GaN全桥逆变器的THD及效率优化变频控制策略研究

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随着全球能源消耗与环境污染的日益严峻,以光伏发电为代表的可再生能源发电技术成为一个新的研究热点,逆变器则是光伏发电系统中的重要组成部分。为进一步提高光伏逆变器的功率密度与工作效率,将第三代宽禁带半导体器件GaN应用于逆变器成为一种新的趋势。GaN器件的特点是适合高频工作,在高开关频率下,GaN基逆变器仍能保持较高的效率,同时能保持较高的功率密度和较低的THD。本文基于GaN基逆变器,对其在连续电流模式(Continuous Current Mode,CCM)和临界电流模式(Boundary Current Mode,BCM)下的工作特性进行分析,从效率、THD两个角度对其进行讨论与对比,针对各自的问题分别运用三种新的控制策略,并进行相应的仿真与实验验证,证明了其能达到更优的控制效果。首先,本文对CCM控制策略进行了研究。首先分析了传统CCM控制下GaN基逆变器的工作特性。在CCM控制下,GaN基逆变器的开关管为硬开关,因为其开关频率高,所以会出现开关损耗增加的问题,从而导致整机效率降低。本文采用一种在工频周期内频率变化的新型控制策略,在保证THD要求的前提下实现了整机开关损耗的降低。其次,本文对基本BCM控制策略进行了研究。首先分析了传统BCM控制下GaN基逆变器的工作特性。在传统BCM控制下,GaN基逆变器的开关管为软开关,这使其开关频率提高时效率仍保持较高的水平。但传统BCM控制存在输出电压过零点畸变的问题。本文对输出电压过零点畸变问题进行分析,并总结出畸变原因。现有的改善输出电压过零点畸变问题的方法是采取正弦化的电流临界模式(Sine Hysteresis Current Mode,SHCM)控制策略,但该控制策略没有完全解决畸变问题。为了解决该问题本文采用了一种新的变频控制策略——单极性倍频SHCM控制策略,基本解决了传统BCM控制输出电压过零点畸变的问题,并搭建了150W的实验样机进行实验验证。最后,本文对BCM混合控制策略进行了研究。分析了BCM混合控制下GaN基逆变器的工作特性,并采用了新型的混合控制策略。采用SHCM控制策略,虽然可以解决输出电压过零点畸变问题,但整机的效率仍有提升空间。本文分析了混合单极性与双极性CBCM控制策略、混合单极性与单极性倍频SHCM控制策略、混合单极性CBCM与单极性SHCM控制策略的工作特性,并在此基础上采用混合单极性SHCM与双极性CBCM控制策略,更高效地解决输出电压过零点畸变问题的混合BCM控制策略,并对其进行了仿真与实验验证。
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