跳過相鄰脈衝寬度調變：無需動態電平切換，即可在全占空比範圍內實現混合式飛跨電容多電平轉換器的零電壓切換

核心概念

本文提出了一種跳過相鄰脈衝寬度調變 (SAPWM) 技術，用於混合式飛跨電容多電平轉換器 (FCML)，可在全占空比範圍內實現零電壓切換 (ZVS)，同時避免了動態電平切換和主動再平衡的需求。

摘要

研究目標：

本研究旨在解決混合式飛跨電容多電平轉換器 (FCML) 中，傳統相移脈衝寬度調變 (PSPWM) 技術在實現全占空比範圍內零電壓切換 (ZVS) 時的限制。

方法：

本文提出了一種名為跳過相鄰脈衝寬度調變 (SAPWM) 的新方法。該方法通過修改 PWM 方案，避免使用最接近的極電壓電平，從而在特定占空比範圍內增加伏秒積，進而實現全範圍 ZVS。

主要發現：

• 模擬結果驗證了所提出的 SAPWM 方法能夠在全占空比範圍內實現 ZVS。
• 與傳統的 PSPWM 相比，SAPWM 技術能夠在更寬的占空比範圍內實現 ZVS，從而提高效率並降低切換損耗。
• SAPWM 技術與具有不同電平數的混合式 FCML 轉換器相容，具有廣泛的適用性。

主要結論：

• 本文提出的 SAPWM 技術為 FCML 轉換器提供了一種有效且實用的全範圍 ZVS 解決方案。
• 與需要動態電平切換的方法相比，SAPWM 技術簡化了控制複雜度，並減少了開關損耗。

重點：

本研究為提高 FCML 轉換器的效率和性能提供了新的思路，並為電力電子領域的 ZVS 技術發展做出了貢獻。

局限性和未來研究方向：

• 未來的研究應側重於通過硬體實驗驗證所提出的方法。
• 應進一步研究 SAPWM 邏輯，以增強被動平衡的動態響應。
• 應對被動平衡穩定性進行數學分析，以優化系統性能。

統計資料

在 60 Hz 線路頻率的並網轉換應用中，每個線路電壓週期 (13.3 毫秒) 需要進行總共 12 次再平衡事件，總計約 1 毫秒，佔線路電壓週期的 8%。
對於具有 4 級和 5 級的動態電平切換，開關電壓額定值必須設計為滿足 4 級配置的要求。

引述

"This study addresses the identified research gap by proposing a new method to achieve full-range ZVS. The approach eliminates the need for dynamic level changing, active re-balancing, and additional switch sets. Instead, it relies solely on modified switching techniques."
"This SAPWM technique is compatible with hybrid FCML converters with various levels, offering enhanced efficiency and reduced switching losses."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Skipped Adjacency Pulse Width Modulation: Zero Voltage Switching over Full Duty Cycle Range for Hybrid Flying Capacitor Multi-Level Converters without Dynamic Level Changing

by Inhwi Hwang 於 arxiv.org 11-12-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.06589.pdf

深入探究

除了提高效率之外，SAPWM 技術的應用還能帶來哪些其他優勢？

除了提高效率外，SAPWM 技術還能帶來以下優勢：

降低電磁干擾 (EMI)： SAPWM 通過改變脈寬調變方式，有效地增加了電壓紋波頻率，從而降低了電磁干擾。
簡化電路設計： 相比於動態電平調整技術，SAPWM 不需要額外的開關器件和複雜的控制電路，簡化了電路設計。
提升系統可靠性： 由於減少了開關器件的數量和開關損耗，SAPWM 技術有助於提升系統的整體可靠性。
易於與其他技術結合： SAPWM 技術可以與其他技術，例如軟開關技術、諧波注入技術等結合，進一步提升電力電子轉換器的性能。

如果飛跨電容的電壓平衡出現問題，SAPWM 技術的性能會受到怎樣的影響？

如果飛跨電容的電壓平衡出現問題，SAPWM 技術的性能會受到以下影響：

ZVS 運作失效： SAPWM 技術依賴於精確控制電感電流的峰值和谷值電流來實現 ZVS。而飛跨電容電壓不平衡會導致電感電流波形畸變，進而影響 ZVS 的實現，增加開關損耗。
輸出電壓失真： 飛跨電容電壓不平衡會直接導致輸出電壓失真，降低電力電子轉換器的性能。
系統穩定性下降： 電壓不平衡會影響系統的穩定性，嚴重時可能導致系統無法正常工作。
因此，在應用 SAPWM 技術時，必須採取有效的電壓平衡措施，例如被動平衡或主動平衡，確保飛跨電容電壓維持在合理範圍內，才能充分發揮 SAPWM 技術的優勢。

在追求更高效電力轉換技術的過程中，除了 ZVS 技術之外，還有哪些其他有前景的研究方向？

除了 ZVS 技術之外，還有以下有前景的研究方向可以提升電力電子轉換器的效率：

寬禁帶 (WBG) 半導體器件： 例如碳化矽 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等 WBG 材料製成的功率器件，具有更低的導通電阻和開關損耗，可以顯著提升轉換效率。
新型電路拓撲： 例如多電平轉換器、矩陣轉換器等新型電路拓撲，可以降低電壓應力和電流應力，減少開關損耗，提高效率。
軟開關技術： 除了 ZVS 之外，還有零電流開關 (ZCS) 等軟開關技術，可以有效降低開關損耗，提高效率。
先進控制策略： 例如預測控制、模型預測控制 (MPC) 等先進控制策略，可以優化開關時序，減少開關損耗，提高效率。
集成化和模組化設計： 將多個功率器件和被動元件集成在一個封裝內，可以減少寄生參數，降低損耗，提高效率。
總之，追求更高效的電力轉換技術是一個持續發展的領域，需要不斷探索新的材料、拓撲、控制策略和設計方法。