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具有自供电和内部反馈控制信号的有源电容器
摘要—
本文提出了一种由功率半导体开关和无源元件实现的双端有源电容的概念。有源电容器只有两个电源端子，并且与无源电容器的功能相同。本文提出了一种不需要外部反馈信号的控制策略，并采用自驱动的栅极驱动器和控制器来实现双端有源电容器的制作，以及有源电容器的概念、控制方法、自供电方案、效率以及有源电容器的阻抗特性。文章中还对电容直流环节中有源电容器应用的案例研究进行了讨论。相比于无源电容，研究结果显示，应用有源电容器显著降低了无源元件的整体能源存储，并且降低了达到指定可靠性目标所需的成本。此证明实验的结果进一步验证了该电容器的功能。
一、引言
自19世纪发明以来，电容器已成为电子电路与电子仪器中的关键部件。电容器的基本结构是由导电材料和绝缘材料制成的两层板组成。电解电容器，薄膜电容器和陶瓷电容器广泛应用于电力电子应用。一般来说，它们对系统级的规模、成本和故障都起着相当大的作用，但是在使用时也会遇到能量密度、成本和可靠性的问题。本文提出了一种由无源元件和有源半导体开关实现的双端有源电容的概念。通过利用半导体开关，有源电容器的性能不再受限于无源电容器中使用的电介质材料的性能，从而有可能克服上述问题。提出的两端有源电容器具有以下特点：1）有两个接线端子，并且不需要任何额外基于控制方法和应用型自供电电路的连接，这使得它可以在使用中被视作一个传统的电容。2）在应用研究中，其阻抗特性可以看作一个大电容，或者在有源开关的开关频率中某个频率范围内相当于一个电容大小可变电容器。
原则上，与有源电容器匹配的无源元件和有源电路结构有多种选择。在过去的二十年中，人们对有源电容直流环节进行了大量的研究，其中包括无源元件的降低储能和辅助电路，这些都对本文的研究产生了启发。一个特定的单相逆变器应用不同的有源电容直流环节解决方案的成本基准在[ 1 ]中展示。电容器，电感器和半导体开关在逆变器使用的尺寸合适，这可以解决寿命和输出电流总谐波失真的问题。该结果表明，，我们可以用几种类型的有源直流环节代替无源直流环节，这使得逆变器的设计成本得以降低、可靠性得以提高，并且这在许多行业应用都可以应用。特别地，具有串联的辅助电路[ 2 ]，[ 3 ]和[ 4 ]的解决方案是最具成本效益的。[ 3 ]和[ 4 ]所介绍的方案可以使辅助设备的设计成本降至最低，这是因为电路对与其串联连接的电容器的纹波电压进行了处理，不过仅限于直流环节的纹波电流。然而，没有一个有源电容直流环节像一个即插即用有源电容器使用，这是因为它们比传统的电容器有更多
终端。例如连接到栅极驱动器和控制器的外部电源或者是连接到主电路的外部反馈信号。
二、双端有源电容的概念和实现
A.双端有源电容器的概念
本文介绍了一种采用电路拓扑结构实现的有源电容器，并且在[ 3 ]和[ 4 ]中研究了其潜在的成本效益与较高可靠性的应用。这种有源电容器的控制策略不需要外部反馈信号，在[ 5 ]中则提出了一种自供电的方案，这种方案使用栅极驱动器和控制器来实现双端有源电容器。本文的主要结构如下：第二部分提出双端有源电容器及其控制和自供电方案；第三部分论证了双端电容器在500w单相整流器中的应用，然后得出结论。
图1.即插即用型两端有源电容器的概念
双端有源电容器的概念如下：在图1中，和分别是电压纹波与有源电容电流。双端有源电容器由有源开关、无源元件，取样和调理电路，以及自供电控制器和栅极驱动器构成。由于有两个终端A和B，这使得它可以作为一个传统的无源电容器来使用的应用前景。
B.控制策略
图2中显示了有源电容器的应用方法。电路拓扑在[3]与[4]中进行了研究，使用了仅由串联连接的电容组成的一种低压全桥变换电路。全桥变换电路仅对的纹波电压和纹波电流进行处理，这意味着将会偏低。于是，如图2所示的仅基于内部电压和的电压控制策略被提出。与在[4]中讨论的电流控制方法相比，这种控制策略不需要任何来自外部电路的电流信息。因此，它使有源电容完全独立。而不需要任何外部电路反馈信号。这种控制的目的是使得双端AB的等效阻抗与无源电容器的双端AB阻抗相同。图2使用了一种典型的方法来控制电压，这使得与具有相同的振幅和同相纹波分量，这种方法使有源电容器与无源电容器在阻抗上尽可能相同。调制信号包含两个部分：1）是VC1中提取的纹波分量，则是用于调节转换器来产生所需的；2）是用于稳定。此外，与相位是同步的（即发生90◦相移），这是为了通过端子吸收外部电路的有功功率A和B来补偿变换器电路的功率损耗。
图2具有电压控制策略的双端有源电容器的实现。
基于小信号模型，有源电容闭环阻抗如下。
（1）
GHPF（S）是高通滤波器的传递函数（HPF），它用于获取纹波电压。GLPF（S）是低通滤波器的传递函数（LPF），它用来保证直流分量。G2（s）是用于电力损失补偿和的PI控制器的传递函数，ref
是的参考电压。alpha;是缩放因子。M是调制指数的振幅，而Vtric则PWM三角信号。
C. 自供电
自供电单元是直接从MOSFET漏极源端子来获得用于栅极驱动序和主动电路的控制器的功率。图3示出了已在高压功率模块[5]说明了的自供电电路。在启动外部电路时，
穿过有源电容两端电压的逐渐上升。开始时，有源电容器中的所有MOSFET处于关闭状态。通过MOSFET的二极管从0开始充电。中储存的能量通过电阻将充电到齐纳二极管的钳位电压15 V。电压是提供给有源电容的栅极驱动器和控制器的电压。当MOSFET开启时，的电压被施加到电感器LS上。电感器的电流增加。储存在中的能量然后被转移到感应器。电感电流达到峰值后，开始降低电容器的充电电压。因此，在打开与闭合状态的MOSFET 中，是保持在一个稳定值的（即15 V）。为栅极驱动器和控制器提供连续的电源。
图3.提供栅极驱动器和控制器的自供电电路
D. 的评级和可实现效率的理论分析
实现这种有源滤波器的所选拓扑结构仅能处理直流环节的电压纹波和纹波电流，与其他有源滤波器拓扑相比，它具有较低的额定值。下面分析了有源滤波器对系统级效率的预期影响。在具有单位功率因数的单相全桥整流器系统中，直流侧电流可以被视为： （2）上式等式忽略了开关频率相关的电流分量。 和是交流电压和电流的最大值。 omega;是角频率，是直流链路电压。从上面的等式可以看出，直流侧电流包含直流电流纹波电流。可以推导出辅助电路与主电路的处理视在功率比。
（3） 其中是的峰 - 峰电压。可以看出，辅助电路的视在额定功率由与的比率决定。以下分析假定通用单相全桥逆变器或整流器的可实现效率为，并且对于主有源滤波器中的主整流器电路和辅助电路而言是相同的。有源电容的效率由设计师决定。情况不同。如果假定转换器（整流器和辅助电路）的效率可以设计为，则系统的总功率损失可以是
（4）
因此，具有有源电容器的系统的效率是
（5）可以看出，在越高的情况下，越高的越容易获得。由有源电容器引入的效率下降可以用表示，即主电路效率与整个系统效率之差。
（6）
图4.具有有源电容器的单相整流器的电路拓扑
表一
带有有源电容器的单相系统的规范
三、在直流侧电容中有源电容应用
在无源电容器的应用中，本文所提出的两端有源电容器是一种即插即用的方案。它旨在克服使得成本降低、能量密度增强和可靠性改进等一个或多个方面的挑战。作为重要应用之一，本节给出了一个500千瓦单相整流器的电容直流环节的有源电容器的实例研究，如图4所示。整流器安装有启动电阻、可控开关和启动过程结束时旁路电阻器。表一列出系统的规格和关键部件参数。在500 W样机中，有源电容器的功率损耗为7.5 W，效率为98.5%。原型可以在图5中看到。
在这种情况下，研究中使用的带无源元件有源电容器具有5.8 J额定能量存储。有源电容的阻抗如图6所示。在低频范围（即低于10赫兹），有源电容的阻抗特性相当于110mu;F电容器，如图6所示，这由的值决定。对于120赫兹或以上的频率，有源电容的阻抗等于或低于具有34.4 J额定能量存储的无源电容器。这意味着，与无源电容器相比，有源电容器可以实现相同或更好的谐波滤波甚至大于16.9%的能量存储。图7显示了整流器的实验波形和有源电容器中的关键部件。直流环节电压纹波达4.1%，符合设计规范。的平均电压控制在60 V，这可以表明的纹波电压约为同相的。轻微的相移是由于吸收有功功率以补偿有源电容器的功率损耗而产生的。图8示出了整流器与34.4伏额定能量存储的无源电容器的比较结果，这表示系统级别性的差异能在直流环节电压纹波和输入电流波形方面可忽略不计。自供电的实验结果如图9所示。在操作过程中，电压为15伏，它为栅极驱动器和控制器提供稳定的电源。通过面向可靠性的元件尺寸计算程序和[ 1 ]中讨论的成本建模方法，估计了500 W整流器与设想的有源电容器和无源直流环节的成本。组件的成本信息是从有1000台的订货量的Digi-Key [ 6 ]得来的。有源电容的整流组件的总成本是102%，无源直流环节时设计的可靠性是在15年中为0.9（即B10寿命15年）。在一个更严格的可靠性要求的B10寿命30年下，相比于无源电容的方案，本文所提出的两端有源电容使成本下降了36%。预计通过有源电容器的设计和控制优化，还有进一步降低成本和提高能源密度的空间[ 7 ]。
图5.验证有源电容器概念的实验装置
图6.直流链路应用中有源电容阻抗的伯德图。
四、结论
本文提出了一种双端有源电容器的概念，以克服传统无源电容器在成本，能量密度和可靠性方面的挑战。基于电压控制策略，无需外部反馈信号和内部门极驱动器和控制器的自供电方法，可以实现有源电容器的经济高效。从应用角度来看，本文所提出的有源电容器具有与无源电容器相同的便利性水平，同时又可以显著减少无源元件的整体能量存储，并有着降低设计成本或尺寸的潜力。在单相500 W整流器的直流环节的应用中，有源电容器使用无源电容器的16.9％能量储存来满足相同的设计规格。对于设计的B10寿命（即可靠性等于0.9），整流器的总部件成本估计分别为15年和30年的无源电容器解决方案的102％和64％。
图7.具有有源电容器的500 W单相整流器的实验结果，在其内部无源元件中具有5.8 J的额定能量存储
图8.具有34.4 J额定储能的无源电容器的500 W单相整流器的实验结果
图9.有源电容器中自供电的实验结果
参考文献
[1] H. Wang, “Capacitors in power electronics applications reliability and circuit design, tutorial at ieee iecon 2016,” Available: http://vbn.aau.dk/files/243654015/IECON 2016 Cap HW.pdf, Oct. 2016.
[2] H. Wang, H. S. H. Chung, and W. Liu, “Use of a series voltage compensator for reduction of the dc-link capacitance in a capacitorsupported system,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 29, no. 3, pp. 1163– 1175, Mar. 2014.
[3] T. Tanaka and S. Funabiki, “A new method of damping harmonic resonance at the dc-link of a large-capacity rectifier-inverter system,” in Proc. IEEE PEDSrsquo; 1999, vol. 2, Apr. 1999, pp. 888–893
[4] S. Qin, Y. Lei, C. Barth, W. C. Liu, and R. Pilawa-Podgurski, “A high power density series-stacked energy buffer for power pulsation decoupling in single-phase converters,” IEEE Trans. on Power Electron., vol. PP, no. 99, pp. 1–1, 2016.
[5] H. Wang, A. Q. Huang, and F. Wang, “Development of a scalable power semiconductor switch (spss),” IEEE Trans. on Power Electron., vol. 22, no. 2, pp. 364–373, Mar. 2007.
[6] www.digikey.com. [7] C. B. Barth, I. Moon, Y. Lei, S. Qin, C. N.
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