超高频开关功率变换器的损耗估计及最优效率控制策略研究

Power density is the key to decrease size and weight of power converter, therefore, it is imperative to increase the switching frequency. Converter power density can be greatly improved by using very high frequency power conversion strategy. However, relatively high power loss can be caused by the switch and parasitic parameters, which decreases the efficiency. This project will study low-loss circuit scheme for very high frequency power converter. Through harmonic compensation, resistance compression network and current-adaptive resonant driving strategy, power loss of resonant inverter, rectifier and driving circuit will be reduced. Furthermore, accurate parasitic parameters will be extracted through time domain reflectometry method, and they are used to build the power loss model suitable for different operation conditions. Based on the model, feedback is established to regulate converter states and control signals, which optimizes both steady state efficiency and transient efficiency of the converter, and ensures soft switching. This project will improve low-loss circuit scheme and model of very high frequency power converter, and explore fundamentals for power loss estimation and maximum efficiency control, especially for maximum efficiency state variable controller and transient efficiency optimizing strategy. The achievements will provide a demonstration to improve the power density and efficiency of switched mode power converter.

开关功率变换器的功率密度是其小型化和轻量化的关键，因而提高开关频率是其发展的必然趋势。超高频开关功率变换器可以极大地提升功率密度，但其由开关和寄生参数引起的损耗较大，降低了电能变换的效率。本项目首先对超高频开关功率变换器的电路结构开展研究，通过谐振网络补偿、阻抗压缩和适应电流变化的软驱动策略，分别降低谐振逆变器、整流器和驱动电路的损耗；接着基于时域反射法提取系统中的精确寄生参数，进而建立变换器不同工作状态下的损耗模型，满足损耗估计在精度和复杂度上的要求；最后针对不同的变换器工作状态，通过状态变量和控制变量的调节来提高变换器稳态和瞬态下的效率，并保证软开关正常工作。本项目将完善超高频开关功率变换器的低损耗电路结构和损耗模型，初步构建变换器损耗估计和最优效率控制的理论框架，特别是最优效率状态变量控制和基于瞬态效率优化的控制策略，可以为开关功率变换器功率密度和效率的提升提供一定的理论依据和示范。

本项目执行期间，课题组针对高频开关功率变换器，展开了寄生参数效应、纹波效应、最优控制、软开关、效率优化等多方面研究。（1）在高频功率变换器控制方面：基于线性叠加的最优控制策略不仅可以解决多扰动源的优化控制问题，而且提供了一种最优控制设计思路；针对数字电流模式控制中延迟导致的稳定性问题，研究了延迟效应和补偿策略；新型电荷平衡控制及其简化算法可以极大地提高变换器的动态响应速度；基于电压外插型的电荷平衡控制则进一步提升内环带宽，将动态响应速度提升至接近物理极限。（2）在高频功率变换器建模方面：提出了寄生参数衰减模型，可用于分析寄生参数导致的小信号模型变化、效率衰减，并针对寄生参数效应提出了补偿策略；考虑纹波的小信号模型为高频功率变换器提供更精确的设计指导。（3）在高频功率变换器效率优化方面：基于第三代宽禁带半导体器件及软开关的设计可以有效降低开关损耗和导通损耗，将可以继续推动变换器的高频化发展；基于导通/关断时间调制的最大效率控制则提供了一种从控制上优化效率的新思路。本项目在高频功率变换器的控制、效率优化、精确建模等方面均取得了一定的突破，相关成果在电力电子技术、自动控制技术等方面具有一定的指导意义，将推动高频功率变换器的发展。