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2021年, 第19卷, 第1期 刊出日期:2021-01-30
  

  • 全选
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    微型电网、智能电网中的电力电子技术
  • 杨晓梅,虞汉阳,费益军,吉宇,徐晓轶,姚文熙
    电源学报. 2021, 19(1): 1-6. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.1
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    针对模块串联型电力电子变压器中变压器数量多、绝缘要求高的问题,设计了一种基于磁路耦合变压器的多有源桥直流变换器结构,能够提高模块化程度和减少高频变压器端口数目,提升系统功率密度。该变换器采用多磁芯高频变压器,变压器原边具有多绕组结构,对应多模块的串联,以满足输入高电压等级的要求;副边则采用单一绕组,对应全桥或多个全桥电路的并联,以承受副边较大的电流应力。改进的变换器在高压侧保持模块化结构,并且将变压器的磁芯和原边绕组集成到高压模块中,而低压侧使用统一的绕组和变换器,降低了高频变压器的设计难度。最后给出了该拓扑的等效模型和工作原理,并通过实验验证了所提变换器结构的可行性。
  • 模块化多电平变换器
  • 胡文浩,陈昌松,段善旭
    电源学报. 2021, 19(1): 7-14. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.7
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    对于多相交错Buck变换器,通常采用双闭环控制器调控输出电压,采用均流控制器平衡电感电流。然而,均流环与双闭环往往存在耦合,平衡电感电流的过程会影响输出电压。为此,提出了一种解耦的平均电流均流控制方法,使输出电压调节和电感电流平衡互不影响。首先,介绍了n相交错Buck变换器的工作原理,建立了状态空间平均模型,并推导了传递函数的表达式;其次,在电路参数一致的情况下,阐述了实现控制环解耦的条件,并以此为基础提出了一种解耦的平均电流均流控制方法,可实现双闭环和均流环之间的解耦;然后,考虑电路参数不一致的情况,采用数值计算的方法,分析了参数差异对控制环耦合程度的影响;最后,实验结果验证了所提控制方法的有效性。
  • 高频磁元件和集成磁技术
  • 李洪珠,刘艳,王秋实
    电源学报. 2021, 19(1): 15-23. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.15
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    为了提高Boost变换器电压增益、减小支路电感电流纹波、减弱开关管电压应力、减小变换器体积,提出了一种新型带有开关电感及开关电容的交错并联磁集成Boost变换器。相对于传统交错并联Boost变换器而言,利用2个开关电感单元代替储能电感,2个电容及4个二极管构成开关电容,对所提出的拓扑进行理论分析、仿真及实验验证。结果表明,在占空比0.5 < D < 1情况下,新型变换器的电压增益为传统交错并联Boost变换器的2(1+D)倍,电压应力减弱为输出电压的1/2,电流纹波也得到了很大改善,同时减小了变换器的体积。
  • 杨玉岗,张立飞,宋宁宁,郭瑞
    电源学报. 2021, 19(1): 24-29. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.24
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    双向LLC谐振变换器实现了能量的双向流通,变换效率高,被广泛应用于新能源领域。但其变压器原副边各有一个谐振电感,增大了变换器体积,不符合高功率密度的发展要求;同时,磁性元件的增加会降低整机效率。针对上述问题,详细分析了双向LLC谐振变换器的工作原理以及主要工作波形,选择合适的方案对2个谐振电感进行磁集成设计。在确保变换器正反向都能实现ZVS的基础上,将2个谐振电感进行了磁集成。最后搭建了一台48~400 V/1 kW的实验样机,验证了理论分析的正确性。实验结果表明该集成方案在不影响变换器工作特性的基础上,有效减小了变换器体积,提高了变换效率。
  • 新颖开关电源
  • 夏永洪,顾伟华,朱德省,黄嘉雯,朱佳伟
    电源学报. 2021, 19(1): 30-38. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.30
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    为了准确评估反激式开关电源的带载能力,以电源所用的高频变压器在运行温度的全范围内不出现磁芯饱和为前提,提出了一种反激式开关电源带载能力评估方法。该方法从判断电源在相应工作电压和负载条件下的工作模式出发,结合高频变压器原边最大工作电流推导并计算电源最大输出功率。在最大输出功率范围内,对某一实际带载功率下的原边电流峰值进行理论计算,根据高频变压器在最高运行温度下允许的最大工作磁密确定原边基准电流,与计算得到的原边电流峰值进行对比,实现对开关电源带载功率合理性的评估。同时采用理论计算和联合仿真的方法得到了不同效率下的原边电流峰值、开关电源的最佳带载功率,以及实际带载能力评估结果,理论计算与联合仿真结果非常吻合。此外,建立了开关电源带载能力测试平台,实验测试结果表明理论计算和联合仿真得到的带载评估结果与实验测试的结果基本一致,验证了该评估方法的正确性。
  • 模块化多电平变换器
  • 邓金溢,施科研,吴宇鹰,黄杨涛,徐德鸿
    电源学报. 2021, 19(1): 39-48. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.39
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    提出了一种零电压开关ZVS(zero-voltage-switching)三相四线制背靠背BTB(back-to-back)变换器拓扑及齐边沿脉宽调制EA-PWM(edge aligned pulse width modulation)方法,辅助开关仅需要在每个开关周期内动作一次,就可以实现BTB变换器中所有功率器件的零电压开通。介绍了电路拓扑及调制方法,进行了阶段分析,并推导出了零电压开关条件。最后在一台50 kVA的绝缘栅双极型晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)实验样机进行了验证。
  • 徐志远,朝泽云,程华,陈昌松,段善旭
    电源学报. 2021, 19(1): 49-58. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.49
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    对于ANPC(active neutral-point-clamped)变换器,采用断续脉冲宽度调制DPWM(discontinuous pulse width modulation)具有开关损耗小的优点,但也存在中点电位波动较大的问题,为此提出了一种基于切换钳位的混合断续脉冲宽度调制Hybrid DPWM策略,实现DPWM策略下ANPC变换器的中点电位平衡。在单位功率因数下,该方法根据中点电位的高低采用不同钳位方式,并对不同钳位方式下的开关序列进行优化,减小开关次数;在非单位功率因数、高调制比下,该方法根据电荷守恒计算大矢量、中矢量和小矢量作用时间,通过中矢量、小矢量和大矢量的合理分配实现中点电位平衡。同时,2种中点平衡方式在全范围内具有互补性,使开关管在每个开关周期内动作4~6次。最后,对多种调制策略的动稳态性能和中点电位平衡能力等进行了实验对比,验证了所提混合断续脉冲宽度调制策略的有效性。
  • 逆变器与UPS
  • 张贞艳
    电源学报. 2021, 19(1): 59-68. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.59
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    传统三相三电平整流器开关多、控制复杂、损耗大,为此提出一种新型三相三电平整流器拓扑。在弱电网中,电网电压不平衡现象不可避免,当电网电压不平衡时,传统的控制算法计算量大、控制复杂且电网电流畸变严重。为使新型三相三电平整流器在弱电网条件下正常运行,提出一种改进型有限集模型预测控制方法,实现电网电流的快速跟踪、谐波抑制及直流侧中点电压的平衡控制。首先分析了新型拓扑结构的工作原理及数学模型;然后构造了弱电网条件下新型三相三电平整流器的电流指令值;最后针对新型三相三电平整流器提出改进型有限集模型预测控制。仿真与实验验证了所提算法的有效性。
  • LED驱动电源
  • 黄秀玲,林国庆,苏锦文
    电源学报. 2021, 19(1): 69-74. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.69
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    针对单级LED驱动电源输出电流低频纹波大的问题,提出了一种基于隔离型交错并联Boost变换器的单级高功率因数LED驱动电源。分析了该驱动电源的工作原理以及低频电流纹波的抑制机理,给出了一种将漏感引起的电压尖峰能量反馈到负载侧,抑制输出侧低频电流纹波的控制策略,并进行了仿真验证。最后设计了一台满载功率为100 W的数字控制样机,实验结果验证了所提电路能有效降低LED电流的低频纹波,实现LED的无频闪工作。
  • 吴海燕,杨青峰,方洁苗
    电源学报. 2021, 19(1): 75-81. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.75
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    随着LED照明行业及LED驱动电源技术的发展,具有调光功能的LED驱动电源在LED照明中的应用越来越多,对其调光性能的要求也越来越高。通过对一种高效低纹波调光LED驱动频闪实现方式进行研究,使其既满足LED低纹波电流的要求,又能使LED灯在调光过程中无闪烁、亮度变化均匀柔和,并且可适应不同的调光曲线要求。
  • 系统仿真、建模与控制
  • 荣德生,刘山林,刘健辰,宁博
    电源学报. 2021, 19(1): 82-89. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.82
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    提出一种精确计及分布式电源DG特性的配电网动态无功优化的有效方法。根据不同类型DG的运行控制方式,用二阶锥松弛适当处理PQ、PV、PI和PQ(V)4种类型DG的并网潮流约束,将非凸的交流潮流方程近似地转化为凸的二阶锥约束,并通过设置优化目标函数驱使松弛误差趋近于0,把配电网的动态无功优化问题转化为凸的混合整数二阶锥规划问题。降低求解复杂度,提高优化精度,保证全局最优,保证支路电压、电流安全约束同时考虑储能装置,离散无功补偿电容器作用于配电网的约束。以多时段有功网损最小为优化目标,建立计及分布式电源精确特性的配电网动态无功优化模型,根据调度周期内预测的各时段的DG出力和负荷曲线,以IEEE69节点系统为例进行仿真实验,验证所提方法的有效性。
  • 太阳能、风力、燃料电池发电
  • 张国军,杨东建,季淑洁,李浩文
    电源学报. 2021, 19(1): 90-96. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.90
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    搭建了光伏系统电弧故障实验平台,采集系统运行时的电流作为电弧检测的依据,利用时频域分析相结合的方法对电弧故障进行检测。分析发现系统正常运行和发生电弧故障时的电流信号在时域上的平均值变化特征明显,而在频域上利用小波对电弧电流及正常电流做5层分解,利用d5频段能量可有效对正常、阴影遮挡及故障运行状态进行区分。最后,采用将时频域特征结合利用阈值对电弧故障进行二次判断的方法对电弧故障进行检测,检测结果证明了该方法的有效性与可行性。
  • 新颖开关电源
  • 边庆超,胡铭,杨沛豪
    电源学报. 2021, 19(1): 97-106. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.97
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    重复控制依靠其良好的稳态跟踪性能和谐波抑制能力,在新能源并网逆变器控制中得到广泛应用。然而在实际系统中,电网频率波动时有发生,导致传统重复控制的控制性能下降。针对以上问题,提出一种PI+自适应内模重复控制方案。该方案首先对传统重复控制内模参数进行改进,实现重复控制的谐振频率与电网实际频率保持一致的目的;此外,考虑到单一重复控制动态特性较差的问题,将PI控制结合到自适应内模重复控制中,并针对2个控制器之间的耦合展开详细分析;最后,通过Matlab/Simulink和实验,验证了本文所提出的改进型控制系统既保证了系统的抗电网频率干扰能力,又提高了动态响应速度。
  • 微型电网、智能电网中的电力电子技术
  • 柏晨,王念春,卓青
    电源学报. 2021, 19(1): 107-114. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.107
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    将可再生能源引入数据中心高压直流UPS供电系统,形成直流微网的供电方式。基于此设计了一种分层系统运行控制和能量管理策略,旨在实现系统可靠运行和能量优化利用。微网由电网、光伏发电单元、储能电池和数据中心计算负荷组成,设备级控制考虑并网和孤岛2种运行方式划分为4种工作模式,光伏boost变换器有MPPT和降功率稳压2种工作状态,网侧双向变换器通过电流前馈解耦实现双环控制,该层采用母线电压协调控制方法切换各变换器的工作状态,以维持供电系统的有功功率平衡实现系统稳定。系统级控制通过自上而下的调度决策优化运行,在供电系统控制策略中结合数据中心能耗管理方法,以更大程度地优化能源管理。最后,建模仿真验证了所述策略的可行性。
  • 太阳能、风力、燃料电池发电
  • 叶迪卓然,蔡旭,饶芳权
    电源学报. 2021, 19(1): 115-125. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.115
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    针对双馈感应发电机DFIG(doubly-fed induction generator)的高、低电压综合故障穿越,充分利用转子变流器对定子电流的调节能力,提出一套串联阻抗与定子动态无功电流配合的故障穿越方案及协调控制策略。在电网故障期间,该保护方案通过及时投入定子串联阻抗,保障转子变流器的控制能力,并动态调整定子无功电流,利用串联阻抗的分压作用补偿电网故障电压。以充分利用定子无功容量为目标,给出了串联阻抗的整定方法。该方案保障了高电压故障下DFIG的定子绕组安全,提高了故障穿越期间转子侧变流器的控制能力,提供了符合并网导则的无功支撑电流。基于RTDS硬件在环仿真平台验证了该方案的有效性。
  • 微型电网、智能电网中的电力电子技术
  • 董彦杰,付子义
    电源学报. 2021, 19(1): 126-132. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.126
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    针对不平衡电网下并联混合有源电力滤波器APF(active power filter)和无功补偿装置体积过大和系统损耗的问题,提出一种在不平衡电网下的静止无功发生器SVG(static var generator)和APF并直流母线联合运行系统。其中,SVG主要用来快速补偿无功和电网不平衡,APF滤出电网和SVG的特定次谐波。该联合系统通过并直流母线减小了电容的体积,使系统总体积减小;降低SVG的开关频率使系统损耗减少。对系统环流抑制策略进行了分析,确定了在从模块上加入环流进行抑制环节,并解决了并联系统中出现的环流问题。最后通过Matlab/Simulink仿真验证了该联合系统的可行性。
  • 模块化多电平变换器
  • 李清,宋勇辉,罗永捷,彭光强,武霁阳
    电源学报. 2021, 19(1): 133-141. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.133
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    为了实现柔性直流系统直流侧双极短路故障清除,目前已有不少具有故障阻断能力的子模块,如钳位型双子模块CDSM(clamped double sub-module)等的拓扑被提出。由于新型子模块结构区别于半桥型子模块HBSM(half-bridge sub-module),导致其调制策略并不能完全适用。在传统最近电平调制NLM(nearest level mo-dulation)策略的基础上,提出了适用于CDSM的NLM策略。针对CDSM拓扑存在2种输出UC电平的情况,设计了一种改进的NLM调制策略,可以有效地避免器件导通概率不同导致的功率损耗不均问题。最后,以CDSM拓扑为例,在PSCAD/EMTDC软件中搭建CDSM-MMC仿真模型,验证了所提调制策略的正确性。
  • 高频磁元件和集成磁技术
  • 谢文燕,陈为
    电源学报. 2021, 19(1): 142-154. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.142
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    近年来,全方向无线电能传输技术由于具有位置鲁棒性好、安全可靠性高和环境亲和力强等独特优势,受到国内外研究机构和科研院所的广泛关注。高性能的电磁耦合系统作为全方向无线电能传输系统的关键环节,对实现高效的系统能量传输有着至关重要的作用。首先,运用电路理论建立了全方向线圈结构的等效电路模型,得到系统输出电压和输出功率的表达式,并给出了系统激励源的控制方案;其次,对全方向无线电能传输的充电场景进行分析,分析了三维正交圆环形线圈结构方案的弊端,提出了正方体线圈结构方案;最后,建立两种磁耦合线圈结构方案的数学模型,得出互感与接收线圈的位置、充电场景和旋转角度的关系。通过仿真实验验证了理论分析的正确性,为全方向无线电能传输电磁耦合系统的设计提供了参考和借鉴。
  • 电动汽车与电力机车
  • 张朱浩伯,徐德鸿,PHILIP T. Krein,马皓
    电源学报. 2021, 19(1): 155-164. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.155
    摘要 ( ) PDF全文 ( ) 可视化 收藏
    针对电动汽车充电应用的感应式无线电能传输技术凭借其安全可靠、灵活方便的特点受到广泛研究。该技术所使用的松散耦合变压器通常存在较大的漏感,从而大幅降低变压器的耦合系数和系统的功率传输能力,当变压器的原副边在电动汽车泊车后发生偏移时,该特性尤为突出。提出了一种具有高偏移容限特性的感应式无线电能传输系统设计,其松散耦合变压器结合了螺线管型和双解耦绕组型线圈结构的耦合特性,可以实现更大的偏移范围;另外,给出了与所提变压器结构相匹配的电路拓扑适用条件,并分析总结了原副边采用不同的补偿拓扑以及电路输出端采用不同的连接方式时系统的输出特性。通过三维有限元仿真工具,在正对以及偏移条件下对变压器的耦合特性进行仿真分析,并在具有200 mm气隙间距的3 kW实验平台上进行实验验证。
  • 高频磁元件和集成磁技术
  • 武洁,赵崇焱,何帅彪,金楠
    电源学报. 2021, 19(1): 165-172. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.165
    摘要 ( ) PDF全文 ( ) 可视化 收藏
    针对在无线电能传输系统中实现原、副边之间信息通讯的问题,提出一种基于电能传输通道的副边斩控无线电能与信息同时传输新结构及其控制方法,其结构简单,副边仅有一个全控器件。通过理论分析得到副边全控器件导通角与负载电压的关系,副边通过反馈控制调节全控器件导通角实现负载电压恒定输出;通过改变电能传输频率和副边全控器件开关频率进行信号调制,分别实现信息的正向和反向传输。搭建实验平台验证了所提出的副边斩控无线电能与信息同时传输方式,实现负载电压50 V恒定输出,同时5 kbit/s的速率双向传输信息。
  • 刘飞飞,郭波超,任舒琪,朱杨林
    电源学报. 2021, 19(1): 173-181. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.173
    摘要 ( ) PDF全文 ( ) 可视化 收藏
    为研究不同拾取端对动态无线电能传输系统的影响,首先使用诺以曼公式对互感进行数值分析,以探究耦合机构互感的变化对系统的传输效率和拾取端电压影响;再通过等效电路模型与基尔霍夫方程式,建立动态无线电能传输系统的数学模型,提取出系统传输效率与品质因数、耦合系数、负载和邻近线圈电阻值的关系式;最后通过制作不同拾取端的耦合机构,包括单线圈、串联式和并联式,在动态中对系统传输影响的分析。分析与实验结果相符,证明本文结论的有效性。
  • 系统仿真、建模与控制
  • 钱强,闫丽华,董芮雯,黄海宇
    电源学报. 2021, 19(1): 182-191. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.182
    摘要 ( ) PDF全文 ( ) 可视化 收藏
    无线充电系统在运行过程中可能会遇到母线接地、开路和元器件损坏等各种故障情况。分析了故障情况下原边母线电流电压、副边母线电流电压与故障原因的特征关系,搭建了3 kW无线充电系统仿真电路,建立了各种故障的比较规则,提出了将该故障特征用于无线充电系统的在线故障识别方法。分析表明,利用该方法可以有效判断系统故障位置,增强系统保护。
  • 逆变器与UPS
  • 张雪珺,黄萌,刘佳鸿,梁琳,查晓明
    电源学报. 2021, 19(1): 192-204. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.192
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    绝缘栅双极性晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)在高电压场合应用时需串联使用满足电压需求。由于器件内部的性能差异和外围电路参数不一致等,引起IGBT模块之间电压不均衡问题,威胁其运行安全。综述了国内外IGBT串联均压方法的发展及其研究现状。根据均压方法机理的不同,将IGBT串联均压方法分为被动均压方法和主动均压方法两种,进一步将主动均压方法归纳为无源控制方法和有源控制方法两类。根据各类方法的基本电路拓扑分析了均压原理,梳理了不同方法在电路拓扑、参数选择和控制策略等方面的优化和最新进展。通过均压效果、附加损耗和可靠性等多方面对不同均压方法进行对比,被动均压方法拓扑简单不需外加控制电路更适合在低频应用场合,在高频应用场合中,准有源栅极控制法以单驱动与无源器件相结合的方式,具有良好的发展前景。最后对IGBT串联均压方法进行了展望。
  • 电动汽车与电力机车
  • 郭远欣,王学梅,张波
    电源学报. 2021, 19(1): 205-214. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.205
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    IGBT模块目前被广泛应用于电力系统、牵引传动和电动汽车等各个领域,其安全可靠运行对电力电子系统具有重要意义。研究表明,器件的结温与其健康状况有密切的关系,如何实时提取IGBT的结温是在线监测亟需解决的重要问题。在研究IGBT关断期间电流变化率di/dt与结温关系的基础上,提出一种改进的结温提取模型和算法,该方法具有模型简单和准确的特点,并给出了详细的理论推导分析和简化计算模型。最后,通过设计的改进双脉冲实验,验证了模型和算法的正确性与实用性。
  • SiC、GaN器件、新型功率器件及其应用
  • 李志君,黄波,黄小羽,郑琼林,李虹,邵天骢
    电源学报. 2021, 19(1): 215-222. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.215
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    碳化硅SiC(silicon carbide)功率器件的耐压、频率和损耗等特性均优于硅(Si)器件,然而SiC器件抗冲击能力差、电磁干扰大,且SiC器件对整个功率变换系统的贡献尚缺乏分析验证,因此,采用全SiC器件研制高性能的大功率直流电源具有一定挑战。首先针对SiC器件抗冲击能力差的问题,引入嵌入式保护策略,应对直流电源外部冲击扰动和短路故障。其次,针对电磁干扰大的问题,设计了电磁干扰滤波器抑制传导干扰。最后,比较全SiC电源和传统全Si电源,以实验研究的方式验证功率器件使用SiC器件的技术优势。对全SiC大功率直流电源的关键技术进行全面研究和实验验证,为SiC半导体器件在大功率电能变换中的应用提供了有益参考,并为其优异性能提供坚实依据。