计及寄生参数的高频功率变换器能效分析与研究

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随着电力电子装置不断向着高频、大功率的方向发展,高频变换器中存在的寄生参数对其工作特性的影响也日趋显著。开关管的开关过程中,电流变化率(di/dt)可达几百A/μs,在寄生电感的作用下,引起过高的电压尖峰而损坏开关器件、增加开关损耗和电磁干扰噪声;同时,此过程中的电压变化率(du/dt)也很高,过高的du/dt作用于寄生电容导致电路功耗增加并破坏电路的可靠性;此外,寄生电阻的存在则会直接造成高频变换器的功率损耗,并对高频响应、测量误差以及开关脉冲波形和稳定运行等造成不利影响。本文致力于计及寄生参数的高频功率变换器能效分析与研究,内容涵盖了电力电子器件寄生参数的模型建立及其测量提取和行为特性分析,功率器件的损耗建模和功率变换器的效率分析等内容。论文的主要工作如下:分析了影响高频变换器功率和效率的各个因素,并在计及寄生参数的基础之上,提出了新型能效分析的评价指标,综合考虑制约能效特性的各类参数对其产生的影响,以保证高频变换器系统可以更好的实现高功率、高效率的能量输出。针对现有IGBT功率损耗模型或计算量太大,或计算精度不足的弊端,在计及IGBT寄生参数的前提下,详细分析了IGBT开通和关断过程中的等效电路图,并逐一推导了相应的损耗公式,提出了一种新型功率损耗建模方法,考虑到IGBT振荡过程中的功率损耗,可以更加准确的估算电路功耗。以Buck变换器为例,建立了计及寄生参数的变换器效率模型并分析变换器的效率特性。采用Saber软件进行效率仿真验证,并利用Matlab工具箱的拟合工具对效率模型进行系数拟合,可以通过输入、输出功率采样,在电路具体运行参数未知的情况下,根据效率函数模型估算变换器的效率。进一步地,逐一分析IGBT寄生参数对Buck变换器效率的影响,通过仿真测量得到输入、输出功率,并计算相应的效率值。搭建高频大功率ZVZCS移相全桥变换器实验平台,测量并记录不同输出功率下的效率,通过比较发现,本文提出的计及寄生参数的功率损耗模型和效率模型较之于传统的模型更加精确,且与实验结果具有很好的一致性。
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