- 頭條創新的諧振變換器：高效率、高功率密度、開關頻率固定2019-08-20 作者：吳琨、錢挺 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語同濟大學電氣工程系的研究人員吳琨、錢挺等，在2018年第20期《電工技術學報》上撰文，提出一種開關頻率固定的輸出可調型有源鉗位正激雙向諧振變換器。不同于傳統有源鉗位技術，該變換器中的單個有源鉗位電路為兩個變壓器去磁，以簡化電路結構，并提供諧振回路實現能量反向傳遞。同時，輸入串聯輸出并聯結構可分擔輸入電壓，減輕單個器件電壓應力。采用交錯并聯PWM的控制策略，以減小輸入電流紋波。該變換器開關頻率固定，可避免傳統調頻方式中存在的磁性元件、同步整流驅動設計困難等問題，且具有一定的輸出電壓調節能力。此外，利用諧振原理，該變換器可實現開關管的零電壓開通以及二極管的零電流開關，提升變換效率。詳細分析開關頻率固定的輸出可調型有源鉗位正激雙向諧振變換器的工作原理以及穩態特性，最后搭建了一臺43～53V輸入、24V/1.8A輸出的實驗樣機，實驗結果驗證了理論分析的正確性。
高效率、高功率密度是當今功率變換器的重要發展趨勢。而傳統硬開關的PWM變換器隨著開關頻率的提升，變換效率顯著下降，因此開關頻率和功率密度無法進一步提高，不符合上述趨勢。
諧振變換器由于可實現開關管的零電壓開通以及二極管的零電流開關，具有其他變換器無可比擬的優勢。目前，諧振變換器的研究主要集中于LLC變換器和DCX變換器。其中，LLC變換器結構簡單，軟開關特性優良，備受研究學者關注。但是，為調節LLC變換器的輸出電壓，需采用調節開關頻率的控制方式。而開關頻率的大范圍變化將顯著加大磁元件和同步整流驅動的設計難度，不利于效率提升。
DCX變換器為不可控變換器，即輸入輸出電壓關系與負載、開關頻率和占空比均無關，可將此類變換器設計在最佳工作點，以獲得較高的效率。文獻[13]提出了一種電流饋電型正激式DCX變換器，拓撲簡單，軟開關特性優異，適用于小功率場合。
在此基礎上，文獻[14,15]對其進行了拓展，并衍生出一系列電流饋電型諧振變換器，但其仍然沒有輸出電壓調節能力。為此，文獻[16,17]通過增大變壓器諧振電感與勵磁電感之比，結合調頻控制，拓寬了電壓輸入范圍，但一定程度上增加了控制的復雜度，且降低了變換效率。
為避免以上問題，可將DCX變換器作為兩級變換器的前級，后級利用PWM變換器調節輸出電壓。由于兩級變換器拓撲復雜，環路設計相對困難，降低了系統的可靠性。為進一步改善DCX變換器的性能，文獻[8]中，輸入功率的絕大部分由單級變換器傳遞，以獲得較高效率；剩余部分由兩級共同傳遞，以調節輸出電壓。
文獻[20]提出了DCX變換器與輔助PWM變換器串聯輸入并聯輸出的方案，通過調節輔助電路占空比來調節輸出，優化了變換器的整體效率。此外，有學者們提出了PWM型諧振變換器，以簡化傳統調頻控制方式。
基于以上研究，本文提出了一種開關頻率固定的輸出可調型有源鉗位正激雙向諧振變換器。不同于傳統有源鉗位技術，該變換器中的單個有源鉗位電路既能為兩個變壓器去磁，以簡化電路結構，又提供諧振回路以實現能量的反向傳遞。
同時，輸入串聯輸出并聯的結構可減輕單個開關管的電壓應力。控制采用交錯并聯的PWM方式，可大大減小輸入電流紋波，且該變換器開關頻率固定，兼具一定的輸出電壓調節能力。相比于傳統調頻控制方式，PWM控制方式更為簡單，更利于磁元件的設計、同步整流驅動的設計，電路可靠性更高。
此外，本文提出的諧振變換器可實現開關管的零電壓開通及二極管的零電流開關，顯著減小MOSFET開關損耗的同時，無二極管反向恢復問題，效率性能更優，利于變換器的高功率密度集成。
圖2 本文提出的諧振變換器
結論
本文提出了一種開關頻率固定的輸出可調型有源鉗位正激雙向諧振變換器，并詳細分析其工作原理，最后設計并搭建樣機進行實驗驗證。實驗表明本文提出的變換器具有如下特點：
1）不同于傳統有源鉗位技術，該變換器中的同一個有源鉗位電路既為兩個變壓器去磁，簡化了整體電路結構，又提供了諧振回路，實現了能量的反向傳遞。
2）拓撲采用輸入串聯輸出并聯的結構，減輕了開關管的電壓應力。因此，可選用低耐壓的高性能開關器件，以進一步提高變換效率。
3）本文提出的諧振變換器開關頻率固定，大大簡化了傳統調頻控制方式，有效避免了磁元件、同步整流驅動設計困難等問題，增加了電路的抗干擾能力。
4）變換器中的開關管和二極管均實現了軟開關，利于效率提升及高功率密度集成。
