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一种双变压器结构的多谐振型软开关直流变换器

归档日期:05-21       文本归类:地址变换      文章编辑:爱尚语录

  天津大学智能电网教育部重点实验室、国网冀北电力有限公司检修分公司的研究人员王议锋、韩富强、杨良、陈博、林松,在2019年第4期《电工技术学报》上撰文,提出一种双变压器结构的多谐振型软开关直流变换器。通过在谐振腔内引入辅助高频变压器,变换器获得了包含谐振零点在内的多个谐振频率点。

  通过合理配置谐振点位置,变换器可在较宽频率范围内保证基波和3次谐波有功功率的同时传递,提高谐振电流利用率并起到抑制无功环流的作用。同时,谐振零点的引入使得变换器具备固有的限流保护能力。此外,变换器能够在全负载范围内实现开关管的零电压开通、二极管的零电流开通和准零电流关断,减小了开关损耗。

  最后,为了验证所提拓扑的有效性和参数设计方法的合理性,搭建一台额定功率330W的样机进行实验验证,最高效率可达到94.7%。

  随着直流微网建设的大力发展,DC-DC变换器作为接口电路,不仅实现了分布式电源和储能单元的可靠接入,还实现了不同电压等级和不同类型负载的接入,有效提升了分布式电源的利用率和直流微网的电能质量。其中,谐振型软开关直流变换器是DC-DC变换器的重要组成部分,具有高频、高效率、高功率密度以及低电磁干扰等优点,已广泛应用于光伏发电系统、燃料电池系统、电动汽车和不间断电源等领域。

  谐振型直流变换器可简单地分为串联谐振变换器和并联谐振变换器,前者适用于输出电压较高的场合,后者因具有内在电流保护能力,故适用于高输出电流的场合。但两者均有一定劣势,串联型谐振变换器不具备轻载调压能力,而并联型谐振变换器存在与负载无关的恒定环流,故轻载效率较低。LLC谐振变换器作为一种组合式串并联型谐振变换器,不仅克服了上述变换器存在的缺点,同时具有结构简单、较宽的电压增益范围以及全负载范围内的软开关特性等优点,是谐振型直流变换器研究的热点。

  文献[10]提出了一种基于同步控制的双向LLC谐振变换器,通过额外增加一个辅助电感保证了其双向工作特性的对称性,同时易于实现软开关,但其电压增益范围较窄。文献[11]提出了一种双向三电平LLC谐振变换器拓扑,通过采用幅值、脉宽调制方式获得较宽的电压增益范围,但控制方式较为复杂。

  文献[12]提出了一种基于变频-移相混合控制的L-LLC谐振型直流变换器,在保持传统LLC谐振变换器全负载范围内实现软开关特性的同时,有效拓宽了变换器的电压增益范围和功率范围,具有较高的变换效率。文献[13]引入了一种移相和变频相结合的混合式调制方式,实现了三电平半桥LLC谐振变换器全负载范围内软开关和宽范围输出电压控制。文献[14]提出了一种共用一次侧开关管的双全桥LLC谐振变换器,基于定频控制通过改变谐振网络实现了变换器优异的软开关特性和宽功率范围内的高转换效率,适用于电动汽车领域。

  尽管上述变换器在不同程度上改善了传统LLC变换器的性能并取得了较好的变换效果,但LLC变换器及其衍生拓扑仅包含3个谐振元件,尤其当开关频率超过谐振频率后,变换器的电压增益曲线变得很平,使得变换器的起动和短路保护成为了研究的难题。而多谐振变换器因具有多个谐振频率,且在不同频率段呈现不同的谐振特性,可有效解决上述问题,因此有必要开展多谐振型直流变换器的相关研究。

  受限于多谐振腔元件的数量、种类及连接方式的差异,多谐振型直流变换器拓扑也各有不同。文献[18]提出了一种LCLC型多谐振变换器,实现了理想的零电压开关(Zero Voltage Switching, ZVS)和零电流开关(Zero Current Switching, ZCS)特性,开关损耗得到明显降低,变换器由此获得了较高的转换效率。

  文献[19]采用双输出LCLC结构,基于PWM控制和变频控制详细阐述了谐振腔元件参数和输出漏感对变换器电压增益的影响。文献[20]讨论了多谐振型直流变换器在LED驱动上的应用,采用了一种CLCL结构实现了变换器优异的软开关特性,相比同类型其他LED驱动电路,本文所提电路具有明显的效率优势。文献[21]提出了一种适用于电动汽车充电系统的双LCLC多谐振变换器,有效抑制了耦合电容两端的电压应力,同时实现了高功率、高效率传输的目标。

  然而上述多谐振变换器仅能传递基频分量,无法传递高频谐波分量,谐振电流利用率有待进一步提高。文献[22]通过在传统LLC变换器中引入陷波滤波器,提出了一种新颖的LLC-LC多谐振变换器,有效减小了谐振腔的无功环流,变换器获得了更宽的电压增益范围。该变换器虽然实现了传递高次谐波有功功率的目标,但当开关频率偏离谐振频率较远时,其传递3次谐波有功功率的能力大幅下降。

  此外,变换器仅能实现开关管的ZVS开通和二极管的ZCS关断,无法进一步降低开关损耗。因此,如何保证变换器在较宽的频率范围内仍具有传递高次谐波有功功率的特性,以及在更高开关频率下进行应用和推广,是多谐振直流变换器研究的重点。

  为了解决上述问题,本文提出了一种双变压器结构的多谐振型软开关直流变换器。两变压器在一次侧串联,二次侧并联,有效减小了变压器寄生参数对变换器性能的不利影响。此外,通过合理配置谐振频率点位置,变换器能够在较宽频率范围内同时传递基波和3次谐波有功功率,提高了谐振电流利用率。

  同时,变换器可在全负载范围内实现开关管的ZVS开通、二极管的ZCS开通和准零电流关断(Quasi-Zero-Current-Switching, Q-ZCS)。最后,设计了一台330W实验样机验证了理论分析的有效性。

  本文提出了一种双变压器结构的多谐振型软开关直流变换器,具有多个谐振频率点。通过合理设计谐振元件参数,变换器可在较宽频率范围内同时传递基波和3次谐波有功功率,提高了谐振电流利用率。谐振零点的存在使变换器具备固有的限流保护能力,此外,变换器取得了较优异的软开关特性,包括开关管的零电压开通、二极管的零电流开通和准零电流关断,变换器的开关损耗得到大幅降低。

  最后,文章搭建了一台额定功率为330W的实验样机进行相关验证,其最高效率为94.7%。

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