- 頭條一種雙變壓器結構的多諧振型軟開關直流變換器2019-11-18 作者：王議鋒、韓富強 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語天津大學智能電網教育部重點實驗室、國網冀北電力有限公司檢修分公司的研究人員王議鋒、韓富強、楊良、陳博、林松，在2019年第4期《電工技術學報》上撰文，提出一種雙變壓器結構的多諧振型軟開關直流變換器。通過在諧振腔內引入輔助高頻變壓器，變換器獲得了包含諧振零點在內的多個諧振頻率點。 通過合理配置諧振點位置，變換器可在較寬頻率范圍內保證基波和3次諧波有功功率的同時傳遞，提高諧振電流利用率并起到抑制無功環流的作用。同時，諧振零點的引入使得變換器具備固有的限流保護能力。此外，變換器能夠在全負載范圍內實現開關管的零電壓開通、二極管的零電流開通和準零電流關斷，減小了開關損耗。 最后，為了驗證所提拓撲的有效性和參數設計方法的合理性，搭建一臺額定功率330W的樣機進行實驗驗證，最高效率可達到94.7%。
隨著直流微網建設的大力發展，DC-DC變換器作為接口電路，不僅實現了分布式電源和儲能單元的可靠接入，還實現了不同電壓等級和不同類型負載的接入，有效提升了分布式電源的利用率和直流微網的電能質量。其中，諧振型軟開關直流變換器是DC-DC變換器的重要組成部分，具有高頻、高效率、高功率密度以及低電磁干擾等優點，已廣泛應用于光伏發電系統、燃料電池系統、電動汽車和不間斷電源等領域。
諧振型直流變換器可簡單地分為串聯諧振變換器和并聯諧振變換器，前者適用于輸出電壓較高的場合，后者因具有內在電流保護能力，故適用于高輸出電流的場合。但兩者均有一定劣勢，串聯型諧振變換器不具備輕載調壓能力，而并聯型諧振變換器存在與負載無關的恒定環流，故輕載效率較低。LLC諧振變換器作為一種組合式串并聯型諧振變換器，不僅克服了上述變換器存在的缺點，同時具有結構簡單、較寬的電壓增益范圍以及全負載范圍內的軟開關特性等優點，是諧振型直流變換器研究的熱點。
文獻[10]提出了一種基于同步控制的雙向LLC諧振變換器，通過額外增加一個輔助電感保證了其雙向工作特性的對稱性，同時易于實現軟開關，但其電壓增益范圍較窄。文獻[11]提出了一種雙向三電平LLC諧振變換器拓撲，通過采用幅值、脈寬調制方式獲得較寬的電壓增益范圍，但控制方式較為復雜。
文獻[12]提出了一種基于變頻-移相混合控制的L-LLC諧振型直流變換器，在保持傳統LLC諧振變換器全負載范圍內實現軟開關特性的同時，有效拓寬了變換器的電壓增益范圍和功率范圍，具有較高的變換效率。文獻[13]引入了一種移相和變頻相結合的混合式調制方式，實現了三電平半橋LLC諧振變換器全負載范圍內軟開關和寬范圍輸出電壓控制。文獻[14]提出了一種共用一次側開關管的雙全橋LLC諧振變換器，基于定頻控制通過改變諧振網絡實現了變換器優異的軟開關特性和寬功率范圍內的高轉換效率，適用于電動汽車領域。
盡管上述變換器在不同程度上改善了傳統LLC變換器的性能并取得了較好的變換效果，但LLC變換器及其衍生拓撲僅包含3個諧振元件，尤其當開關頻率超過諧振頻率后，變換器的電壓增益曲線變得很平，使得變換器的起動和短路保護成為了研究的難題。而多諧振變換器因具有多個諧振頻率，且在不同頻率段呈現不同的諧振特性，可有效解決上述問題，因此有必要開展多諧振型直流變換器的相關研究。
受限于多諧振腔元件的數量、種類及連接方式的差異，多諧振型直流變換器拓撲也各有不同。文獻[18]提出了一種LCLC型多諧振變換器，實現了理想的零電壓開關（Zero Voltage Switching, ZVS）和零電流開關（Zero Current Switching, ZCS）特性，開關損耗得到明顯降低，變換器由此獲得了較高的轉換效率。
文獻[19]采用雙輸出LCLC結構，基于PWM控制和變頻控制詳細闡述了諧振腔元件參數和輸出漏感對變換器電壓增益的影響。文獻[20]討論了多諧振型直流變換器在LED驅動上的應用，采用了一種CLCL結構實現了變換器優異的軟開關特性，相比同類型其他LED驅動電路，本文所提電路具有明顯的效率優勢。文獻[21]提出了一種適用于電動汽車充電系統的雙LCLC多諧振變換器，有效抑制了耦合電容兩端的電壓應力，同時實現了高功率、高效率傳輸的目標。
然而上述多諧振變換器僅能傳遞基頻分量，無法傳遞高頻諧波分量，諧振電流利用率有待進一步提高。文獻[22]通過在傳統LLC變換器中引入陷波濾波器，提出了一種新穎的LLC-LC多諧振變換器，有效減小了諧振腔的無功環流，變換器獲得了更寬的電壓增益范圍。該變換器雖然實現了傳遞高次諧波有功功率的目標，但當開關頻率偏離諧振頻率較遠時，其傳遞3次諧波有功功率的能力大幅下降。
此外，變換器僅能實現開關管的ZVS開通和二極管的ZCS關斷，無法進一步降低開關損耗。因此，如何保證變換器在較寬的頻率范圍內仍具有傳遞高次諧波有功功率的特性，以及在更高開關頻率下進行應用和推廣，是多諧振直流變換器研究的重點。
為了解決上述問題，本文提出了一種雙變壓器結構的多諧振型軟開關直流變換器。兩變壓器在一次側串聯，二次側并聯，有效減小了變壓器寄生參數對變換器性能的不利影響。此外，通過合理配置諧振頻率點位置，變換器能夠在較寬頻率范圍內同時傳遞基波和3次諧波有功功率，提高了諧振電流利用率。
同時，變換器可在全負載范圍內實現開關管的ZVS開通、二極管的ZCS開通和準零電流關斷（Quasi-Zero-Current-Switching, Q-ZCS）。最后，設計了一臺330W實驗樣機驗證了理論分析的有效性。
圖1 電路拓撲結構
結論
本文提出了一種雙變壓器結構的多諧振型軟開關直流變換器，具有多個諧振頻率點。通過合理設計諧振元件參數，變換器可在較寬頻率范圍內同時傳遞基波和3次諧波有功功率，提高了諧振電流利用率。諧振零點的存在使變換器具備固有的限流保護能力，此外，變換器取得了較優異的軟開關特性，包括開關管的零電壓開通、二極管的零電流開通和準零電流關斷，變換器的開關損耗得到大幅降低。
最后，文章搭建了一臺額定功率為330W的實驗樣機進行相關驗證，其最高效率為94.7%。
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