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一种用于ZVS四开关反激变换器的PWM加伏秒平衡控制
A PWM Plus Voltage-Second Balance Control for ZVS Four-Switch Flyback Converter
| 作者 | Kuang Wang · Xinbo Ruan · Tao Fu · Fei Liu · Lingxuan Xiao |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2024年8月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 PWM控制 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 四开关反激变换器 零电压开关 钳位电容 PWM加VSB控制 GaN器件 |
语言:
中文摘要
四开关反激（FSF）变换器具有功率开关管电压应力低和零电压开关（ZVS）的特点。本文对钳位电容进行了合理设计，以避免漏感电流和励磁电流出现多个交汇点。然后，提出了一种脉冲宽度调制（PWM）加伏秒平衡（VSB）控制方法，用于关断钳位开关，以确保励磁电流为负，从而实现零电压开关，且不再需要二次侧整流器电流传感器。分析了FSF变换器的工作原理，给出了设计考虑因素，并阐述了所提出的PWM加VSB控制方法的实现方式。最后，在实验室搭建并测试了一台采用氮化镓（GaN）器件、工作频率为500 kHz、功率为60 W的样机。实验结果验证了所提出控制方案的有效性。
English Abstract
The four-switch flyback (FSF) converter features low voltage stress of the power switches and zero-voltage-switching (ZVS). In this article, the clamp capacitance is properly designed to avoid multiple meeting points of the leakage inductance current and magnetizing current. Then, a pulse width modulation (PWM) plus voltage-second balance (VSB) control is proposed to turn off the clamp switch to guarantee the negative magnetizing current for realizing ZVS, and the secondary rectifier current sensor is not necessary anymore. The principle of the FSF converter is analyzed, the design considerations are provided, and the implementation of the proposed PWM plus VSB control is given. Finally, a 60-W prototype operating at 500 kHz using GaN devices is built and tested in the lab. The experimental results are provided to verify the effectiveness of the proposed control scheme.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，该论文提出的四开关反激（FSF）变换器改进控制技术具有重要的应用价值。反激拓扑在我司光伏逆变器的辅助电源、储能系统的DC-DC变换以及小功率电源模块中广泛应用，该技术的创新点与我司产品优化方向高度契合。
该技术的核心价值体现在三个方面：首先，通过PWM加伏秒平衡（VSB）控制实现零电压开关（ZVS），可显著降低开关损耗，这对于我司追求的高效率目标至关重要，特别是在储能变流器PCS系统中，效率每提升0.1%都具有显著的经济价值。其次，取消二次侧整流电流传感器的设计简化了电路结构，降低了成本和故障点，这与我司推动产品模块化、简化设计的战略一致。第三，该方案采用GaN器件在500kHz高频下工作，有助于提升功率密度，这对于我司户用储能、便携式电源等对体积敏感的产品线具有直接意义。
从技术成熟度评估，该方案已完成60W原型验证，但距离工业化应用仍需解决几个关键问题：一是功率等级扩展性，我司产品通常需要数百瓦至千瓦级别；二是钳位电容的精确设计在批量生产中的一致性保障；三是GaN器件的成本和供应链稳定性。
建议我司中央研究院电力电子团队跟踪该技术，可考虑在下一代组串式逆变器的辅助电源模块或户用储能系统的宽范围输入DC-DC变换器中进行预研验证，评估其在实际工况下的可靠性和经济性，为产品差异化竞争储备技术。