抢鲜看｜《电工技术学报》2021年第20期目次及摘要

高频/超高频功率变换技术及其应用专题

特邀主编寄语

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特邀主编：王议锋教授；王懿杰教授

为应对气候变化、环境污染以及能源危机的挑战，“发展新能源”和“实现碳中和”已成为我国的基本国策。在高效利用可再生能源的基础上进一步提高能效和节能，是减碳减排的主要途径。因此，电力电子技术必将在这场能源革命中发挥越来越重要的作用。电力电子装备的广泛应用，具有更高的发展需求和更加广阔的发展空间，促使现代电力电子技术和相关产业从单一装备走向系统化、从单模块到多模块交叉成网、从功率变换到能量变换的趋势发展。

系统化发展对装备层面的电力电子技术提出了更高的要求。众所周知，降低电力电子装备的体积和质量、提高调制性能的关键是提高其开关频率，伴随着第三代宽禁带功率半导体材料和器件的兴起，无源元件、控制技术及芯片技术的快速发展，电力电子装备将获得更高的变换效率和功率密度，并有望解决电磁兼容、标准化和自动化生产等问题。为此，基于宽禁带功率半导体器件的高频/超高频功率变换技术及装备，已成为国内外学术和工业界的研究热点。

然而，高频化电力电子装备不仅面临驱动损耗、开关损耗、开关噪声、寄生参数、数字控制实时性、EMI以及可靠性等应用问题，更面临精确建模理论缺乏、仿真模型难以再现真实系统以及工程实现困难等基础问题，严重制约了高频化电力电子系统的整体性能，同时限制了高频化电力电子装备的进一步规模化和产业化的应用。

基于此，在《电工技术学报》编辑和8位客座编委的支持下，共同组织了“高频/超高频功率变换技术及其应用”专题。本次专题共录用论文10篇，包含GaN/SiC驱动技术、宽禁带器件及平面磁件应用和高频低损耗电路拓扑三个方面，反应了国内当前高频/超高频电能变换技术及其应用的研究热点。具体内容如下：

在GaN/SiC驱动技术方面有相关论文3篇：论文《针对GaN器件的非对称双路同步谐振栅极驱动电路》提出了一种非对称电压的谐振驱动电路，以效率最优设计了电路参数，可有效降低GaN高频驱动电路的损耗；论文《Cascode GaN HEMT高频驱动电路及损耗分析》提出了一种高频谐振驱动电路，在工作模态、损耗和电感取值原则方面开展了研究，有效地降低了GaN驱动电路噪声和损耗；论文《基于干扰动态响应机理的SiC MOSFET驱动设计》提炼了一种SiC驱动参数标幺化设计方法，提出了一种降低干扰振荡的SiC MOSFET驱动设计原则。

在宽禁带器件及平面磁件应用方面有相关论文4篇：论文《基于简化状态轨迹的半桥LCC谐振变换器无噪声Burst模式控制策略》提出了半桥LCC变换器Burst模式简化状态轨迹控制策略，提高轻载效率并消除振荡和噪声；论文《一种可变结构型高效宽增益多谐振软开关直流变换器》提出了一种可变结构的多谐振软开关直流变换器，同时实现了较宽的电压增益范围和较高的变换效率；论文《低应力高电平开关电容逆变器及其调制策略》提出一种低应力高电平开关电容逆变器，具有电容电压自平衡和逆变器输出谐波含量显著降低等优点；论文《基于IGCT的大功率五电平中点钳位/H桥变流器》提出了输出低频时采用IPD-SPWM控制，高频时采用SHEPWM控制，在高压大电流工况下获得了良好的性能。

在高频低损耗电路拓扑方面有相关论文3篇：论文《用于前端整流器的高效高密度可调直流变压器》采用RDCX电路作为级联整流器的后级DC-DC，提出一种兼顾功率密度和损耗最小的变压器优化设计方法，实现了6模块RDCX的高效率和高功率密度；论文《基于低高度平面电感的GaN-Si混合型图腾柱无桥功率因数校正器》提出低高度平面电感结构及其优化设计方法，基于电感结构尺寸优化、软开关运行机理研究，基于GaN和双磁柱平面电感实现了变换器的低高度和高功率密度；论文《基于多端口变压器的串联锂电池均压电路》研究了变压器电压比等关键参数设计的约束条件，提出了预测电压和最低电压控制策略，基于GaN和多绕组平面变压器实现了高可控与高效率的整体均压控制。

希望本专题能为相关领域的专家学者提供交流的平台，为我国高频/超高频功率变换技术及其应用的发展提供有益的思考和启发，衷心感谢各位专家编委对本专题的支持，感谢《电工技术学报》编辑部在专题策划、修改、定稿和出版过程中的辛勤工作！

针对GaN器件的非对称双路同步谐振栅极驱动电路

作者：高珊珊；王懿杰；刘怡宁；徐殿国

摘要：近年来,氮化镓（GaN）器件凭借其开关速度快、导通电阻小等优点被广泛应用于电力电子变换器中,与此同时,谐振栅极驱动电路也受到广泛的关注,特别是在高开关频率、小功率的应用场合中,用以降低驱动电路的损耗。然而,与硅器件不同的是,GaN器件的开通阈值电压相对较低,且没有体二极管,反向导通压降较大,因此传统的谐振栅极驱动电路不适使用GaN器件。该文针对高频应用场合中寄生参数易引起驱动信号振荡的问题,结合GaN器件特点,提出一种非对称电压的谐振栅极驱动电路。此外,对于需要两个同步开关的应用场合,如开关电感变换器等,采用具有两个二次侧的变压器实现两路隔离同相驱动信号的输出。该文介绍了谐振栅极驱动电路的工作原理,并以效率最优的原则设计电路参数,设计一台开关频率为1MHz的驱动电路样机,并进行实验验证,实验结果与理论分析结果吻合较好。

Cascode GaN高电子迁移率晶体管高频驱动电路及损耗分析

作者：岳改丽；向付伟；李忠

摘要：为了减小氮化镓驱动电路高频工作时的损耗,针对共栅共源氮化镓高电子迁移率晶体管（Cascode GaN HEMT）提出一种高频谐振驱动电路,采用储能元件替代传统驱动电路中的耗能元件,电感电流为GaN器件栅极电容充/放电,有源密勒钳位电路抑制桥臂串扰。该文重点研究高频谐振驱动电路的工作模态,对电路损耗进行详细分析,给出电感取值的选取原则,并利用PSIM软件对电路进行仿真。最终搭建实验平台对电路的性能进行测试。结果表明,电感为电容充/放电提供低阻抗通路,能有效减小GaN器件驱动电路的电压振荡,明显降低驱动电路的损耗。仿真和实验同时证明了所提出的电路具有较好的性能。

基于干扰动态响应机理的SiC MOSFET驱动设计

作者：邵天骢；郑琼林；李志君；李虹；刘建强

摘要：目前碳化硅（SiC）MOSFET大多沿用Si MOSFET和IGBT的驱动设计方法。然而,由于SiC MOSFET相比Si器件具有更高的开关速度,因而栅极内阻、驱动回路电感和功率回路电感导致的栅源电压干扰情况也值得探索。该文分析栅源电压干扰产生的过程,进而归纳提炼出一种基于干扰动态响应机理的SiC MOSFET驱动参数标幺化设计方法。从开关结电容的等效电路出发,推导出功率回路和驱动回路的传递函数,基于驱动和功率双回路传递函数,研究揭示栅源电压的干扰动态响应机理。进而,引入标幺化的参数表达形式,以标准量化驱动参数对于栅源电压干扰传导路径的影响,提出基于干扰动态响应机理的SiC MOSFET驱动设计原则。最后,搭建双脉冲实验平台,验证该驱动设计原则的合理性。

基于简化状态轨迹的半桥LCC谐振变换器无噪声Burst模式控制策略

作者：赵钧；林弘毅；孙晓玮；伍梁；陈国柱

摘要：半桥LCC谐振变换器在轻载工作模式下,其高开关频率和谐振腔中较大的无功电流会显著降低变换器的工作效率。Burst模式是一种可有效提高变换器轻载效率的方法。但传统Burst模式会造成谐振腔电压电流剧烈振荡进而增加损耗,甚至引发变压器饱和。该文推导半桥LCC变换器不同模态的简化状态子轨迹。在此基础上,提出半桥LCC变换器的Burst模式简化状态轨迹控制策略。该策略通过控制半桥开关管的开关时间,保证半桥LCC变换器谐振腔无振荡,使变换器稳定可靠地工作在高效率状态。此外,针对极轻载条件下Burst模式的噪声污染问题,该文基于半桥LCC变换器Burst模式的简化状态轨迹,进行能量求解和改进控制,保证半桥LCC变换器Burst模式工作频率在人耳敏感的频带以外,抑制噪声的产生。最后,搭建实验装置对所提出的半桥LCC变换器Burst模式进行实验验证。实验结果证明,上述方法显著提高了半桥LCC变换器的轻载工作效率,消除了谐振腔的剧烈振荡和噪声污染。

一种可变结构型高效宽增益多谐振软开关直流变换器

作者：陈梦颖；王议锋；陈庆；杨良；韩富强

摘要：该文提出一种可变结构的多谐振软开关直流变换器。此变换器采用双变压器结构,运用两个互补导通的辅助开关管进行变换器拓扑结构的转换。相互变换的工作模态有三种,能够满足不同工况对高电压增益或高变换效率的要求。此外,该文通过合理设置谐振频率和增益点的方式对变换器的谐振参数进行设计。随后,针对额定条件下变换器同时传递基波和3次谐波能量的工况,构建同时考虑基波和3次谐波的损耗模型,对变换器的损耗分布进行详细估算。最后,为验证理论分析的可靠性,基于一台实验样机对所述变换器进行功率实验验证,在输入电压80~600V变化范围内,输出电压始终稳定在400V,在获得较宽电压增益范围的同时实现了全增益范围内的高效率变换,变换器最高效率达97.6%。

低应力高电平开关电容逆变器及其调制策略

作者：王要强；张亨泰；赖锦木；王克文；梁军

摘要：为了提高可再生能源发电系统中逆变器的升压能力并改善输出电能质量,该文提出一种低应力高电平开关电容逆变器。所提拓扑使用1个直流电源、3个电容和15个开关器件实现4倍电压增益和十七电平交流电压输出。与其他拓扑相比,所提逆变器能以较少的开关器件产生更多的电平,有效地降低了逆变器的输出谐波含量;无需后端H桥即可实现逆变过程,有效地降低了开关器件的电压应力。此外,所提逆变器的电容电压纹波小,且电容电压自平衡的优点简化了控制器的复杂度。该文详细给出所提逆变器的拓扑结构、工作机理与调制策略,分析电容电压纹波计算,并与其他类似拓扑结构进行对比,最后通过实验证明了所提逆变器的可行性和理论分析的正确性。

基于IGCT的大功率五电平中点钳位/H桥变流器

作者：兰志明；王成胜；段巍；杨琼涛；李凡

摘要：将三电平中点钳位（NPC）交直交变流技术和H桥级联技术相结合的五电平NPC/H桥变流器可以实现更高等级的输出电压和容量。该文研究基于集成门极换向晶闸管（IGCT）的大功率五电平NPC/H桥变流器的主电路拓扑结构,并采用模块化结构设计方式减少了杂散参数。在变流器输出中低频时采用一种改进型载波层叠正弦脉宽调制（IPD-SPWM）方法,并提出一种解决低调制度时最小脉宽问题的方法。在变频器输出高频时采用特定谐波消除脉宽调制（SHEPWM）方法来减小输出电压的总谐波畸变率（THD）,并给出计算的开关角度轨迹。实验结果验证了该文研制的变流器所采用的拓扑结构设计和调制方法的可行性,表明变流器达到了设计要求,具有良好的性能。

用于前端整流器的高效高密度可调直流变压器

作者：刘天骥；吴新科；杨树

摘要：前端整流器中,基于级联H桥（CHB）的功率因数校正器能够充分利用低压器件损耗低的特点以获得高效率,并大幅降低电感体积以提高功率密度。但是,由于CHB拓扑导致多个独立的低压母线,后级多个独立的DC-DC必需针对上述特征进行优化设计。该文采用可调直流变压器（RDCX）电路作为后级DC-DC,在保证输出电压紧调整的同时,利用RDCX电路的部分功率调节特性,取得了高效高功率密度。针对多个RDCX模块的组合优化问题,建立模块输出电压与二次侧整流管最小损耗的模型,找出了二次侧整流管损耗最小的RDCX模块组合结构。同时,提出一种兼顾功率密度和损耗最小的变压器优化设计方法。基于上述方法,设计单模块500W,总功率3kW的6模块RDCX组合样机。该样机峰值效率达到了98.1%,满载效率达到了97.9%,功率密度达到了1300W/in³（1in³=1.638 71×10^-5m³）。

基于低高度平面电感的GaN-Si混合型图腾柱无桥功率因数校正器

作者：邹军；吴红飞；刘越；葛子贤；杨柳

摘要：该文提出基于低高度平面电感的GaN-Si混合型图腾柱无桥功率因数校正器（PFC）,利用工频Si二极管的慢恢复特性为高频GaN开关桥臂提供反向电流通路,实现临界电流导通模式无桥PFC和高频GaN开关桥臂的软开关运行。为了实现低高度和高功率密度,提出低高度平面电感结构及其优化设计方法,通过将临界电流导通模式下的电感电流进行分解,给出高频电感磁心和绕组损耗分析模型,并据此对电感结构尺寸进行优化设计。最后制作一台开关频率为200~700kHz、400W的实验样机,验证了所提出的解决方案的可行性和有效性。

基于多端口变压器的串联锂电池均压电路

作者：聂江霖；杨江朋；蔡春健；孙鑫宇；舒泽亮

摘要：串联电池组需要均压措施保证其容量、寿命和安全。该文提出一种基于多端口变压器的串联锂电池均压电路,通过主动和被动两种均压路径实现高可控与高效率的整体均压。与同类均压电路相比,无需附加额外电路,且变压器绕组和开关管数量减少一半。通过电路建模分析确定设计变压器电压比等关键参数的约束条件,并在传统平均电压控制策略的基础上提出预测电压和最低电压两种控制策略。最后,针对24串联锂电池组设计基于GaN开关器件和平面多端口变压器的均压样机,实验结果表明,所提电路和控制方法具有良好的均压速度和效率。

电机及其系统

基于子域分析模型的实心转子感应电机磁场解析

作者：张守首；郭思源

摘要：子域分析技术作为一种简捷高效的磁场解析方法,已在电机恒定磁场解析领域获得广泛应用。该文以实心转子感应电机为例,将子域分析技术拓展到电机磁准静态场解析领域。在二维极坐标平面内,将实心转子感应电机求解区域划分为定子槽子域、气隙子域和实心转子子域,从而在复频域建立考虑定子开槽影响的实心转子感应电机精确子域解析模型。该解析模型着重求解实心转子子域的偏微分方程,根据运行方式的不同,分别给出同步运行和异步运行两种工况下的解析表达式。在解析计算结果的基础上,根据磁链法计算实心转子感应电机的运算电感。最后,通过二维时谐有限元分析验证了解析模型的准确性。

基于励磁绕组高频信号注入的混合励磁开关磁链永磁电机位置估计

作者：刘旭；牛大强；曹阳；周齐

摘要：传统的零速或低速位置估计方法是将高频信号注入到永磁同步电机（PMSMs）的电枢绕组中,但该方法应用于具有低凸极比的混合励磁开关磁链永磁（HESFPM）电机时,位置检测精度较低。因此,该文提出将高频脉冲信号注入励磁绕组的转子位置估计方法。由于HESFPM电机中励磁绕组产生的磁链在d轴上,因此,励磁绕组中注入的高频脉冲信号可以在d轴上感应出高频电流信号。通过检测q轴高频电流信号,即当q轴高频电流信号为零时,判断转子的实际位置。为了验证所提出的位置估计方法,在一台HESFPM实验样机上进行实验验证。结果表明,所提出的HESFPM电机位置估计方法在稳态与动态响应方面均具有较高的精度。

基于自适应基准锁相环的高速永磁电机转子位置误差全补偿方法

作者：王晓琳；刘思豪；顾聪

摘要：转子位置信息的精度影响高速永磁同步电机的运行性能,在高速运行条件下,转子位置估算容易受到环路滤波器和电机参数偏差等非理想因素的影响。首先,针对转子位置估算误差,该文提出一种自适应基准锁相环,主要思想是锁相环通过误差重构,实现对基频相关误差补偿。在此基础上,以最小电流为目标自适应调节锁相环的锁相基准,实现对非基频相关误差的补偿,最终实现对位置误差的全补偿,该方法实现简单、参数依赖性低、鲁棒性强。最后,基于一台高速永磁同步电机进行仿真与实验,结果验证了所提出方法的有效性。

电力电子

适用于中压领域的V形钳位多电平变换器

作者：原露恬；王琛琛；薛尧；杨晓峰；郑琼林

摘要：多电平变换器在中高压大功率电能变换领域已得到广泛的应用。该文针对中压电能变换领域,提出V形钳位多电平变换器（VMC）拓扑族。在现有IGBT电压等级的条件下,该拓扑族采用较少数量的器件就可以实现中压大功率电能变换,结构简单;同时该拓扑族无需飞跨电容,降低了系统控制复杂度。首先提出VMC拓扑族的构成,包括拓展方式、一般形式以及演化类型;在此基础上研究VMC工作原理及控制方法,分析直接钳位机制和阻断电压分配问题。考虑目前商业主流功率器件电压等级,针对拓扑结构特点,揭示适宜VMC的电压等级;最后通过仿真和实验结果验证了所提拓扑族及控制方法的可行性,也进一步证明了该文理论分析的正确性。

基于改进恒导通时间控制的临界连续导通模式Boost功率因数校正变换器

作者：周玉婷；吴羽；任小永；陈乾宏；张之梁

摘要：为改善临界连续导通模式（BCM）Boost功率因数校正（PFC）变换器输入电流总谐波畸变率（THD）,该文提出一种改进恒导通时间（COT）控制,分析改进COT控制对输入电流THD和变换器效率的影响;通过改进电流过零检测（ZCD）电路实现电感电流过零信号的提前检测,补偿信号传播延时的影响,缩短甚至消除反向谐振过程,改善输入电流THD的同时不增加控制的复杂度。最后,该文搭建一台160W BCM Boost PFC变换器实验样机,验证所提改进COT控制的可行性和有效性。

全数字自适应滤波器不同离散结构的性能对比分析

作者：刘亚静；段超

摘要：基于二阶广义积分器（SOGI）的自适应滤波器（AF）在电网电量测量、电机位置、速度检测与估计等场合广泛应用。在数字化实现过程中,反馈滞后一拍的存在和所采用离散方法的不同会使系统的性能出现不同程度的退化。该文在综合考虑上述因素的前提下,用稳定性、频率偏移特性、幅值增益特性及正交特性作为衡量系统性能退化的定量指标,分别进行了理论对比分析,并给出了上述4个指标随载波比的变化规律,从而为自适应滤波器数字实现时的离散方法的选取提供理论指导依据。最后通过仿真和实验验证了理论对比分析的正确性。

电力电子变流装置散热器状态智能预测方法

作者：付和平；陈杰；邱瑞昌；刘志刚

摘要：该文首先通过建立散热器稳态热阻模型和流体动力学模型,从理论上分析散热器散热性能下降的机理,风道压降的增加和表面传热系数的增大导致散热器热阻增大;其次建立基于集总参数模型的散热器状态预测模型及方案,同时建立功率器件功率损耗计算模型,并通过仿真和实验做了相关验证;最后通过实验得出不同堵塞程度下散热器热阻、热容、热时间常数的变化曲线,为散热器在线状态预测提供新的可行方案。

高电压与放电

油浸纸水分含量与混联等效模型极化支路极点的定量关系

作者：邹阳；林超群；叶荣；金涛

摘要：该文基于油纸绝缘混联等效模型（HEM）——一种将界面极化支路引入扩展德拜模型（EDM）的拓扑结构,提取新的表征油浸纸水分含量的频域特征参量PTC-Max、PTC-Min。首先基于实测感应调压器数据对比FDS在辨识HEM与EDM模型参数效果上的不同,说明HEM的优势;应用传递函数法推导得到模型的传递函数方程,通过Matlab解析得到不同水分含量油浸纸的传递函数谱,以此提出HEM极化支路极点可表征油浸纸的水分含量;运用最优加权组合法实现两特征参量对应评估方程的线性组合,克服单一评估方程的不足;最后基于不同尺寸油纸绝缘设备的实测数据对所提取的特征参量进行有效性检验。

直流自然换流式接触器设计与均压开断研究

作者：贾博文；武建文；夏尚文；罗晓武；岳云霞

摘要：该文基于一种直流自然换流式接触器拓扑结构,采用承载额定电流的通流支路触头和实现电路开断的灭弧支路触头相并联的形式解决航空、航天及新能源等领域向更高电压等级发展的直流开断需求。通过理论分析和相应的实验来研究该并联拓扑结构不同支路间电流的换流特性及燃弧特性。针对电路开断过程中灭弧支路串联多断口间呈电压不均匀分布现象,提出结构调控及磁场调控两种调节方式,使用动态Mayr修正模型研究不同调控方式下灭弧触头均压开断效果。定义了一种衡量动态开断过程中串联多断口电弧电压均匀系数,得到优化灭弧触头动作特性的结构调控方式,将电压均匀系数从54.1%提升到80.1%。针对灭弧触头动作的分散性,进一步采取磁场调控方式将电压均匀系数提升到98.05%,均匀的电压分布提高了串联多断口结构的开断能力及电寿命。

考虑相速度频变特性的改进相位差算法局部放电定位

作者：饶显杰；周凯；黄永禄；汪先进；谢敏

摘要：电力电缆局部放电（PD）源的精确定位对于保障城市电网的稳定运行具有重要意义。针对传统相位差算法的定位精度受相速度频变效应和噪声影响大的问题,该文提出一种改进相位差算法用于电缆局部放电定位,该方法考虑了相速度频变效应和PD频带分布特点,因此拥有更高的定位精度,同时具有较好的抗噪能力。首先,介绍该方法的基本原理,该方法选取PD的频带范围进行相位差展开,并利用电缆的相速度对相位差进行修正以完成局部放电源定位;然后,在Matlab软件中搭建仿真模型,证实了该方法的可行性;最后,在实验室中用该文所提方法对250m含缺陷的电力电缆进行实际局部放电源的定位测试。仿真和实测结果表明,所提定位方法具有较高的定位精度,在实际工程中能取得较好的效果。

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