- 頭條用于含高次諧波分量多諧振變換器的擴展型建模分析方法2021-03-14 作者：韓富強 王議鋒 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、國網天津市電力公司城西供電分公司、國網天津客服中心的研究人員韓富強、王議鋒、李占純、冀睿琳、劉瑞欣，在2019年第24期《電工技術學報》上撰文，提出一種用于含高次諧波分量多諧振變換器的擴展型建模分析方法。以五諧振元件LCLCL變換器為例，經合理的參數設計，其能同時傳遞基波和3次諧波有功功率，提高諧振電流利用率。
伴隨著電子電子器件小型化發展的趨勢，高轉換效率、高開關頻率和高功率密度成為了眾多學者不斷追求的目標。與硬開關脈寬調制（Pulse Width Modulation, PWM）變換器相比，諧振型軟開關直流變換器具有更小的體積和更低的開關損耗，因此其轉換效率也較高。目前，該類變換器已廣泛應用在風光互補新能源發電系統、不間斷電源供電系統、儲能系統和電動汽車等場合。
LC串聯和并聯結構是兩種最基本的諧振拓撲，分別構成了串聯諧振（Series Resonant Converter, SRC）和并聯諧振（Parallel Resonant Converter, PRC）變換器。但是這兩種變換器均存在一定的缺陷。比如，SRC空載不能調壓，而PRC輕載效率低下。通過結合兩者的優勢，LLC諧振變換器獲得了廣泛的關注，已成為了近年來研究的熱點。
有學者提出了一種具有自動均壓均流特性的組合式LLC諧振變換器。通過在電路中加入飛跨電容和耦合電感分別實現了各模塊輸入電壓和電流的均衡，變換器由此具有了控制簡便和效率高的特點。有學者研究了一種具有多電平工作模式的寬輸入半橋LLC諧振變換器。通過所提多電平控制策略，變換器可同時滿足高運行效率和寬輸入電壓范圍的要求。此外，一些學者從其他不同方面對LLC變換器進行一定改進，并獲得了較優異的變換效果。
以上設計和優化均是采用基波等效法（Fundamental Harmonic Approximation, FHA）進行相應的建模和分析。該方法通過將非線性的諧振網絡等效轉化為純正弦交流電路，極大地簡化了設計和計算過程，便于分析電壓增益等特性。但該方法引入了一定誤差，計算精度較差，無法滿足日益增長的精度需求。同時，該方法也不能準確分析軟開關實現條件和死區時間優化等細節問題。
LLC諧振變換器不適用于寬開關頻率范圍的場合，且FHA建模方法存在上述諸多問題。在此背景下，開展具有寬開關頻率范圍工作的直流變換器研究及其準確的建模分析顯得尤為重要。因此，多諧振變換器的研究日益增多。
通過在諧振網絡內額外引入其他無源器件，變換器可獲得多個諧振點，因此具有更加靈活的電壓調節特性。有學者提出了一種CLCL多諧振變換器，并利用FHA方法對其輸入阻抗角和諧振元件參數進行優化設計。在諧振點處實現了較優異的變換性能，包括良好的軟開關特性和較小的電壓應力。
但當開關頻率偏離諧振點時，變換器的性能受到較大影響。有學者提出了一種新穎LCLCL多諧振變換器，通過高次諧波分量的注入，變換器能同時傳遞基波和3次諧波有功功率，降低諧振網絡內的無功環流，提高諧振電流利用率。
此外，針對CLLLC諧振變換器，有學者采用時域分析法對其電壓增益特性進行詳細分析，提出一種電壓滯環間歇模式控制策略，有效緩解了輸出電容帶來的不利影響。同時，還解決了變換器輕載和空載時電壓飄高的問題。利用時域分析法可以得到變換器的精確解，但該方法較為復雜，計算量偏大，不利于工程實際應用。綜上所述，多諧振變換器具有多個諧振點，可表現出優異的變換性能。
然而，傳統FHA建模方法僅考慮基波分量，對所述多諧振變換器在寬開關頻率范圍內的建模存在精度不足的問題。因此，一個相對簡單且準確性較高的建模分析方法，對多諧振變換器的設計至關重要。
基于多諧振變換器表現出的優異性能，天津大學智能電網教育部重點實驗室、國網天津市電力公司城西供電分公司、國網天津客服中心的研究人員提出了一種適用于含高次諧波分量多諧振變換器的擴展型建模分析（Extended Describing Modeling, EDM）方法。
圖1 LCLCL變換器拓撲
圖4 EDM等效原理
首先，分析和總結了傳統FHA建模方法的原理，指出該方法在研究多諧振變換器特性中的不足。其次，研究和提出了EDM分析方法，并對連續導通模式和斷續導通模式兩種情況分別討論，最終推導出該方法下變換器的直流電壓增益表達式。最后，搭建了一臺額定功率為500W的實驗樣機進行相關驗證。
變換器在全負載范圍內取得了優異的軟開關特性，包括開關管的零電壓開通和二極管的零電流或準零電流開通和關斷。變換器的最大效率為95.46%，且在輕載下也能夠保持較高的轉換效率。此外，本文對比分析了不同建模方法下變換器的電壓增益曲線，驗證了所提EDM分析方法的有效性和準確性。
以上研究成果已發表在2019年第24期《電工技術學報》，論文標題為“用于含高次諧波分量多諧振變換器的擴展型建模分析方法”，作者為韓富強、王議鋒、李占純、冀睿琳、劉瑞欣。
