_o=250,V_dc , P_o=250,W , and f_HF=210,kHz .
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项谐波分区功率变换器(HPPC)技术为单相AC/DC转换领域带来了颠覆性创新,与我司在光伏逆变器、储能系统及电动汽车充电领域的核心业务高度契合。
该技术的核心价值在于通过双向开关实现单级转换,同时达成单位功率因数、功率脉动解耦、电气隔离等多重功能。这对阳光电源具有三方面战略意义:首先,在户用光储系统中,单级拓扑可显著降低变换损耗,论文验证的原型效率表现值得关注,若能在千瓦级应用中保持高效率,将直接提升我司户用逆变器和储能产品的竞争力。其次,所有磁性元件工作在高频(210kHz),为系统小型化和功率密度提升创造条件,这与我司推动产品轻量化、模块化的战略方向一致。第三,缓冲电容工作在无直流稳压要求的端口,可能降低电解电容依赖,延长系统寿命。
然而技术挑战不容忽视。双向开关的商用化程度是关键瓶颈,论文采用反串联GaN HEMT模拟单片BDS器件,表明真正的单片双向开关尚未成熟,这会影响成本和可靠性。此外,从250W原型扩展到我司常规的3-10kW户用功率等级,需要验证谐波分区网络在大功率下的热管理和EMI特性。对于工商业储能系统,该架构能否扩展至三相高压应用仍需评估。
建议阳光电源将此技术列入中长期研发路线图,重点关注GaN/SiC双向开关器件的产业化进程,并评估在新一代户用储能逆变器中的应用可行性,同时探索与变压器集成设计的协同优化空间。