学术简报｜一种输出并联型CLTCL多谐振软开关直流变换器
天津大学智能电网教育部重点实验室、国网天津市电力公司东丽供电分公司的研究人员韩富强、王议锋等，在2018年第20期《电工技术学报》上撰文撰文，提出一种输出并联型CLTCL多谐振软开关直流变换器拓扑，采用双变压器结构且高频变压器二次侧并联，谐振腔内包含多个电容、电感谐振元件。通过合理参数设计，变换器在额定工况下能够同时传递基波和3次谐波有功功率，提高谐振电流利用率，保证较高效率变换，在狭窄的频率范围内实现直流电压增益宽范围可调。
功率开关管具有零电压开通（ZVS），二极管同时实现开通、关断过程的零电流软开关（ZCS）或近似零电流，开关损耗得到抑制。双高频变压器的漏感均被相应串联谐振电感吸收，参与谐振过程，寄生参数给电路带来的不利影响被成功削弱。
本文基于一台500W的样机进行实验验证，结果表明变换器能够在较宽的负载范围内获得接近95%的较高效率，最高效率点为95.4%；在额定点附近20%的频率范围内实现电压增益从半额定值至额定值可调的有益效果。
谐振软开关直流变换器从提出以来就持续受到相关学者的密切关注，直至今日，关于其拓扑衍生、控制方法、参数优化、应用场景的研究还在进行中。谐振软开关直流变换器的最大优点在于其谐振腔单元的谐振作用令谐振电流工作在全正弦波或近似全正弦波形态下，电路中的所有功率开关器件均能够实现软开关，大幅抑制了高速开关带来的损耗，实现高效率、高功率密度、低电磁干扰变换等效果。
谐振直流变换器具有以下优点：①功率开关器件的零电压开关（Zero Voltage Switching, ZVS）和零电流开关（Zero Current Switching, ZCS），开关损耗得到有效抑制；②开关频率较高，元器件体积相应减小，可进一步提高功率密度；③寄生参数影响减弱；④低电磁干扰；⑤高效率，等等。
凭借上述优点，谐振直流变换器已广泛应用于不间断电源、燃料电池、电动汽车车载充电器、分布式电源系统的前端变换器等场合。
LLC变换器及其衍生拓扑是谐振直流变换器研究最为深入、应用最为广泛的热点问题，具有结构简单、宽功率范围内实现软开关、效率较高等特点。一些文献基于经典的LLC拓扑围绕谐振参数优化设计、控制方法改进、电流平衡设计、功率双向流动、高频特性分析和短路保护等方面进行了细致探讨，并令LLC变换器取得了良好的运行效果。
与此同时，另一些文献则仍利用LLC拓扑的谐振特性，从拓宽电压范围、减少磁件数量、负载均流设计等角度出发，对LLC拓扑结构进行了调整，理论分析和实验结果表明LLC变换器衍生拓扑同样获得了良好的变换效果，并在一定程度上改善传统LLC变换器存在的问题。
文献[18]在LLC拓扑基础上通过额外增加两个辅助开关构造了一种新颖LLC拓扑，通过控制开关器件的开通和关断，获得了较宽的输出电压范围，适用于电动汽车充电领域。文献[19]则采用一种双谐振腔交错并联LLC结构，根据不同输出电压调整自身运行模式，同时在较窄的频率范围内获得较宽的电压输出。
然而，上述基于LLC结构的直流变换器均属于三谐振元件拓扑，变换器的谐振特征完全由数量有限的谐振参数决定，一些诸如电压范围、变换效率、最高电压增益等谐振特征变量相互影响，甚至相互矛盾，使得LLC变换器的应用范围受到影响。
多谐振软开关直流变换器通常是指谐振腔单元中含有4个及以上谐振元件的谐振直流变换器。由于采用了多谐振元件，此类变换器一般包含多个谐振频率点，且谐振特性在不同频率段内表现出不同的特点，因此容易满足不同应用场景的不同需求。
文献[20, 21]均采用双变压器结构，变换器一般运行在传统LLC拓扑形态，仅当满足特殊工况条件时，它们能够通过调整自身等效拓扑结构来获得高电压增益、控制环流等效果。文献[22]同样使用了两个高频变压器，两个变压器在一次侧串联、二次侧并联，有效减小了寄生参数对谐振特性的影响，同时完成了变压器均流。
文献[23]采用了CLLC多谐振结构，利用其拓扑结构良好的对称性，将变压器两侧谐振参数也设置的完全相同，进而获得了较为理想且完全对称的功率双向流动特性，同时也保证了高效率。文献[24]则采用了一种LCLL结构，通过增加两个辅助电感分别保证变压器两侧全桥开关管的软开关特性。虽然各侧的辅助电感均由全桥输出电压所钳位，变换器的谐振特性与传统LC拓扑类似，但变换器仍能获得从零至无穷大的宽范围的直流电压增益，且该电压增益仅与开关管的占空比有关。
文献[25, 26]讨论了多谐振直流变换器在LED驱动上的应用，分别采用了LCLC和LLCC拓扑达到负载均流设计的目标，同时也增强了电路短路保护和LED负载开路保护。此外，CLCL型多谐振直流变换器的高频性能在文献[27]中得到了较为详细的研究，通过采用新型氮化镓器件和平面磁性元件进一步减小了元件体积和损耗，变换器的开关频率和功率密度得到大幅提高。
然而，尽管多谐振直流变换器取得了诸多优异变换效果，但上述变换器均仅能传递与开关频率同频的基频能量，而无法有效利用更高次谐波能量，高次谐波能量大多以无功功率形式环行，谐振电流的利用率有待提高。同时，大部分变换器仅能实现开关管开通、二极管关断的软开关，无法进一步降低开关损耗，不利于更高开关频率下的应用。因此，多谐振直流变换器的相关技术仍有待进一步完善。
综合考虑上述情况，本文提出了一种输出并联型CLTCL多谐振软开关直流变换器，多谐振参数的特点使得变换器表现出多种谐振特性。经合理的参数设计，谐振腔单元在传递基波能量的同时成功地利用3次谐波传递有功功率，提高了谐振电流的电流利用率。同时，开关管开通及二极管开通、关断过程均具有软开关或准软开关变换的特点，开关损耗得到有效抑制。最后，设计了一台500W样机，其最高效率点达到95.4%，并能够在宽负载范围内保持高效率变换。
图1 电路拓扑结构
本文提出了一种输出并联型CLTCL多谐振软开关直流变换器。变换器的具体特点总结如下：
1）变换器具有三个谐振点，谐振点处的电压增益保持恒定值，与负载变化无关。
2）通过合理设计谐振元件参数，变换器可以在额定工况下同时传递基波和3次谐波有功功率，谐振电流利用率得到有效提高。
3）功率开关管具有零电压开通，二极管同时实现了零电流或准零电流开通和关断，开关损耗得到抑制。
4）变换器具有在狭窄的频率范围内快速调节直流电压增益范围的能力。
5）变压器一次侧寄生参数影响得到有效抑制。
最后，基于一台额定功率500W的样机验证了变换器的高效、宽增益范围特点，其最高效率达到95.4%。