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储能系统技术 储能系统 DC-DC变换器 ★ 4.0

用于实现宽负载范围ZVS与低开关损耗的串联半桥WPT变换器优化混合TPS与EPS控制

Optimized Hybrid TPS and EPS Control for Tandem-Half-Bridge WPT Converter to Achieve Wide Load Range ZVS With Low Switching Loss

作者 Mingyang Li · Junjun Deng · Chang Li · Shuo Wang
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2025年1月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 DC-DC变换器
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 无线电能传输 移相全桥 开关损耗 控制策略 零电压开关
语言:

中文摘要

在不使用额外直流 - 直流转换器的情况下实现宽范围功率调节,无线电能传输(WPT)系统采用移相全桥(PSFB)是一种很有前景的方法。然而,对于 PSFB WPT 系统而言,开关损耗是影响系统效率的关键因素。单侧 PSFB 可以调节功率,但硬开关会导致效率低下和电磁干扰问题。双侧 PSFB 能够在较宽的功率范围内实现零电压开关(ZVS),但代价是在轻载时会产生较高的导通损耗和关断损耗。本文提出了一种将串联半桥(THB)与有源整流器(AR)相结合的 WPT 变换器,以降低系统在轻载和中载时的开关损耗。同时,提出了一种优化的混合三移相(TPS)和扩展移相(EPS)控制策略,以自适应模式实现 ZVS 和功率调节,从而进一步降低导通损耗和开关损耗,并优化轻载效率。最后,搭建了一个 1.2 kW 的实验样机,实验结果与理论分析高度吻合。所有开关在整个功率范围内均实现了 ZVS,并在 16.7% - 100%的功率范围内保持了 ≥94.1%的高效率。

English Abstract

To achieve wide-range power regulation without using additional dc–dc, phase-shift full-bridge (PSFB) for wireless power transfer (WPT) system is a promising way. However, for the PSFB WPT system, switching loss is a key factor affecting the system efficiency. Single-side PSFB can regulate the power, but hard switching results in low efficiency and EMI problems. Dual-side PSFB can realize ZVS throughout a wide power range, but at the cost of high conduction loss and turn-off loss at light load. In this article, a WPT converter combining tandem half bridge (THB) and active rectifier (AR) is proposed to reduce the switching loss of the system at light and medium loads. Meanwhile, an optimized hybrid triple-phase-shift (TPS) and extended-phase-shift (EPS) control strategy is proposed to achieve ZVS and power regulation with adaptive modes, thus further reducing conduction loss and switching loss and optimizing light-load efficiency. Finally, A 1.2 kW experimental prototype was built, and the experimental results indicate strong agreement with theoretical analysis. All switches realize ZVS within the entire power range and maintain high efficiency ≥94.1%) in the power range of 16.7%–100%.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项串联半桥无线电能传输技术具有重要的战略参考价值。该技术通过优化的混合三相移和扩展相移控制策略,在16.7%-100%负载范围内实现了全开关零电压开关(ZVS)和≥94.1%的高效率,这与我司在光伏逆变器和储能变流器领域追求的宽负载高效运行目标高度契合。

在储能系统应用层面,该技术的核心价值在于无需额外DC-DC变换器即可实现宽范围功率调节,这为简化储能变流器拓扑、降低系统成本提供了新思路。特别是其在轻载和中载工况下显著降低开关损耗和导通损耗的能力,可直接应对储能系统在削峰填谷场景中频繁变载的挑战,提升全天候运行效率。对于我司正在推进的工商业储能和户用储能产品线,这种自适应模式切换的控制策略具有较强的借鉴意义。

从技术成熟度评估,该方案已完成1.2kW原型验证,但距离我司百千瓦至兆瓦级产品应用仍有工程化距离。主要挑战包括:高功率密度下的磁耦合设计优化、多模式切换的实时控制算法实现、以及电磁兼容性在复杂电网环境下的验证。

技术机遇方面,该研究揭示的相移控制优化思路可延伸至我司现有的多电平逆变器和模块化储能PCS产品中,通过精细化的损耗管理进一步提升轻载效率。建议技术团队关注其ZVS实现机制与我司SiC/GaN宽禁带器件应用的协同潜力,这可能成为下一代高频高效电力电子系统的关键突破点。