高频功率变换器杂散参数行为特征及系统优化研究

针对高频功率变换器中杂散参数对性能的显著影响作用，在国家自然科学基金的资助下，项目对高频功率变换器的主要杂散参数进行系统归类和抽取，摆脱器件理想模型和集总参数的束缚，对高频变换器中功率器件、高频变压器、连接母排、控制电路PCB等环节杂散电阻、杂散电容以及杂散电感等参数的抽取原理及实验测量方法进行了系统分析和研究；通过仿真研究和试验，集中分析了杂散参数的行为特征和作用机理，从电磁能量的角度探索了杂散参数对系统的影响本质；采用电磁场理论和基于杂散参数的建模方法，建立了基于杂散参数的高频功率变压器的数学模型、IGBT电热模型和控制系统模型；提出了高频功率变压器及连接母排的优化设计方法及系统控制策略；以此为基础建立了结合电磁特性、温度特性、机械特性、控制特性的系统可靠性评估及优化方法，对提升高频装置的综合性能和可靠性具有积极的指导意义。公开发表学术论文14篇，申请国家专利12项，授权5项。项目按原研究计划实施，无调整情况。 2100433B

高频功率变换器中杂散参数的行为对其性能具有极大影响，目前国内外对该领域的系统研究较为缺乏。本项目将对高频功率变换器的主要杂散参数进行系统归类和抽取，摆脱器件理想模型和集总参数的束缚，跳出理想拓扑结构框架，采用电磁场理论和基于杂散参数的建模方法，建立较为完整的基于杂散参数的电力电子系统模型，通过仿真研究和试验研究，集中分析杂散参数的行为特征和作用机理，从电磁能量的角度探索杂散参数对系统的影响本质，建立一套考虑杂散参数的瞬态换流回路拓扑分析方法和结合电磁特性、温度特性、机械特性、控制特性的系统优化方法，使高频功率变换器的瞬态特性、EMI、可靠性等得到优化和提高。以指导高频功率变换器及其它电力电子系统的最优设计和高效、可靠运行。

随着开关功率变换器高频化和高功率密度的发展，磁性元件成为功率变换器进一步发展的瓶颈，其中磁芯损耗的测量和建模成为关键技术难题，也是磁性元件深入研究和优化应用的基础。 项目首先深入分析并揭示了高频磁芯损耗传统交流功率测量方法误差大一致性差的根本原因；提出了新测量方法—直流功率测量法，基本思想是通过一个DC/AC逆变装置将直流逆变为交流作为被测磁元件励磁源，而由直流侧输入功率获得被测磁元件损耗，从而克服了交流功率测量方法误差大的根本问题；进一步建立了逆变装置本身的多参数损耗精确模型，提出采用定标的方法有效扣除逆变装置的杂散损耗；设计研制了DSP控制的磁元件损耗测量的完整系统；为了获得准确的磁元件损耗，提出了比对量热计新方法，并建立了测试装置系统；通过与量热计法的对比，验证了提出的直流功率测量方法的有效性，进一步提出功率差值测量新方法以及施加高、低频复合励磁波形的新方案，可以测量有气隙磁元件的损耗；同时还提出了扣除被测磁元件绕组损耗从而获得磁芯损耗的有效新方法。验证表明，研发的测量装置在被测磁元件阻抗角89度下误差能控制在5%以内。以上各项成果解决了高频磁芯损耗，尤其是高、低频复合励磁下测量磁芯损耗的难题，测试方法和装置有望成为国际和国内标准。 项目在损耗测量研究和成果的基础上，通过大量的各种工况励磁下的测试，分析了包括磁密大小、频率、各种不同占空比PWM波形、直流偏磁以及高低频复合励磁等实际工况下各个因素对磁芯损耗的综合影响，结合磁芯损耗机理研究和分析，提出了新的磁芯损耗计算模型，可以计算磁芯在功率变换器各种复杂励磁工况下的磁芯损耗，与损耗测量结果较好吻合，为磁性元件损耗分析和优化设计提供了理论模型，有助于功率变换器产品效率和功率密度的提高。 成果包括撰写论文7篇，申请发明专利4项，直接培养博士生2名，硕士生4名，促进了磁性元件损耗测量方法的国际国内标准制定，得到国内外知名企业的重视和技术开发应用。

磁性元件对功率变换器的效率、功率密度和可靠性具有重要影响。现有磁芯损耗测量技术对高阻抗角的高频低损耗磁芯存在难以避免的很大固有误差，现有简单损耗模型也仅适用于简单正弦和方波励磁波形，缺乏对功率变换器应用下复杂励磁波形的精确损耗模型，严重制约磁性元件的研究、分析、设计、应用及其深入发展。本项目将从新角度研究磁芯损耗测量新方法，从原理上完全克服现有方法固有误差，同时保持电气测量法简捷实用的优点，并能测量复杂励磁波形下的损耗；通过对新方法的误差分析，采取优化、消除以及补偿等综合措施，使得测量精度明显优于现有方法，满足研究分析和实际应用要求；结合磁芯损耗机理分析、损耗实验设计以及数据智能分析，研究磁芯在复杂任意励磁波形下的损耗特征，揭示对磁芯损耗有本质作用的具有外部电气可测性的各个影响因素，建立适用于任意复杂励磁波形下的磁芯损耗通用高精度模型。研究成果将促进功率变换器磁元件设计与应用水平提高。

中国交交矩阵变换器的研究起步较晚，大致从90年代开始，南京航空航天大学、上海大学、哈尔滨工业大学、清华大学、湘潭大学等单位先后在不同的基金赞助下，开展了这方面的研究工作，并达到了一定的水平。

1994年南京航空航天大学庄心复教授对交交矩阵变换器空间矢量调制原理进行仿真和实验研究。1997年至98年穆新华在庄心复的指点下对交交矩阵变换器双电压合成原理进行了仿真研究。1997年，上海大学基于空间矢量调制原理和80C196KC单片机研制了用IGBT作为功率开关的交交矩阵变换器实验装置，综合指标达到国际先进水平。1998年西安交通大学王汝文教授等对斩波调制和交交矩阵 变换器控制的普遍性问题进行了研究，提出了一种功率因数可调，输入电流和输出电压为正弦的调制函数。1999年，哈尔滨工业大学陈学允、陈希有等专家建立了交交矩阵变换器的等效电路，得到了输入电流、功率因数、电压增益、输出阻抗等性能指标的解析表达式。同年，陈希有在其博士论文中对非对称输入条件下三相矩阵式变换器的谐波进行了研究。为解决坐标变法电压传输比低的问题，引进线—线换流法和改进的线—线换流法，减少了输出谐波，并将电压传输比提高到0.866。同时对几种不同类型的调制策略在非对称输入下的谐波状况进行了分析。

还有上海大学朱贤龙博士以Saber软件为实验平台建立了基于空间矢量调制策略的三相/三相矩阵式变换器的仿真模型，提出了一种优化控制方法，简化了调制过程，并降低了开关损耗。在此基础上，提出了一种三相交交矩阵变换器的优化实现方案。在适当牺牲电流波形的基础上，使功率因数可以达到或高于具有直流滤波电感的通用交直交变换器。随后，陈希有等对双电压合成的交交矩阵变换器控制技术进行了两点改进：一是实现无功功率的正负调节；二是改善了在非对称输入电压情况下的输入电流波形。2000年湘潭大学开始交交矩阵变换器的研究，取得了一定的成绩，建立了交交矩阵变换器的仿真模型，制作了实验样机。2004年清华大学孙凯等对矩阵变换器在电源异常时的运行性能进行了分析，制作了实验样机。他们的研究成果对交交矩阵变换器的分析与设计具有较大的指导意义。