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控制与算法 可靠性分析 ★ 5.0

一种新型突发模式控制算法用于单端感应加热应用以降低开关电流尖峰并提高系统可靠性和功率转换效率

A Novel Burst Mode Control Algorithm for SE-IH Applications to Reduce Switch Current Spikes With Improved System Reliability and Power Conversion Efficiency

作者 Aneel Ahmed · Sang-Wook Ryu · Hyunghu Park · Irfan Ali · Zawar Khan · Jin-Woo Jung
期刊 IEEE Transactions on Industrial Informatics
出版日期 2025年7月
技术分类 控制与算法
技术标签 可靠性分析
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 单端感应加热器 突发模式控制算法 开关电流尖峰 功率效率 系统可靠性
语言:

中文摘要

本文提出了一种高效的突发模式控制算法(BMCA),旨在降低单端感应加热器(SE - IH)功率控制中的开关导通电流尖峰。现代 SE - IH采用两种控制模式:重载时采用方波控制,轻载时采用突发模式控制,以有效控制流向感应加热负载的功率。首先,方波控制通过适当控制开关频率或占空比,在较高负载条件下实现软开关,即零电压开关。其次,突发模式控制在较低负载条件下,由于直流母线电容通过谐振电容突然放电,常常会在开关导通瞬间产生电流尖峰,从而导致效率低下和潜在危险。这些电流尖峰造成显著的功率损耗和热应力,最终可能导致功率开关烧毁。本文提出了一种新颖的 BMCA,该算法对突发模式运行进行优化,以显著降低电流尖峰,提高系统可靠性和整体功率效率。经过全面测试,所提出的算法与传统商用 SE - IH 相比,表现出更优越的性能。使用 TMS320F28377D 控制板的 2.6 千瓦 SE - IH 原型机的实验结果验证了所提出的解决方案在各种负载条件下的有效性。

English Abstract

This article presents an efficient burst mode control algorithm (BMCA) designed to reduce the turn-on switch current spike in the power control of a single-ended induction heater (SE-IH). Modern SE-IH uses two control modes: square wave control at heavy loads and burst mode control at light loads to effectively control power flow to the induction heating load. First, the former achieves soft switching, i.e., zero voltage switching, at higher load conditions by properly controlling the switching frequency or duty ratio. Second, the latter often encounters inefficiencies and potential hazards due to current spikes at the switch turn-on instant, caused by the sudden discharge of the dc-link capacitor through the resonant capacitor at lower load conditions. These current spikes result in significant power loss and thermal stress, which can ultimately cause the power switch to burn out. This article proposes a novel BMCA that optimizes burst mode operation to significantly reduce current spikes and enhance system reliability and overall power efficiency. The proposed algorithm, thoroughly tested, demonstrates superior performance compared to conventional commercial SE-IHs. Experimental results from a 2.6 kW SE-IH prototype using a TMS320F28377D control board validate the proposed solution’s efficacy under various load conditions.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这篇关于单端感应加热器突发模式控制算法的研究虽然聚焦于感应加热领域,但其核心技术原理对我们在光伏逆变器和储能系统中的功率控制策略具有重要借鉴价值。

该论文解决的核心问题——轻载工况下开关器件导通瞬间的电流尖峰问题,与我们逆变器产品在低功率运行时面临的挑战高度相似。在分布式光伏系统中,早晚光照较弱时段以及储能系统在待机或涓流充电模式下,都存在类似的轻载运行场景。传统突发模式控制虽能实现功率调节,但直流母线电容通过谐振电容的突然放电会产生显著电流尖峰,这不仅降低系统效率,更会加剧功率器件的热应力,影响产品可靠性和使用寿命。

该算法的创新在于优化了突发模式的启动时序,通过精确控制开关时刻来抑制电流尖峰。这种思路可直接应用于我们的多电平逆变器拓扑和双向储能变流器中。特别是在储能系统的宽功率范围运行场景下,结合我们现有的零电压开关(ZVS)技术,能够在全负载范围内实现更高的转换效率和更低的器件应力。论文采用TI的TMS320F28377D控制平台验证,与我们的数字控制系统架构兼容性好,技术成熟度较高。

从技术挑战角度看,需要评估该算法在更高功率等级(百千瓦至兆瓦级)和更复杂电网工况下的适用性。同时,如何将其与我们现有的MPPT算法、并网控制策略有机融合,是实现产业化的关键。这项技术为提升阳光电源产品在轻载工况下的效率和可靠性提供了新的优化方向,值得深入研究并开展适应性开发。