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用于AC-DC变换器中多目标优化有源功率解耦电路的混合调制与控制
Hybrid Modulation and Control for Multi-Objective Optimized Active Power Decoupling Circuit in AC-to-DC Converter
| 作者 | Muhammad Zarkab Farooqi · Bhim Singh · Bijaya Ketan Panigrahi · Rohit Kumar |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industry Applications |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 系统并网技术 |
| 技术标签 | 多物理场耦合 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 单相AC - DC功率转换器 二次电网频率功率纹波 有源功率解耦电路 HyCCM调制技术 效率提升 |
语言:
中文摘要
单相 AC - DC 功率变换器面临着由功率不平衡导致的二倍电网频率功率纹波(TGFPR)挑战,这需要使用大容量直流侧电容器。有源功率解耦电路(APDC),通常为降压、升压或升降压变换器,常用于单级和两级 AC - DC 变换器中以解决 TGFPR 问题。本文提出了一种用于单级和两级 AC - DC 变换器中 APDC 的新型混合连续和临界导通模式(HyCCM)调制技术,以应对减轻 TGFPR 的挑战。与传统的软开关技术(如临界导通模式(CrCM))不同,CrCM 由于传导损耗、绕组损耗和磁芯损耗增加而在高功率应用中受到限制,所提出的 HyCCM 技术无需额外电路即可优化效率。通过在一个二倍基波周期内动态地在软开关 CrCM 和硬开关连续导通模式(CCM)之间转换,该调制策略确保了最优性能。仿真和实验结果表明,在较宽的工作范围内效率有显著提高,这使得 HyCCM 成为 APDC 应用的可靠解决方案。通过理论计算和实验室样机验证了所提方法的有效性。
English Abstract
Single-phase AC-DC power converters face the challenge of twice-grid frequency power ripple (TGFPR) caused by power imbalance, requiring the use of large DC-side capacitors. Active power decoupling circuits (APDC), typically buck, boost, or buck-boost converters, are commonly used in single-stage and two-stage AC-DC converters to address TGFPR. This paper presents a novel hybrid continuous and critical conduction mode (HyCCM) modulation technique for APDC used in single-stage and two-stage AC-DC converters to address the challenge of mitigating TGFPR. Unlike conventional soft-switching techniques, such as critical conduction mode (CrCM), which are limited in high-power applications due to increased conduction, winding, and core losses, proposed HyCCM technique optimizes efficiency without the need for additional circuitry. By dynamically transitioning between soft-switched CrCM and hard-switched continuous conduction mode (CCM) within a twice-fundamental cycle, the modulation strategy ensures optimal performance. Simulation and experimental results demonstrate significant improvements in efficiency over a wide operating range, making HyCCM a robust solution for APDC applications. Effectiveness of the proposed method is validated through analytical calculations and a laboratory prototype.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项混合调制有源功率解耦技术具有重要的应用价值。在单相光伏逆变器和储能变流器中,二倍工频功率脉动一直是制约系统小型化和可靠性提升的关键瓶颈。传统方案依赖大容量电解电容来吸收功率脉动,但这类元件寿命短、体积大,直接影响产品的功率密度和长期可靠性。
该论文提出的HyCCM调制技术通过在临界导通模式和连续导通模式间动态切换,在不增加额外硬件的前提下优化了有源功率解耦电路的效率。这对阳光电源的户用逆变器和工商业储能产品线具有直接价值:一方面可显著减小直流侧电容容量,提升功率密度和系统寿命;另一方面通过软硬开关的混合策略,在宽负载范围内保持高效率,这对应对光伏发电和储能系统的宽功率波动场景尤为关键。
从技术成熟度评估,该方案已完成实验室验证,但距离产品化应用仍需解决几个工程挑战:首先是模式切换算法在极端环境温度下的鲁棒性;其次是与现有数字控制平台的集成复杂度;再者需要评估在高海拔、高湿度等严苛工况下的长期可靠性。
应用机遇方面,该技术可与阳光电源正在推进的碳化硅器件应用形成协同效应,进一步提升系统效率和功率密度。建议优先在新一代户用储能一体机和微型逆变器产品中试点应用,通过实际场景验证后逐步推广至更大功率等级产品,这将有力支撑公司在高端住宅储能市场的竞争力提升。