基于磁能回复开关(MERS)的电流型高频谐振变换器的研究

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随着电力电子技术的发展和工业需求的不断提高,小型化、模块化和集成化成为当前电力电子装置发展的趋势,其中功率变换器由于其高频性能,使得装置体积减小、功率密度和可靠性提高,得到了日益广泛的应用。传统的PWM(Pulse-Width Modulation)变换器具有硬开关特性,开关损耗随频率升高而急剧增加,不适用于高频应用场合。谐振变换器通过LC元件的谐振实现开关管的零电压开关和零电流开关,减小了开关损耗,允许工作频率进一步提高,在高频工作环境下具有显著优势。本文提出了一种基于磁能回复开关(Magnetic Energy Recovery Switch, MERS)的电流型LCL谐振变换器,解决了传统LCL谐振变换器由于输入扰动和元件参数误差导致的输出电流难以稳定的问题,同时实现了各开关管的软开关。
  本文首先介绍了MERS的典型拓扑结构,详细分析了MERS的三种工作模式,建立数学模型推导MERS的容抗计算公式。结果表明,通过控制MERS各个开关管的通断可以改变MERS的等效容抗值,提出MERS作为可控容抗控制器的可行性。
  其次,对基于MERS的电流型高频谐振变换器的工作特性展开研究。功率变换器有多种控制方法,最常用的是变频控制,然而变换器中磁性元件的性能会随着频率的变化而降低,并且增加了系统的设计复杂性。本文提出了一种新型谐振变换器控制策略,将MERS电路引入变换器的谐振回路,通过改变MERS的等效容抗,能够实现变换器的恒流输出特性。分析了基于可变容抗的LCL谐振变换器恒流工作原理,详细阐述了MERS-LCL谐振变换器的工作过程和软开关特性,并通过仿真验证了所提出拓扑的有效性。
  再次,将所提出的MERS-LCL谐振变换器应用于LED的恒流驱动,提出基于MERS-LCL谐振变换器的LED恒流驱动控制策略。为了满足日益增加的照明需求,大功率的LED负载通常采用混联方式连接,当负载组件中发生故障时,传统LED驱动电源的恒流效果较差。本文结合MERS-LCL谐振变换器,提出一种新型LED驱动电路,分析了LED驱动电流与MERS等效容抗之间的关系曲线,通过对MERS等效容抗进行调控可以实现LED恒流驱动,并使用PSIM软件建立了所提出的LED驱动电路仿真模型,进行仿真验证。
  最后,对MERS-LCL谐振变换器进行硬件和软件设计,并搭建了一台小功率实验样机,实验结果进一步验证了MERS结构对于LCL谐振变换器输出调控的有效性和可行性。
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