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

📄 arXiv: 2411.06589v2 📥 PDF

作者: Inhwi Hwang

分类: eess.SY

发布日期: 2024-11-10 (更新: 2024-11-12)

备注: 7 pages, 13 figures, pre-print

💡 一句话要点

提出跳跃邻近脉冲宽度调制，实现混合飞跨电容多电平变换器全占空比零电压开关

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 零电压开关 混合飞跨电容多电平变换器 脉冲宽度调制 跳跃邻近调制 电力电子 高效率 全占空比

📋 核心要点

  1. 传统FCML变换器难以在全占空比范围内实现ZVS，限制了效率和应用范围。
  2. 采用SAPWM，通过跳过邻近电压电平增加伏秒数，并修改PWM方案保持极电压。
  3. 仿真结果验证了该方法在全占空比范围内实现了ZVS，提升了变换器效率。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种在混合飞跨电容多电平（FCML）变换器中实现全占空比范围内零电压开关（ZVS）的方法，无需动态电平切换和主动再平衡。该方法利用跳跃邻近脉冲宽度调制（SAPWM），避免了最近的极电压电平，从而增加了特定占空比范围内的伏秒数。该方法采用改进的PWM方案，通过改变占空比参考和采用数字逻辑处理来保持有效的极电压。仿真结果验证了所提出的方法实现了全范围的ZVS。这种SAPWM技术与各种电平的混合FCML变换器兼容，从而提高了效率并降低了开关损耗。

🔬 方法详解

问题定义：传统混合飞跨电容多电平（FCML）变换器在实现全占空比范围内的零电压开关（ZVS）时面临挑战。动态电平切换和主动再平衡增加了复杂性和成本。此外，在某些占空比范围内，难以获得足够的伏秒数来实现ZVS，导致开关损耗增加，效率降低。

核心思路：本文的核心思路是利用跳跃邻近脉冲宽度调制（SAPWM）来避免最近的极电压电平，从而增加特定占空比范围内的伏秒数。通过增加伏秒数，可以更容易地实现ZVS，而无需动态电平切换或主动再平衡。同时，通过修改PWM方案，可以保持有效的极电压，确保变换器的正常运行。

技术框架：该方法主要包含以下几个关键模块：1) SAPWM调制策略：通过跳过邻近电压电平来增加伏秒数。2) 改进的PWM方案：通过改变占空比参考和采用数字逻辑处理来保持有效的极电压。3) 混合FCML变换器：应用SAPWM的功率变换器拓扑。整体流程是，首先根据所需的输出电压和占空比计算出合适的占空比参考，然后利用改进的PWM方案生成控制信号，驱动混合FCML变换器工作。

关键创新：该方法最重要的技术创新点在于SAPWM调制策略的应用，它与传统的PWM方法不同，通过跳过邻近电压电平来增加伏秒数，从而更容易实现ZVS。此外，改进的PWM方案确保了在SAPWM调制下，变换器仍然能够保持有效的极电压。这种方法避免了动态电平切换和主动再平衡，简化了控制，降低了成本。

关键设计：关键设计包括：1) SAPWM的跳跃策略：需要根据具体的变换器拓扑和占空比范围来设计合适的跳跃策略，以最大化伏秒数的增加。2) 改进的PWM方案的参数设置：需要仔细调整占空比参考的修改量和数字逻辑处理的参数，以确保变换器能够稳定运行，并保持有效的极电压。3) 混合FCML变换器的电容值选择：需要根据所需的输出电压纹波和开关频率来选择合适的电容值。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

论文通过仿真验证了所提出的SAPWM方法在混合FCML变换器中实现了全占空比范围内的ZVS。仿真结果表明，与传统的PWM方法相比，该方法能够显著降低开关损耗，提高变换器的效率。具体的性能数据（例如效率提升百分比、开关损耗降低幅度）在摘要中未明确给出，属于未知信息，但整体趋势是正向的。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于各种需要高效率和低开关损耗的电力电子变换器领域，例如光伏逆变器、电动汽车充电器、储能系统等。通过实现全占空比范围内的ZVS，可以显著提高变换器的效率，降低散热需求，并延长设备的使用寿命。此外，该方法无需动态电平切换和主动再平衡，简化了控制，降低了成本，使其更具吸引力。

📄 摘要（原文）

This paper proposes a method to achieve zero voltage switching (ZVS) across the full duty cycle range in hybrid flying capacitor multilevel (FCML) converters, eliminating the need for dynamic level changing and active re-balancing. Utilizing skipped adjacency pulse width modulation (SAPWM), this approach avoids the nearest pole voltage level, thereby increasing volt-seconds within specific duty cycle range. The method uses a modified PWM scheme, which preserves effective pole voltage by changing duty reference and employing digital logic processing. Simulation results verify the proposed method achieving full-range ZVS. This SAPWM technique is compatible with hybrid FCML converters with various levels, offering enhanced efficiency and reduced switching losses.