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基于集成磁耦合有源滤波器的软开关三相逆变器
A Soft-Switching Three-Phase Inverter Based on Integrated Magnetic Coupled Active Filter
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 拓扑与电路 |
| 技术标签 | 三相逆变器 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 软开关三相逆变器 集成磁耦合有源滤波器 开关电流纹波 变频率运行 实验室样机 |
语言:
中文摘要
本文提出了一种基于集成磁耦合有源滤波器(MCAF)的软开关三相逆变器,该逆变器可为功率开关提供软开关运行条件,并能降低输出电流纹波。所提出的MCAF主动将开关电压施加在耦合辅助电感上,产生互感电压以抵消网侧电感上的开关电压,从而在任何开关频率下降低输出支路的开关电流纹波。MCAF的开关频率不敏感特性使其非常适合变频运行,可提供全范围的软开关条件。所提出的集成MCAF复用了逆变器自身的开关,仅需一个三相对称磁芯和三个电容器,因而体积小巧。此外,基于磁路分析得到了纹波消除条件与磁芯结构参数之间的映射关系,这使其在工业应用中更具可行性。最后,搭建了一台额定功率为2千瓦的实验室样机,以验证所提出逆变器的有效性。
English Abstract
In this article, a soft-switching three-phase inverter based on an integrated magnetic coupled active filter (MCAF) is presented, which offers soft switching operation for the power switches and low output current ripple. The proposed MCAF actively applies the switching voltage on the coupled auxiliary inductors, which generates the mutual-inductance voltage to offset the switching voltage on the grid-side inductor, thus reducing the switching current ripple on the output branch at any switching frequency. The switching frequency insensitivity characteristic of MCAF makes it ideal for variable frequency operation, which can provide the full range soft-switching conditions. The proposed integrated MCAF reuses the switches of the inverter itself, and requires only a single three-phase symmetrical magnetic core and three capacitors, which makes it small in size. Furthermore, the mapping between ripple cancellation condition and magnetic core structure parameters is obtained based on the magnetic circuit analysis, which makes it more feasible in industrial applications. Finally, a laboratory prototype with a rated power of 2KW is constructed to validate the effectiveness of the proposed inverter.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于集成磁耦合有源滤波器的软开关三相逆变技术具有显著的应用价值。该技术通过磁耦合机制主动抵消开关电压,实现全开关频率范围内的低输出电流纹波,这与我司在光伏逆变器和储能变流器领域追求的高效率、高功率密度目标高度契合。
技术优势方面,软开关特性可有效降低开关损耗和EMI干扰,这对提升逆变器效率至关重要。特别是在大功率光伏并网和储能双向变流应用中,开关损耗占比显著,该技术有望将系统效率提升0.5-1个百分点。更重要的是,其开关频率不敏感特性支持变频运行,这为我司开发宽功率范围、多场景适应的产品平台提供了新思路,可在轻载时提高频率以减小磁性元件体积,重载时降低频率以优化效率。
从工程实现角度,该方案复用逆变器自身开关管,仅需增加单个三相对称磁芯和三个电容,硬件成本增量可控。论文提供的纹波抵消条件与磁芯结构参数的映射关系,为工业化设计提供了明确指导,降低了技术转化难度。
然而也存在挑战:2kW原型功率偏小,向我司主流的100kW以上功率等级扩展时,磁芯设计、热管理和寄生参数控制需深入验证;集成磁性元件的制造工艺和一致性控制是批量生产的关键;在电网扰动和非线性负载等复杂工况下的鲁棒性需进一步评估。建议启动预研项目,重点关注大功率磁集成技术和变频控制策略,评估其在新一代组串式逆变器和储能PCS中的应用潜力。