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欢迎阅读IEEE Transactions on Industrial Electronics期刊2025年issue12推送（第8期/共27期）。本期推送共包含10篇研究论文，内容聚焦于电力电子与能源系统的前沿技术，主要研究领域包括：高性价比、高性能的直流断路器及其核心开关设计，提升并网变流器同步性能的锁相环技术，面向锂离子电池和混合储能系统的先进管理与故障诊断方法，以及提升功率密度、效率与电磁兼容性的新型变换器、滤波器拓扑与控制策略。这些研究共同致力于提升能源电力系统的可靠性、安全性与经济性。
本期目录
📖 第1篇：一种具有鲁棒分断能力与最小化脉冲电流的高性价比直流断路器
📖 第2篇：面向高性能混合直流断路器的高性价比软关断二极管桥式功率电子开关设计
📖 第3篇：三相频率固定DSOGI-PLL的直流抑制附加模块
📖 第4篇：基于信号重构与数据驱动融合等效电路模型的锂离子电池鲁棒故障诊断方法
📖 第5篇：面向混合储能系统级联多电平变换器的动态功率管理策略
📖 第6篇：一种具有元件复用功能的前馈-反馈级联共模有源电磁干扰滤波器
📖 第7篇：抵抗对抗性补丁攻击的航天器检测滤波算法
📖 第8篇：全占空比范围软开关高频高效双降压零电压过渡逆变器
📖 第9篇：一种具有主动均衡技术的通用模块化电池包拓扑结构
📖 第10篇：基于虚拟谐波反电动势二维辨识的永磁同步电机谐波电流抑制方法
📖 第1篇
📌 一种具有鲁棒分断能力与最小化脉冲电流的高性价比直流断路器
A Cost-Effective DC Breaker With Robust Breaking and Minimized Pulse Current
作者：Yue Li，Junfeng Liu，Jinghao Zheng，Yangjian Li，Ningrui Yang，Jun Zeng，Zhixing Yan
随着分布式发电与储能技术的发展，低压直流配电网络的需求日益增长。然而，直流系统缺乏自然电流过零点，故障电流上升迅速，使得传统断路器难以提供可靠保护，成为制约其大规模部署的关键挑战。串联混合式直流断路器（SHCB）因其能解决传统混合式断路器中电流换向带来的分断速度慢、故障电流浪涌高等问题，被视为一种有前景的直流系统保护方案。但现有SHCB仍面临拓扑复杂、可靠性低、电压注入电路脉冲电流大、以及在高线路电感下分断性能不可靠等挑战。
针对上述问题，本文提出了一种具有鲁棒分断能力与最小化脉冲电流的高性价比SHCB。该设计在三个方面实现了重要创新：首先，采用了一种高性价比的单耦合结构，简化了拓扑并减少了元件数量，从而降低了成本、设计复杂度并提高了可靠性。其次，通过单耦合结构实现了间歇式电压注入，将电压注入电路中的脉冲电流降低了约20%，在简化启动过程的同时，有效减小了对开关网络的电流应力和变压器尺寸。第三，通过一个鲁棒分断环隔离了大线路电感，确保即使在较大线路电感条件下也能快速为零电流分断窗口创造条件，从而为直流系统提供可靠保护。
本文详细阐述了所提SHCB的工作原理、设计考量及其优势。通过对比研究表明，该断路器不仅具有超快分断（15微秒内清除20A故障电流）、可靠且快速的自动重合闸能力，而且不会对电源产生电流冲击。其简单的单电容结构使得启动操作简便，电容仅轻微放电，可在10毫秒内快速充电至初始电压，确保了快速重合闸。更重要的是，通过鲁棒分断环的设计，即使在线路电感高达1.6mH的系统中，也能在30微秒内生成零电流窗口，验证了其鲁棒分断性能。
实验基于一个100V/8A的缩比原型进行验证。结果表明，所提出的SHCB能够实现超快故障电流清除与鲁棒分断，为直流配电系统的可靠保护提供了一种成本效益高、性能优异的解决方案。该研究对推动直流断路器在低压直流网络中的大规模应用具有重要的实用价值。
🔗 https://ieeexplore.ieee.org/stampPDF/getPDF.jsp?tp=&arnumber=11020768
📖 第2篇
📌 面向高性能混合直流断路器的高性价比软关断二极管桥式功率电子开关设计
A Cost-Effective Design of Soft Turn-off Diode-Bridge Power Electronic Switch for High-Performance Hybrid DC Circuit Breakers
作者：Tianpei Shan，Xiangyu Zhang，Xiayu Cao，Ting Zhan，Lei Qi
混合直流断路器（HCB）在高压直流电网中是保障安全的关键设备，而二极管桥式功率电子开关（DB-PES）作为核心部件，承担快速切断故障电流任务。现有DB-PES方案面临成本效益不足的挑战，尤其难以同时实现IGBT软关断应力优化与桥臂二极管反向恢复应力控制。
传统方案面临两难选择：反串联拓扑需用两倍数量IGBT，成本高；二极管桥拓扑结构虽简单，但桥臂二极管关断过程产生危险恢复应力，致使设计者必须使用昂贵高速恢复二极管，削弱成本优势。此外，内置R-C-D缓冲电路实现软关断时，可能出现自激振荡，严重影响可靠性。
通过分析不同拓扑配置下软关断DB-PES的瞬态恢复过程，阐明了自激振荡的产生机理。实验表明，当MOV置于二极管桥内部（I型配置），无论标准还是高速恢复二极管均有显著自激振荡；而MOV置于桥外（II型配置）时，桥内外端口稳态电压差提供了足够恢复时间，可使用低成本标准恢复二极管。
基于此，本文提出优化设计方案：在II型配置基础上，桥外增设紧凑廉价的R-C阻尼电路。该电路有效抑制低电流关断时二极管轻微恢复问题，加速R-L-C振荡衰减，且不影响IGBT软关断性能。综合实验验证显示：瞬态关断功率由23MW降至5MW，关断能量由33J降至14J，恢复频率由十余次降至仅一次，成本降低超过20%，为高性能高性价比HCB设计提供切实方案。
🔗 https://ieeexplore.ieee.org/stampPDF/getPDF.jsp?tp=&arnumber=11045447
📖 第3篇
📌 三相频率固定DSOGI-PLL的直流抑制附加模块
A DC Rejection Add-On for the Three-Phase Frequency-Fixed DSOGI-PLL
作者：Benjamin Hoepfner，Ralf Vick
锁相环（PLL）是并网变流器中获取电网电压频率和相位的关键技术。频率固定双二阶广义积分器锁相环（FFDSOGI-PLL）计算负担低、谐波抑制力强，在三相系统中表现优异，但存在直流偏移引发振荡的缺点。
本文提出了一种直流偏移完全消除方法，在保留FFDSOGI-PLL优势的基础上解决其短板。该FFDSOGI+DC-PLL不仅达到全直流偏移消除，还能保持约20dB的低次谐波衰减能力，且执行时间减少2-6倍，减轻DSP计算负担。
核心创新是将高效直流抑制方案集成到FFDSOGI-PLL，兼顾相位跟踪、扰动抑制与执行时间，提供两套参数集，便于根据需求在快速跟踪和高扰动抑制间权衡。搭建了小信号模型，设计参数整定与离散化实现，确保DSP上高效可靠运行。
实验验证及对比分析表明，FFDSOGI+DC-PLL在包含相位和频率跳变、电压暂降、不平衡与直流注入的复杂电网工况均表现优异，实现零直流抑制和强大扰动抑制能力，同时保持极低执行时间，成为光伏逆变器和有源滤波器等设备稳定同步的理想方案。
🔗 https://ieeexplore.ieee.org/stampPDF/getPDF.jsp?tp=&arnumber=11077768
📖 第4篇
📌 基于信号重构与数据驱动融合等效电路模型的锂离子电池鲁棒故障诊断方法
A Data-Driven Combining Equivalent Circuit Model Robust Fault Diagnosis Method for Lithium-Ion Batteries Based on Signal Reconstruction
作者：Chengzhong Zhang，Hongyu Zhao，Chenglin Liao，Liye Wang，Lifang Wang
随着新能源储能技术迅猛发展，锂离子电池成为关键。然而，电池短路故障是导致热失控的主要原因，保障电池安全迫切需要有效的早期故障诊断方法。
本文提出结合等效电路模型与数据驱动模型的鲁棒故障诊断方法。核心创新在于构建多维混合故障特征，利用自编码器网络进行信号重构，通过分析重构残差实现精准诊断。
研究先用扩展卡尔曼滤波器进行在线参数辨识，获取关键等效电路参数；计算电压、电流信号样本熵，并引入新颖的故障因子T_sign，有效区分真实故障与“伪故障”，提升诊断鲁棒性。最终组合七维混合特征输入模型，采用基于长短期记忆网络的自编码器架构进行编码与重构。
实验在多种短路故障、伪故障和隐藏故障场景验证效果。结果显示，相较只用电压或简单特征，含T_sign及模型参数的多维特征能更早更准确识别短路故障，并有效抑制伪故障；且模型结构简单、收敛快速，具备良好工程潜力。该研究为早期硬短路诊断提供了创新方法，验证了关键故障特征挖掘的重要性。
🔗 https://ieeexplore.ieee.org/stampPDF/getPDF.jsp?tp=&arnumber=11040071
📖 第5篇
📌 面向混合储能系统级联多电平变换器的动态功率管理策略
A Dynamic Power Management Strategy for Cascaded Multilevel Converter With Hybrid Energy Storage System
作者：Yang Zhang，Kamil Swiderski，Qianwen Xu
高压大功率混合直流-交流系统中，结合混合储能系统的级联多电平变换器展现巨大潜力。然而，不同储能单元间不对称功率分配问题制约性能，需优化电池与超级电容功率分配以提升整体性能与寿命。
传统混合储能多级变换struct面临效率与成本挑战，级联多电平变换器模块化、可扩展、单级变换优势明显，成为优选。但控制策略多注重同类型储能单元功率分配，难以协同电池（能量型）与超级电容（功率型）两种异质储能元件。
本文提出动态功率共享控制策略，通过引入低通滤波器模拟电池动态特性，使电池提供平滑长期功率，超容快速补偿短期波动及无功功率，实现优化功率分配，抑制谐波对能量型储能影响，延长寿命。
集成改进层叠脉宽调制，实现电池荷电状态精确平衡，防止过充过放；为超级电容设计载波电平排序电压平衡控制与三种智能切换工作模式，保障长时间优能量区域运行。策略高度灵活适配多相及异构储能配置。仿真与实验证实该方法有效实现不对称功率分配，负载突变下输出平滑，提升系统可靠性与电能质量，适用于轨道交通与并网可再生能源等应用。
🔗 https://ieeexplore.ieee.org/stampPDF/getPDF.jsp?tp=&arnumber=11096102
📖 第6篇
📌 一种具有元件复用功能的前馈-反馈级联共模有源电磁干扰滤波器
A Feedforward-Feedback Cascaded CM Active EMI Filter With Component Reuse
作者：Yechi Zhang，Caichao Shao，Yangxiao Xiang，Qiao Li，Jingwei Zhu，Hongge Zhao
电力电子系统中电磁干扰（EMI）严重影响设备可靠性。有源电磁干扰滤波器（AEF）以体积小、重量轻替代无源滤波器，传统级联AEF虽抑制效果佳，但硬件组件数量成比例增加，导致成本与体积显著提升。
针对此，本文提出一种创新性前馈（FF）-反馈（FB）级联共模电流传感电流补偿（CSCC）AEF结构，实现关键元件复用，FF与FB CSCC AEF共用电流传感变压器、运放和电源，大幅提升共模EMI抑制能力，且主元件数量几乎不增加。
级联AEF通过单一电流变压器检测共模电流，分别通过前馈和反馈路径注入补偿电流以抵消EMI噪声。理论分析显示，前馈电流放大系数近1，反馈路径需高放大系数，两者协同在全频段，尤其低频段实现高达40dB衰减，较单级AEF提升约20dB。
基于升压转换器平台的实验表明，原型机仅用一个电流变压器、双通道运放芯片和一套电源模块，实现了元件复用与优异EMI抑制性能，效果相当于传统两级级联AEF但器件数量减半。附加降压转换器实验验证方案普适性，未牺牲滤波效果，成功打破传统级联AEF组件数量与级数正比限制，兼顾EMI性能和硬件成本，有重要工程价值。
🔗 https://ieeexplore.ieee.org/stampPDF/getPDF.jsp?tp=&arnumber=11020801
📖 第7篇
📌 抵抗对抗性补丁攻击的航天器检测滤波算法
A Filtering Algorithm for Spacecraft Detection to Resist Adversarial Patch Attacks
作者：Lei Zhu，Pengyu Guo，Zhenyu Guan，Qinglei Hu，Yizhong Liu，Dongyu Li
深度学习广泛应用于航天器检测，但对抗性补丁攻击能任意操控图像像素，引发模型误判，遮挡或携带图案均可能诱发此攻击，导致检测器脆弱且现有防御方法往往降低干净图像检测精度。
本文提出创新滤波算法，有效抵御补丁攻击且保持干净图像高精度。核心为两阶段架构：基于ResNet50训练补丁检测器，通过滑动掩码判断攻击输入；基于U-Net训练补丁分割器，完整移除对抗性补丁消除干扰。
在Blender生成的合成数据集及公开数据集（如SPEED）上全面测试。结果显示：较传统防御（局部梯度平滑、图像压缩等），在相同攻击场景中检测准确率提升5%至30%，且干净图像检测性能不变。优势在于仅在检测攻击时才激活分割模块，降低平时计算开销。
创新价值包括：专门针对补丁攻击场景的数据集生成策略；在多种目标检测器及三维姿态估计模型上验证防御有效性；实测本地航天器姿态测量平台，平衡对抗鲁棒性和干净图像精度，实现激烈空间对抗环境的高效可靠检测。未来将拓展至红外图像等多源融合以提升复杂环境准确性与安全性。
🔗 https://ieeexplore.ieee.org/stampPDF/getPDF.jsp?tp=&arnumber=11082432
📖 第8篇
📌 全占空比范围软开关高频高效双降压零电压过渡逆变器
A Full Duty Cycle Range Soft-Switching High Frequency and High-Efficiency Dual-Buck-ZVT Inverter
作者：Baojian Ji，Haitao Tang，Jia Yao，Feng Hong
双降压逆变器因无高频桥臂直通风险、续流二极管独立工作，在航空静态变流器与牵引变流器等严苛场景具高可靠性。随着高频高效需求增长，传统逆变器因软开关技术限制，存在开关频率低、磁性元件体积大问题，难以满足高功率密度需求。
本文提出创新单电感双降压零电压过渡软开关逆变器结构，保留传统优点，并引入新型动态超前时间控制方法，显著提升高频效率。该ZVT电路利用辅助电感传能至负载，降低导通损耗，保证高频高效运行。
详细分析控制策略、电路性能及参数设计，探讨软开关区域与电流应力。构建400kHz、1000W实验样机，测试验证能在全占空比范围实现软开关，峰值效率高达97.5%。
该方案通过单个磁性元件高频高效运行，大幅减小体积和重量，提升功率密度。动态超前时间控制进一步优化ZVT损耗，满足航空、牵引及家用微逆变器对高频、高可靠性、紧凑设计的需求，为新一代高功率密度电力电子系统提供了有力技术支持。
🔗 https://ieeexplore.ieee.org/stampPDF/getPDF.jsp?tp=&arnumber=11039650
📖 第9篇
📌 一种具有主动均衡技术的通用模块化电池包拓扑结构
A Generalized Modular Battery Pack Topology With Active Cell Balancing Technique
作者：Aaqib Ahmad，A. V. Ravi Teja，Saifullah Payami
锂离子电池广泛应用于电动汽车及储能系统，单体间荷电状态不均衡导致性能衰减与热失控风险。现有均衡多聚焦串联支路内单体，多个均衡串联支路并联时，若整体SoC不同，易产生严重环流，威胁系统安全。
本文提出适用于任意串联单体数m和并联支路数n的通用模块化电池包拓扑及主动均衡策略，将整体电池包构建为升压型DC-DC变换器。每单体通过有两个有源开关的半桥模块接入系统，每串支路配备电感，通过控制开关序列，实现全电池包范围SoC均衡，超越单串均衡。
显著优势：杜绝并联支路环流，充放电及静置状态均保护电池；模块化结构仅需(2m+1)n开关、n电感和n继电器，组件量大幅减少，控制简单；均衡采用升压变换器脉冲充电，延长电池寿命。理论分析涵盖最大输出功率和最高效率工况，且3串3并实验验证效率高达95.92%。
本研究从系统架构层面解决电池包整体不均衡，提升均衡效率与安全性，模块化设计便于扩展，为大规模储能系统高效可靠管理提供有前景技术方案。
🔗 https://ieeexplore.ieee.org/stampPDF/getPDF.jsp?tp=&arnumber=11085048
📖 第10篇
📌 基于虚拟谐波反电动势二维辨识的永磁同步电机谐波电流抑制方法
A Harmonic Current Suppression Method Based on Two-Dimensional Identification of Virtual Harmonic Back Electromotive Force for PMSM Drives
作者：Shengzhe Lin，Wei Wang，Jie Fu，Peijuan Cui，Zaiping Zheng
永磁同步电机（PMSM）驱动系统中，谐波反电动势(BEMF)及逆变器非线性引起谐波电流，导致转矩脉动和额外损耗，严重影响效率和稳定性。传统抑制方法（如多同步旋转坐标系变换、谐振控制器）依赖复杂参数调节，在高速下性能下降。
本文提出新型基于虚拟谐波反电动势二维辨识的谐波电流抑制方法，将逆变器非线性、dq轴交叉耦合及永磁谐波电压统一建模为虚拟谐波反电动势。基于二维辨识(2-D identification)实时在线估计其幅值和相位。
该方法结构简洁，仅用两个积分调节器实现无静差辨识，确保谐波电流无静差抑制。原理在全速域内有效，无需重复参数调节，且引入延迟补偿环节，提升动态性能。
仿真与实验验证表明，该方法准确识别虚拟谐波反电动势，显著抑制d轴和q轴六次谐波电流，降低转矩脉动。相比传统谐振控制，在高速区表现更佳，效率更高，且对电感、电阻等参数变化鲁棒性强，提供无须复杂调参且全速域性能稳定的谐波抑制解决方案。
🔗 https://ieeexplore.ieee.org/stampPDF/getPDF.jsp?tp=&arnumber=11080676
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