隨著直流微網(wǎng)建設(shè)的大力發(fā)展，DC-DC變換器作為接口電路，不僅實(shí)現(xiàn)了分布式電源和儲(chǔ)能單元的可靠接入，還實(shí)現(xiàn)了不同電壓等級(jí)和不同類型負(fù)載的接入，有效提升了分布式電源的利用率和直流微網(wǎng)的電能質(zhì)量。其中，諧振型軟開(kāi)關(guān)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(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、電動(dòng)汽車和不間斷電源等領(lǐng)域。

諧振型直流變換器可簡(jiǎn)單地分為串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器，前者適用于輸出電壓較高的場(chǎng)合，后者因具有內(nèi)在電流保護(hù)能力，故適用于高輸出電流的場(chǎng)合。但兩者均有一定劣勢(shì)，串聯(lián)型諧振變換器不具備輕載調(diào)壓能力，而并聯(lián)型諧振變換器存在與負(fù)載無(wú)關(guān)的恒定環(huán)流，故輕載效率較低。LLC諧振變換器作為一種組合式串并聯(lián)型諧振變換器，不僅克服了上述變換器存在的缺點(diǎn)，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、較寬的電壓增益范圍以及全負(fù)載范圍內(nèi)的軟開(kāi)關(guān)特性等優(yōu)點(diǎn)，是諧振型直流變換器研究的熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)[10]提出了一種基于同步控制的雙向LLC諧振變換器，通過(guò)額外增加一個(gè)輔助電感保證了其雙向工作特性的對(duì)稱性，同時(shí)易于實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，但其電壓增益范圍較窄。文獻(xiàn)[11]提出了一種雙向三電平LLC諧振變換器拓?fù)洌ㄟ^(guò)采用幅值、脈寬調(diào)制方式獲得較寬的電壓增益范圍，但控制方式較為復(fù)雜。

文獻(xiàn)[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(tǒng)LLC諧振變換器全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)特性的同時(shí)，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(xiàn)[13]引入了一種移相和變頻相結(jié)合的混合式調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)了三電平半橋LLC諧振變換器全負(fù)載范圍內(nèi)軟開(kāi)關(guān)和寬范圍輸出電壓控制。文獻(xiàn)[14]提出了一種共用一次側(cè)開(kāi)關(guān)管的雙全橋LLC諧振變換器，基于定頻控制通過(guò)改變諧振網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了變換器優(yōu)異的軟開(kāi)關(guān)特性和寬功率范圍內(nèi)的高轉(zhuǎn)換效率，適用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域。

盡管上述變換器在不同程度上改善了傳統(tǒng)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?fù)鋬H包含3個(gè)諧振元件，尤其當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率超過(guò)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(dòng)和短路保護(hù)成為了研究的難題。而多諧振變換器因具有多個(gè)諧振頻率，且在不同頻率段呈現(xiàn)不同的諧振特性，可有效解決上述問(wèn)題，因此有必要開(kāi)展多諧振型直流變換器的相關(guān)研究。

受限于多諧振腔元件的數(shù)量、種類及連接方式的差異，多諧振型直流變換器拓?fù)湟哺饔胁煌Ｎ墨I(xiàn)[18]提出了一種LCLC型多諧振變換器，實(shí)現(xiàn)了理想的零電壓開(kāi)關(guān)（Zero Voltage Switching, ZVS）和零電流開(kāi)關(guān)（Zero Current Switching, ZCS）特性，開(kāi)關(guān)損耗得到明顯降低，變換器由此獲得了較高的轉(zhuǎn)換效率。

文獻(xiàn)[19]采用雙輸出LCLC結(jié)構(gòu)，基于PWM控制和變頻控制詳細(xì)闡述了諧振腔元件參數(shù)和輸出漏感對(duì)變換器電壓增益的影響。文獻(xiàn)[20]討論了多諧振型直流變換器在LED驅(qū)動(dòng)上的應(yīng)用，采用了一種CLCL結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了變換器優(yōu)異的軟開(kāi)關(guān)特性，相比同類型其他LED驅(qū)動(dòng)電路，本文所提電路具有明顯的效率優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[21]提出了一種適用于電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的雙LCLC多諧振變換器，有效抑制了耦合電容兩端的電壓應(yīng)力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高功率、高效率傳輸?shù)哪繕?biāo)。

然而上述多諧振變換器僅能傳遞基頻分量，無(wú)法傳遞高頻諧波分量，諧振電流利用率有待進(jìn)一步提高。文獻(xiàn)[22]通過(guò)在傳統(tǒng)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(wú)功環(huán)流，變換器獲得了更寬的電壓增益范圍。該變換器雖然實(shí)現(xiàn)了傳遞高次諧波有功功率的目標(biāo)，但當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率偏離諧振頻率較遠(yuǎn)時(shí)，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(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的ZVS開(kāi)通和二極管的ZCS關(guān)斷，無(wú)法進(jìn)一步降低開(kāi)關(guān)損耗。因此，如何保證變換器在較寬的頻率范圍內(nèi)仍具有傳遞高次諧波有功功率的特性，以及在更高開(kāi)關(guān)頻率下進(jìn)行應(yīng)用和推廣，是多諧振直流變換器研究的重點(diǎn)。

為了解決上述問(wèn)題，本文提出了一種雙變壓器結(jié)構(gòu)的多諧振型軟開(kāi)關(guān)直流變換器。兩變壓器在一次側(cè)串聯(lián)，二次側(cè)并聯(lián)，有效減小了變壓器寄生參數(shù)對(duì)變換器性能的不利影響。此外，通過(guò)合理配置諧振頻率點(diǎn)位置，變換器能夠在較寬頻率范圍內(nèi)同時(shí)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(shí)，變換器可在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的ZVS開(kāi)通、二極管的ZCS開(kāi)通和準(zhǔn)零電流關(guān)斷（Quasi-Zero-Current-Switching, Q-ZCS）。最后，設(shè)計(jì)了一臺(tái)330W實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了理論分析的有效性。

圖1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

結(jié)論

本文提出了一種雙變壓器結(jié)構(gòu)的多諧振型軟開(kāi)關(guān)直流變換器，具有多個(gè)諧振頻率點(diǎn)。通過(guò)合理設(shè)計(jì)諧振元件參數(shù)，變換器可在較寬頻率范圍內(nèi)同時(shí)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(diǎn)的存在使變換器具備固有的限流保護(hù)能力，此外，變換器取得了較優(yōu)異的軟開(kāi)關(guān)特性，包括開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通、二極管的零電流開(kāi)通和準(zhǔn)零電流關(guān)斷，變換器的開(kāi)關(guān)損耗得到大幅降低。

最后，文章搭建了一臺(tái)額定功率為330W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證，其最高效率為94.7%。

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