学术简报｜一种拓扑变换型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王议锋、杨良等，在2018年第24期《电工技术学报》上撰文，提出一种拓扑变换型多谐振软开关直流变换器，其谐振腔单元中采用了双变压器结构，利用两个辅助开关管控制辅助变压器的接入与断开，谐振腔的等效电路结构因此可以在两种不同的多谐振拓扑之间灵活转换，同时，变换器的逆变单元也包含全桥和半桥两种工作模式，使得所述变换器共有四种工作模式。
多模式特征能够满足不同的工作要求，因此，通过合理的参数设计，拓扑变换型多谐振变换器（MRC）能够在狭窄的工作频率范围内实现直流电压增益的宽范围调节并保证高效率。
为了验证该变换器的有效性和理论分析的可靠性，给出相应的实验结果：当直流输入电压在25～300V范围内变化时，变换器可以提供从0至最高8倍可调的电压增益，控制输出电压稳定在200V，变压器在宽增益范围内能够维持较高的变换效率，最高效率可达98.1%。
谐振直流变换器利用自身谐振腔单元的滤波作用滤除谐振腔入口的高次谐波，帮助实现功率开关器件的零电压软开关特性，具有高效率、低电磁干扰、高功率密度等效果，是时下研究的热点之一。由输入、输出电压等级来简单分类，谐振直流变换器可以分为升压型和降压型。
升压型谐振直流变换器多用于光伏发电以及小型并网风力发电等新能源应用场景。为了适应新能源发电应用中存在的多变工况，通常所采用的直流变换器能够具有较宽的电压输入范围，同时为了提高能源转化率，变换器能够维持较高的变换效率。
一些学者基于经典的LLC变换器，对谐振参数进行了优化设计以期获得宽增益和高效率。文献[6]对LLC变换器可能存在的工作模态进行了细致的分析并提出了一种峰值增益配置的参数设计方法。文献[7]则利用计算机辅助设计的方法对变换器参数进行了优化，同时对变换器的损耗分布情况进行了深入探讨。
文献[8]对LLC拓扑进行了改进，衍生出了一种桥式二次侧LLC拓扑结构，并对其工作原理进行了理论分析和实验验证。尽管上述文献均获得了较高的变换效率，但由于LLC拓扑的固有限制，电路的电压增益范围和效率之间始终存在较强的相互制约作用，输入电压被限制在相对狭窄的区间内。
为了缓解上述问题，许多文献采用了变换拓扑结构的形式，在不同工况下采用不同的电路结构以提高变换器对复杂环境的适应性。
文献[9]仍基于LLC拓扑，对全桥结构和半桥结构电压增益相差一倍的特点进行了充分利用，通过变换等效拓扑来拓宽电压范围。然而，该变换器依然受限于LLC拓扑的固有限制，很难真正获得足够宽泛的增益范围。
文献[10]则采用了双变压器结构，并将辅助变压器二次侧电路输出端与主变压器二次侧电路输出端串联，两者电压叠加，有效提高了电压增益，但设计结果显示此变换器仍然受制于相对狭小的输入电压范围。文献[11]同样采用了双变压器结构，利用辅助开关控制辅助变压器的通断。
本文的主要思想在于根据不同应用场合的需求灵活调整变压器的等效励磁电感：在高增益场景下采用数值偏小的励磁电感提高输出电压，而在不需要高增益的工况下采用高励磁电感值以降低环流损耗。虽然此变换器有效拓宽了增益范围，但它仅能工作在高升压比模式，并不适用于电压增益接近1、甚至小于1的工况，增益特性仍有待进一步拓宽。
综上，较为理想的宽增益范围直流变换器应当同时具有工作在升压工况和降低工况的能力，还应实现在整个增益范围内获得高效率的效果。
本文提出一种拓扑变换型多谐振软开关直流谐振变换器（Multi-element Resonant Converter, MRC）。采用双变压器结构，并通过调整自身等效拓扑，该变换器具有多种工作模式以适应不同工况，不仅具有宽电压增益范围内保证高效率的特征，同时能够工作在升压和降压两种工况下。实验结果也验证了理论分析的可靠性，经合理参数设计，其变换效率最高可达98.1%。
图1 拓扑变换型多谐振变换器结构
本文提出了一种拓扑变换型多谐振软开关直流变换器。通过调整辅助开关的控制信号，变换器具有FB(HB)-CLTCL和FB(HB)-LCLCL四种工作模式。CLTCL拓扑的设计目标在于获得高电压增益，而LCLCL拓扑则为了实现高效率变换。因此，所述变换器能够在狭窄的频率范围内实现电压增益的宽范围调节，同时保证较高效率。
实验结果验证了理论分析的可靠性：输入电压在25～300V宽范围变化时，输出电压被稳定在200V附近，对应的电压增益范围为0.67～8倍；变换器能够在较宽增益范围内获得高效率，且最高效率高达98.1%。