單相高效率AC-DC變換器的研究.pdf

1、高效率AC/DC變換器能夠提高電能利用率、增強(qiáng)電能品質(zhì)，是電力電子技術(shù)中一項關(guān)鍵技術(shù)。實現(xiàn)高效率的AC/DC變換是電力系統(tǒng)電網(wǎng)穩(wěn)定運行的重要保證，是解決能源危機(jī)、環(huán)境污染的有效途徑，是人類社會可持續(xù)發(fā)展的迫切要求。本文以損耗分析為基礎(chǔ)，構(gòu)建了AC/DC變換器的損耗模型，提出了損耗因子的概念，揭示了高效率變換的本質(zhì)特征，探討了實現(xiàn)高效率變換的機(jī)會和途徑，并提出了若干新思路和解決方案。
　　 首先，本文分析了高效率變換的基礎(chǔ)和損耗根

2、源即功率器件特性的限制與折中，建立了傳統(tǒng)功率因數(shù)校正變換器的損耗模型；提出了損耗因子的概念，深刻地揭示了變換器損耗產(chǎn)生的內(nèi)因和外因；研究了損耗的性質(zhì)和影響因素，討論了變換器的極限效率問題，結(jié)合實例全面定量對比分析了傳統(tǒng)整流器、交錯并聯(lián)整流器和多電平整流器的損耗分布情況；回顧了高效率AC/DC變換器的現(xiàn)狀，對其進(jìn)行了歸納分類，并以損耗理論為基礎(chǔ)通過定性和定量相結(jié)合的方式，分析和揭示了目前高效率AC/DC變換器的本質(zhì)特征；并探討了實現(xiàn)高效率

3、AC/DC變換的機(jī)會和可能性，同時也指出了高效率變換的限制和制約因素。
　　 其次，本文以上述損耗理論為基礎(chǔ)，秉承論述的實現(xiàn)高效率變換的方針和途徑，以克服和減小主要功率器件的損耗和功率器件損耗的主要成分為目標(biāo)，通過利用和整合先進(jìn)的功率變換技術(shù)，結(jié)合實際AC/DC變換器的特點，提出了四種結(jié)構(gòu)緊湊、混合型的高效率整流器并進(jìn)行了實驗論證。
　　 提出了一種交錯并聯(lián)圖騰柱式低通態(tài)損耗整流器。該整流器結(jié)合了圖騰柱式無橋拓?fù)浜徒诲e并

4、聯(lián)拓?fù)涞奶攸c，它以圖騰柱式結(jié)構(gòu)作為變換器的基本變換單元，具有結(jié)構(gòu)簡單、低通態(tài)損耗和低共模干擾的優(yōu)點；采用交錯并聯(lián)技術(shù)，保證了功率二極管上電流的低斜率轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)了功率二極管的零電流關(guān)斷，有效減小和抑制了功率MOSFET體二極管的反向恢復(fù)；通過合理控制輸入電感耦合系數(shù)，實現(xiàn)了低輸入電壓下功率MOSFET的零電壓開通。滿載輸入電壓90V和264V下的最大效率分別為95.5％和97.8％。該整流器適用于寬電壓輸入范圍的功率因數(shù)校正AC/DC變換

5、器的應(yīng)用，同時耦合電感交錯并聯(lián)以抑制反向恢復(fù)的方法，適用于圖騰柱式結(jié)構(gòu)，能夠應(yīng)用于需要雙向能量處理能力的變換器中，如雙向DC/DC變換器和DC/AC逆變器。
　　 提出了一種的全范圍零電壓開通電流臨界模式圖騰柱式低通態(tài)損耗整流器。它通過將電流臨界模式技術(shù)和無橋技術(shù)相結(jié)合，減小變換器的開關(guān)損耗和通態(tài)損耗，實現(xiàn)中小功率應(yīng)用場合高效率的AC/DC變換。通過采樣輸出二極管上電流，簡化了電流過零點捕獲電路；提出了一種軟過渡方法，有效抑制了

6、線電壓過零點處的電流尖峰；并提出了一種零電壓開通范圍擴(kuò)展技術(shù)，實現(xiàn)了功率MOSFET全輸入電壓范圍內(nèi)的零電壓開通。滿載輸入電壓90V和264V下的最大效率分別高于96％和98.4％。零電壓開通范圍擴(kuò)展技術(shù)將輸入電壓264V下的變換器效率提高了0.5％。該整流器適用于中小功率、寬電壓輸入范圍的功率因數(shù)校正AC/DC變換器的應(yīng)用，同時也是采用交錯并聯(lián)技術(shù)以進(jìn)一步提升功率等級的候選基本拓?fù)鋯卧?br>　　 提出了一種單電感自然箝位三電平低

7、通態(tài)損耗整流器。該整流器結(jié)合了三電平變換器和無橋變換器的特點，通過消除整流橋，減小了通態(tài)損耗；采用三電平結(jié)構(gòu)，降低了器件應(yīng)力，獲得了低共模干擾和倍壓輸出的特性。電路只需要單個電感，有利于提高功率器件利用率和功率密度。獨特的充電和放電模式，充分利用了慢速二極管反向恢復(fù)特性，工頻整流二極管和功率MOSFET的體二極管被“共用”兼具整流和箝位功能，實現(xiàn)了中點電壓的自然箝位。滿載輸入電壓90V和264V下的最大效率分別為94.2％和98.4％。

8、該整流器適用于寬電壓輸入范圍的功率因數(shù)校正AC/DC變換器的應(yīng)用，特別是三相電壓輸入、中大功率的應(yīng)用場合。
　　 提出了一種低通態(tài)損耗低電壓應(yīng)力三電平整流器。它將三電平技術(shù)和無橋技術(shù)相結(jié)合，通過降低器件應(yīng)力，減小通態(tài)損耗，以實現(xiàn)高效率AC/DC變換。采用三電平操作大大地減小了輸入電感的電感量和體積；采用“同步整流技術(shù)”結(jié)合“無橋技術(shù)”的方法，克服硅二極管通態(tài)壓降限制，大大地減小了整流損耗；提出了一種解耦均壓控制策略，有效實現(xiàn)了輸

9、出直流母線電容的均壓，以及輸出電壓控制環(huán)和均壓環(huán)的解耦。滿載輸入電壓90V和264V下的最大效率分別為94.8％和98.2％。該整流器適用于寬電壓輸入范圍的功率因數(shù)校正AC/DC變換器的應(yīng)用，同時也是需要故障容錯能力的應(yīng)用場合中的有吸引力的候選拓?fù)洹?br>　　 總之，本文通過分析變換器損耗，抓住重點，結(jié)合實際，揭示和探求了實現(xiàn)高效率AC/DC變換的有效方法和途徑，并提出了新思路和有效解決方案。同時，本文所采用的變換器損耗基本分析方法