A Passive Voltage Spike Suppression Strategy for High-Frequency Link Inverters Based on Primary-Side Resonance
本文提出了一种用于高频链路逆变器的无源原边谐振策略，该策略无需额外的有源器件或复杂的控制，即可有效抑制电压尖峰并补偿占空比损失，并通过一个展示了显著尖峰削减和极低功率损耗的1kW原型机得到了验证。
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在现代能源领域，目标是将太阳能电池板等来源的电能以最高效率、最低损耗输送到我们的家庭和电网中。为了实现这一目标，工程师使用被称为“逆变器”的设备，将电池或太阳能电池板产生的稳定直流电转换为为我们的电器供电的交流电。几十年来，这些机器一直依赖大型、沉重的变压器来进行升压或降压，但这些笨重的组件使得系统反应迟缓且效率低下。解决方案是转向高频链路逆变器，这种逆变器利用微小、快速切换的电子元件，通过更小的变压器来传输能量。虽然这种方法缩小了设备体积并提升了性能，但也引入了一个新的、隐形的难题。当这些电子开关每秒钟开关数百万次时，电流的突然变化会与导线和芯片内部微小且不可避免的电气特性发生相互作用。这种相互作用会产生一种剧烈的电学“回冲”，即被称为“电压尖峰”的现象，其高度可能达到危险水平。如果任由其发展，这些尖峰会烧毁精密的电子元件，迫使工程师不得不使用更昂贵、过度设计的组件，仅仅是为了在冲击中幸存下来。
青岛大学的一个研究小组开发了一种新方法，可以在不增加复杂性或浪费能量的情况下驯服这些尖峰。在他们的研究中，他们专注于一种用于中型功率应用（如太阳能发电系统中常见的那种）的高频逆变器。他们观察到，当逆变器中的主开关改变状态时，储存在变压器内部磁场中的能量会与开关的微小电容发生谐振，从而产生一个可能使正常工作电压翻倍的浪涌。在实验中，这种浪涌将电压推高至800伏特，这一水平威胁到了系统的安全性和寿命。研究人员测试了几种现有的抑制方法，包括一种使用电阻和电容来吸收多余能量的传统方法。虽然这种旧方法降低了尖峰，但它是通过将多余的能量转化为热量来实现的，在这个过程中浪费了约10瓦的功率。另一种方法使用了反馈变压器将能量返回电源，效果虽好，但仍会留下显著的尖峰，并且需要额外的硬件。
该团队提出了另一种策略，其原理是在电压到达危险点之前改变电波的形状。他们没有让电压从零瞬间跳跃到全功率，而是在变压器的输入端增加了一个简单的线圈和电容组合。这一改进强制电压平缓上升，就像一个缓坡而非陡峭的悬崖。通过平滑这种过渡，导致尖峰的剧烈谐振被自然地减弱。为了确保电压在此过程中绝不会爬升得过高，他们增加了两个简单的二极管作为安全阀，将电压钳制在安全水平，并将任何多余的能量送回电源。这种设计不需要复杂的计算机控制或额外的有源开关，保持了电路结构的极其简单。当他们在1千瓦的原型机上测试这一新设置时，结果令人瞩目。电压尖峰从800伏特降至530伏特，这是一个巨大的进步，保护了电子元件。更重要的是，整个抑制系统仅消耗了1瓦的功率，这仅为传统电阻法所损失能量的一小部分。
研究人员还发现，这种平滑过程有一个副作用：它略微缩短了逆变器实际输出功率的时间，这种现象被称为“占空比损失”。如果不对其进行修正，这将导致输出电压过低而无法使用。然而，由于他们的方法非常可预测，因此他们可以精确计算出损失了多少时间，并只需调整电子开关的定时即可进行补偿。这确保了逆变器能够向负载提供完整且正确的电压，而无需复杂的反馈回路。在最后一次测试中，他们将这种新的平滑电路与前文提到的反馈变压器方法相结合。这种混合方法将电压尖峰进一步压低至460伏特，同时将总功率损耗控制在仅4瓦。这项研究表明，通过理解电压上升的物理机制并对其进行温和的塑造，工程师可以用极低的成本和几乎没有能量代价的方式消除危险的浪涌。这种方法为使太阳能系统和其他可再生能源应用变得更小、更安全、更高效提供了一个实用且低成本的解决方案。
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