- 頭條諧振開關電容變換器中硬開通問題2020-12-07 作者：王淼 楊曉峰 鄭瓊林 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語北京交通大學電氣工程學院的研究人員王淼、楊曉峰、鄭瓊林，在2019年《電工技術學報》增刊1上撰文指出，諧振開關電容變換器（RSCC）憑借高功率密度和高效率的性能得以被廣泛研究。理想情況下其諧振電流從零開始緩慢增大，使開關器件實現了零電流開通，但由于變換器的寄生參數影響，諧振電流不可避免地會產生電流尖峰或電流階躍等硬開通問題，增加了RSCC開通損耗，并影響其安全運行。 為解決上述問題，在建立數學模型的基礎上，分析RSCC硬開通與脈沖調制、寄生參數之間的關系，并提出相應的解決方案。最后，搭建仿真模型和實驗平臺對上述理論和解決方案進行驗證，實驗結果表明提出的方案能夠有效解決硬開通問題，進而提高了變換器的效率和安全性。
隨著電力電子技術不斷進步，直流電能變換逐漸向高功率密度、高效率等方向發展。而傳統的直流變換器，如Buck變換器、Boost變換器等，普遍采用電感、變壓器等磁性元件來傳遞能量，體積大、功率密度低。同時，這類變換器多工作在硬開關狀態，開關損耗大、效率低。
為提高直流變換器性能，各種新型變換器被不斷提出，如開關電容變換器無需磁性元件，僅通過開關器件和電容傳遞能量，進而提高了變換器的功率密度。諧振變換器通過諧振單元（即諧振電感和諧振電容）來傳遞能量，使開關器件工作在軟開關狀態，有效地降低了開關損耗、提高了變換器的效率。
- 有學者提出了諧振開關電容變換器（Resonant Switched Capacitor Converter, RSCC），采用諧振單元替換開關電容變換器的充放電電容，即在保證變換器功率密度的同時，又引入軟開關狀態來提高效率，因此RSCC憑借其高功率密度、高效率性能而得到廣泛的研究。
- 有學者提出了基于RSCC的電壓均衡電路，適用于電池組或多電平逆變器中直流支撐電容的均壓管理，以及解決光伏電源的局部遮光問題。
- 有學者提出了基于RSCC的新型DC-DC變換器，應用于能量單向流動的高電壓比直流變換場合。
- 有學者提出了基于RSCC的多電平DC-DC變換器，應用于列車輔助供電系統或直流配電網。
- 有學者提出了基于RSCC的直流自耦變壓器牽引供電系統，用于解決城市軌道交通中的迷流和軌道電位等問題。
但傳統控制下RSCC電壓比由電路的拓撲形式決定，其輸出電壓調節能力比較差。因此為提高RSCC性能，各種PWM控制策略得以提出和研究。
- 有學者提出了RSCC占空比控制，通過調整PWM占空比實現輸出電壓調節。
- 有學者提出了RSCC單周控制以提高RSCC動態響應和抗電源干擾強。
但上述控制策略均增大了RSCC開關損耗，為此文獻[16-17]分別提出了RSCC移相控制和新型閉環控制，這些策略均保證變換器具有良好的輸出電壓調節能力，且所有開關管均實現軟開關。
傳統控制與新型PWM控制下RSCC，在理想諧振時電流或電壓均從零開始緩緩上升，從而實現了開關器件軟開通。但由于變換器的寄生參數影響，RSCC不可避免地存在硬開通問題，有學者的研究文獻中諧振電流出現電流尖峰及高頻振蕩現象。
有學者的研究文獻中諧振電流出現電流階躍現象。電流尖峰或電壓階躍等硬開通問題均增大了變換器的開關損耗，影響其安全運行。并且隨著開關頻率的提高和寄生參數的增大，上述硬開通問題將嚴重影響著變換器的效率及安全運行，為此分析并解決該問題對于RSCC的實際應用尤為重要。
考慮到RSCC結構的多樣性和復雜性，本文以有關學者提出的RSCC拓撲應用在大功率場合為例進行分析，此時RSCC中開關器件選用IGBT而非MOSFET，即開關頻率較低。本文詳細地分析了電流尖峰和電流階躍等硬開通問題的產生原因，推導了RSCC硬開通與脈沖調制、寄生參數之間的關系，并提出對應的解決方案；同時本文搭建RSCC仿真模型和大容量實驗平臺，對提出的硬開通問題及其解決方案進行驗證。
圖1 RSCC拓撲
總結
本文研究了RSCC諧振電流存在的電流尖峰或電流階躍等硬開通問題，通過構建數學模型，分析異常工作狀態的起因，并提出了相應的解決方案。同時，仿真和實驗結果表明：
- 1）諧振電感的并聯寄生電容是造成電流尖峰問題的主要原因，而開關管或二極管的結電容是造成電流階躍問題的主要原因。
- 2）通過降低諧振電感的并聯寄生電容及采用本文提出的優化PWM控制等措施，可以有效地解決電流尖峰或電流階躍等硬開通問題，進而提高變換器的效率，保證變換器的安全運行。
