一种双CLT谐振软开关直流变换器设计与实现
杨良 王议锋 陈博 郄伟 钟旭
DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.162026
01
导语
谐振直流变换器具有高效率、高频率、高功率密度以及较低EMI等众多优点，被广泛推广于新能源发电、直流微网和电动汽车等功率应用中。为了进一步拓宽谐振直流变换器的电压增益范围、维持宽功率等级的较高效率，文章提出了一种新型多谐振直流变换器拓扑结构，对电路的基本工作原理、模型建立以及参数设计等问题进行了详细探讨，最终通过功率实测验证了变换器原理的可行性。
02
研究（项目）背景
传统LLC谐振变换器具有结构简单、成本低廉、额定效率较高等优点，被认为是一种较为理想的直流变换器，其参数设计、控制方式、拓扑衍生等受到学者们的持续关注。然而，受自身谐振特征的限制，LLC电路在电压增益范围和变换效率方面仍存在一定矛盾，很难实现在宽增益范围内维持较高效率。针对这一问题，本文尝试提出了一种多谐振直流变换器结构，以期进行有益探索。
03
论文所解决的问题及意义
为了缓解谐振直流变换器在增益范围和变换效率间存在的矛盾，本文提出了一种降压型双CLT谐振直流变换器。它采用双变压器结构，利用额外引入的高频变压器改善电路电压增益曲线，可以适应多种应用场合。不仅可以实现开关管零电压开通，而且能够在较宽功率范围内保证关断电流接近零，获得准零电流关断特性。二极管也能够实现准零电流导通和关断。同时，变换器具有一个独特的谐振零点，它的存在也使得直流增益曲线在零至最高值范围内灵活可调，拓宽了输入、输出直流电压范围，能够在狭窄的频率变化范围内实现对输出电压的宽范围调节。此外，谐振零点也对电路的过电流保护有着有益作用，甚至可以工作在输出短路的极端工作条件下。
04
论文方法及创新点
文章的主要创新点可以概括为针对LLC电路在效率和增益方面存在的问题，提出了一种新型双CLT多谐振软开关直流变换器的拓扑结构。采用多谐振技术，将双高频变压器结构成功应用至多谐振电路拓扑上，使得改进后的谐振变换器衍生出一个独特谐振零点，保证了宽电压增益、较高效率、良好过电流保护能力等有效变换效果。
文章的论证方法可以依次概括为：
1）提出双CLT变换器的拓扑结构（如图1所示），分析其基本构成方式，结合主要参数波形和模态等效电路对一个开关周期内电路的工作原理进行说明。
2）利用等效基波法对电路的数学模型进行搭建，求解直流电压增益表达式，并绘制变换器在不同负载条件下的增益曲线（如图2所示）。
3）依照应用场景需求，以表达式形式建立对电路的基本约束，利用matlab程序对潜在电路参数进行遍历筛选，并结合三维图形曲面最终确定符合条件的电路谐振参数。
4）根据设计结果，制作实验样机，对所提出的多谐振直流变换器的原理可行性进行验证实测。
05
结论
文章提出了一种新型的双CLT谐振变换器。该变换器在谐振电路中额外引入一个变压器，使得电路的电压增益曲线具有两个谐振点和一个谐振零点。谐振零点的存在使得变换器具有较宽的输入电压范围和极宽的输出电压范围，输出电压在零至额定值内可调。同时，通过对电路参数的合理设计，该变换器可以实现开关管的零电压开通和准零电流关断，以及二极管的准零电流开通和零电流关断，使得变换器的开关损耗大幅下降。最后，本文给出了基于1kW样机的实验波形，其最高效率为95.3%。
杨良, 王议锋, 陈博, 郄伟, 钟旭. 一种双CLT谐振软开关直流变换器设计与实现[J]. 电工技术学报, 2018, 33(7): 1461-1471.
Yang Liang, Wang Yifeng, Chen Bo, Qie Wei, Zhong Xu. The Design and Implementation of a Dual-CLT Resonant Soft-Switching DC-DC Converter. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(7): 1461-1471.
团队介绍
天津大学智能电网教育部重点实验室包括：微电网实验室、储能系统实验室、智能用电技术实验室等8个实验室，拥有一支高效、精干、勇于开拓的师资队伍。学院现有中国工程院院士1人，俄罗斯工程院院士1人，***特聘教授2人，***讲座教授2人，团队中多数成员对复杂配电网智能分析与优化有深入研究；在电力电子技术研究方面，主持国家科技部863项目子课题1项：“光伏微电网核心设备与控制系统研制及示范应用”，主持天津市科技支撑计划重点项目1项：绿色建筑中可再生能源的高效利用技术及装备研发，参与天津市科技支撑重点项目1项：多功能智能户用光伏发电技术研究及应用。
王议锋，博士，副教授，天津市电源学会秘书长，中国电源学会照明电源专业委员会理事。研究方向为宽禁带半导体功率器件应用和磁集成技术，高频电力电子功率变换拓扑，可再生能源发电中的现代电能变换及其控制技术。
杨 良，博士研究生，研究方向为小型风力发电系统和谐振软开关直流变换器。
陈 博，博士研究生，研究方向为高频驱动技术和谐振软开关直流变换器。