学术简报｜谐振开关电容变换器中硬开通问题
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北京交通大学电气工程学院的研究人员王淼、杨晓峰、郑琼林，在2019年《电工技术学报》增刊1上撰文指出，谐振开关电容变换器（RSCC）凭借高功率密度和高效率的性能得以被广泛研究。理想情况下其谐振电流从零开始缓慢增大，使开关器件实现了零电流开通，但由于变换器的寄生参数影响，谐振电流不可避免地会产生电流尖峰或电流阶跃等硬开通问题，增加了RSCC开通损耗，并影响其安全运行。
为解决上述问题，在建立数学模型的基础上，分析RSCC硬开通与脉冲调制、寄生参数之间的关系，并提出相应的解决方案。最后，搭建仿真模型和实验平台对上述理论和解决方案进行验证，实验结果表明提出的方案能够有效解决硬开通问题，进而提高了变换器的效率和安全性。
随着电力电子技术不断进步，直流电能变换逐渐向高功率密度、高效率等方向发展。而传统的直流变换器，如Buck变换器、Boost变换器等，普遍采用电感、变压器等磁性元件来传递能量，体积大、功率密度低。同时，这类变换器多工作在硬开关状态，开关损耗大、效率低。
为提高直流变换器性能，各种新型变换器被不断提出，如开关电容变换器无需磁性元件，仅通过开关器件和电容传递能量，进而提高了变换器的功率密度。谐振变换器通过谐振单元（即谐振电感和谐振电容）来传递能量，使开关器件工作在软开关状态，有效地降低了开关损耗、提高了变换器的效率。
有学者提出了谐振开关电容变换器（Resonant Switched Capacitor Converter, RSCC），采用谐振单元替换开关电容变换器的充放电电容，即在保证变换器功率密度的同时，又引入软开关状态来提高效率，因此RSCC凭借其高功率密度、高效率性能而得到广泛的研究。
有学者提出了基于RSCC的电压均衡电路，适用于电池组或多电平逆变器中直流支撑电容的均压管理，以及解决光伏电源的局部遮光问题。
有学者提出了基于RSCC的新型DC-DC变换器，应用于能量单向流动的高电压比直流变换场合。
有学者提出了基于RSCC的多电平DC-DC变换器，应用于列车辅助供电系统或直流配电网。
有学者提出了基于RSCC的直流自耦变压器牵引供电系统，用于解决城市轨道交通中的迷流和轨道电位等问题。
但传统控制下RSCC电压比由电路的拓扑形式决定，其输出电压调节能力比较差。因此为提高RSCC性能，各种PWM控制策略得以提出和研究。
有学者提出了RSCC占空比控制，通过调整PWM占空比实现输出电压调节。
有学者提出了RSCC单周控制以提高RSCC动态响应和抗电源干扰强。
但上述控制策略均增大了RSCC开关损耗，为此文献[16-17]分别提出了RSCC移相控制和新型闭环控制，这些策略均保证变换器具有良好的输出电压调节能力，且所有开关管均实现软开关。
传统控制与新型PWM控制下RSCC，在理想谐振时电流或电压均从零开始缓缓上升，从而实现了开关器件软开通。但由于变换器的寄生参数影响，RSCC不可避免地存在硬开通问题，有学者的研究文献中谐振电流出现电流尖峰及高频振荡现象。
有学者的研究文献中谐振电流出现电流阶跃现象。电流尖峰或电压阶跃等硬开通问题均增大了变换器的开关损耗，影响其安全运行。并且随着开关频率的提高和寄生参数的增大，上述硬开通问题将严重影响着变换器的效率及安全运行，为此分析并解决该问题对于RSCC的实际应用尤为重要。
考虑到RSCC结构的多样性和复杂性，本文以有关学者提出的RSCC拓扑应用在大功率场合为例进行分析，此时RSCC中开关器件选用IGBT而非MOSFET，即开关频率较低。本文详细地分析了电流尖峰和电流阶跃等硬开通问题的产生原因，推导了RSCC硬开通与脉冲调制、寄生参数之间的关系，并提出对应的解决方案；同时本文搭建RSCC仿真模型和大容量实验平台，对提出的硬开通问题及其解决方案进行验证。
图1 RSCC拓扑
本文研究了RSCC谐振电流存在的电流尖峰或电流阶跃等硬开通问题，通过构建数学模型，分析异常工作状态的起因，并提出了相应的解决方案。同时，仿真和实验结果表明：
1）谐振电感的并联寄生电容是造成电流尖峰问题的主要原因，而开关管或二极管的结电容是造成电流阶跃问题的主要原因。
2）通过降低谐振电感的并联寄生电容及采用本文提出的优化PWM控制等措施，可以有效地解决电流尖峰或电流阶跃等硬开通问题，进而提高变换器的效率，保证变换器的安全运行。