劉俊峰，胡仁俊，曾 君，吳佳磊

（1.華南理工大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院，廣州510640；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州510640）

一種多端口結(jié)構(gòu)的高頻諧振變換器

劉俊峰1，胡仁俊1，曾 君2，吳佳磊2

（1.華南理工大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院，廣州510640；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州510640）

提出一種具有高頻逆變能力的多端口變換器。通過集成兩個(gè)交錯(cuò)并聯(lián)boost電感，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)交錯(cuò)boost電路，有效地提高了變換器的增益范圍，而且可以極大地減小紋波電流。同時(shí)該變換器采用了LCLC諧振電路，通過引入一個(gè)超級(jí)電容，將前面所述兩部分結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了多端口輸入輸出。該變換器采用恒頻脈沖寬度調(diào)制方式，因此調(diào)制方式簡(jiǎn)單且易于控制，其次恒頻控制也可以簡(jiǎn)化磁性元件和諧振電路的設(shè)計(jì)。首先介紹了變換器的工作原理，之后通過時(shí)域分析，對(duì)變換器的增益特性、電流紋波以及軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)條件等進(jìn)行了詳細(xì)的分析。最后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)變換器的特性加以驗(yàn)證。

多端口；LCLC；交錯(cuò)boost電路；恒頻控制；脈沖寬度調(diào)制

隨著社會(huì)的發(fā)展能源危機(jī)與環(huán)境污染日益嚴(yán)重，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注可再生能源發(fā)電系統(tǒng)［1,2］。但常見新能源如風(fēng)能、太陽能等通常具有不連續(xù)、不穩(wěn)定和隨環(huán)境變化等特點(diǎn)，因此獨(dú)立運(yùn)行可再生能源發(fā)電系統(tǒng)須配備蓄電池、超級(jí)電容等儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，來達(dá)到調(diào)節(jié)電能的目的，從而保證負(fù)載得到連續(xù)穩(wěn)定的供電［3-5］。傳統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行可再生能源發(fā)電系統(tǒng)是由發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能裝置和負(fù)載構(gòu)成。通過多個(gè)單向變換器和雙向變換器組合能夠?qū)崿F(xiàn)能量的穩(wěn)定輸出，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積重量大且存在多級(jí)能量轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致系統(tǒng)效率低下。多端口變換器是一類高集成的新型變換器，可實(shí)現(xiàn)輸入源、蓄電池和負(fù)載之間的功率傳遞，各端口之間很大程度上實(shí)現(xiàn)了元器件的共用，因此具有元器件少、控制簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、能量傳遞效率高等優(yōu)點(diǎn)［7-11］。

由于在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的重要應(yīng)用，多端口變換器獲得了廣泛關(guān)注，因而也取得了長足發(fā)展。目前已有學(xué)者提出了一系列多端口變換器的構(gòu)成方法，其中較為簡(jiǎn)單的一種是將多級(jí)變換器通過直流母線相連［10-12］，但是這種變換器僅有部分元器件實(shí)現(xiàn)了共用，系統(tǒng)集成度低。文獻(xiàn)［13］提出了一種具有高集成度的三端口變換器，全橋或半橋結(jié)構(gòu)通過高頻變壓器連接，各端口之間均實(shí)現(xiàn)了能量的雙向傳遞，但是該變換器使用了大量開關(guān)管，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)環(huán)路和控制環(huán)路過于復(fù)雜；文獻(xiàn)［14］中提出了一種新型的多端口變換器，該變換器前端是由雙向交錯(cuò)boost與全橋LLC諧振電路組合而成，其中雙向交錯(cuò)boost電路與全橋LLC諧振電路共用4只開關(guān)管，因此具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)。

在文獻(xiàn)［14］的基礎(chǔ)上，本文提出了一種具有高頻逆變能力的多端口變換器，boost環(huán)路顯著拓寬了變換器的增益范圍。采用雙boost交錯(cuò)并聯(lián)工作，顯著減小了輸入電流紋波。采用恒頻控制減小了磁性元件的設(shè)計(jì)難度。采用LCLC諧振電路對(duì)斬波電壓進(jìn)行濾波，使高頻輸出電壓諧波畸變率大大減小。同時(shí)由于LCLC諧振電路在工作頻率下為感性，因此各個(gè)開關(guān)管均能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)ZVS（zero voltage switching），減小了開關(guān)損耗，開關(guān)頻率可以進(jìn)一步提高。因此該變換器適用于光伏、燃料電池等要求寬輸入電壓范圍、小電流紋波的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。

1 變換器工作原理

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文提出的具有高頻逆變能力的多端口變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。該逆變器由開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和諧振回路構(gòu)成，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)是由2個(gè)boost電路交錯(cuò)并聯(lián)構(gòu)成，其中開關(guān)管S1、S2構(gòu)成的前橋臂與電感L1共同組成了前boost電路，開關(guān)管S3、S4構(gòu)成的后橋臂與電感L2共同組成了后boost電路，輸入電壓Vin通過boost電路升壓后變?yōu)榭偩€電壓Vbus。諧振回路主要是由串聯(lián)諧振支路和并聯(lián)諧振支路構(gòu)成，串聯(lián)諧振支路包含電感LS和電容CS，并聯(lián)諧振支路包含電感LP和電容CP。

圖1 本文所提變換器Fig.1 Proposed converter

變換器采用恒頻脈沖寬度調(diào)制 PWM（pulse width modulation），其調(diào)制方式如圖2所示，開關(guān)管S1和S3占空比均為D，其相位差180°。開關(guān)管S2和S4占空比均為1-D，相位差也為180°。占空比D能夠?qū)﹂_關(guān)網(wǎng)絡(luò)輸出電壓VAB的幅值進(jìn)行有效控制。

圖2 變換器主要工作波形Fig.2 Key operation waveforms of the proposed converter

1.2 工作階段分析

穩(wěn)態(tài)分析之前，先作如下假設(shè)：①開關(guān)管視為理想元器件，其導(dǎo)通壓降為0；②電感和電容均為理想器件；③C1=C2=C3=C4。在上述假定條件下，一個(gè)開關(guān)周期TS內(nèi)變換器共有8個(gè)工作階段，主要波形如圖2所示，各階段等效電路如圖3所示。

圖3 變換器的工作模式Fig.3 Operation modes of the proposed converter

階段Ⅰ［t0,t1］：t0時(shí)刻，如圖3（a）所示，開關(guān)管S2關(guān)斷，電容C1放電，C2充電，到t1時(shí)刻，C1兩端的電壓由于放電而逐漸降為0，此時(shí)反向二極管VD1導(dǎo)通，電流通過二極管續(xù)流，開關(guān)管S1導(dǎo)通時(shí)其兩端電壓為0，零電壓開通得以實(shí)現(xiàn)。

階段Ⅱ［t1，t2］：t1時(shí)刻后，如圖3（b）所示，開關(guān)管S1導(dǎo)通，此時(shí)開關(guān)管S1和S4都為導(dǎo)通狀態(tài)，電感L1放電，電感L2繼續(xù)充電，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)輸出電壓為總線電壓Vbus，開關(guān)管S2和S3兩端的電壓為總線電壓Vbus。此階段諧振電流ILs逐漸增大。

階段Ⅲ［t2，t3］：t2時(shí)刻，如圖3（c）所示，開關(guān)S1關(guān)斷，電容C1充電，C2放電，到t3時(shí)刻C2兩端電壓由于放電而逐漸降為0，反向二極管VD2導(dǎo)通，電流通過二極管續(xù)流，開關(guān)管S2導(dǎo)通時(shí)其兩端電壓為0，零電壓開通得以實(shí)現(xiàn)。

階段Ⅳ［t3,t4］：t3時(shí)刻后，如圖3（d）所示，開關(guān)管S2導(dǎo)通，此時(shí)開關(guān)管S2和S4都為導(dǎo)通狀態(tài)，電感L1和L2充電，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)輸出電壓VAB=0，開關(guān)S1和S3兩端電壓值為總線電壓Vbus，在這個(gè)階段諧振網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)向負(fù)載供電，因此電流ILp快速減小。

［t4，t8］為開關(guān)周期的下半周期，其中包括4個(gè)工作階段并與上半周期類似，在此不再贅述。

2 電路特性分析

本文所提出的結(jié)構(gòu)中，輸入到總線之間的等效回路為雙向交錯(cuò)boost升壓電路，從總線到負(fù)載之間的等效回路為全橋LCLC諧振變換器。因此該結(jié)構(gòu)為一個(gè)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，雙向交錯(cuò)boost電路和全橋LCLC諧振電路通過總線電容Cbus相連接。其等價(jià)回路如圖4所示，同需要兩級(jí)功率轉(zhuǎn)換的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)相比較，本結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)功率由電源到負(fù)載的直接傳遞，功率轉(zhuǎn)換效率高。

圖4 等價(jià)回路Fig.4 Equivalent circuit

2.1 增益特性

由上述分析可知，該變換器能夠等效為雙向交錯(cuò)boost升壓電路和全橋LCLC諧振變換器級(jí)聯(lián)，因此對(duì)其電壓增益單獨(dú)進(jìn)行分析，最終可以得到該變換器的總電壓增益。

對(duì)于boost升壓電路，由伏秒平衡原理可以得到電壓增益Mboost為

式中：L為L1與L2的電感；D為開關(guān)管S1的占空比；1-D為開關(guān)管S2的占空比。

對(duì)于全橋LCLC諧振變換器，其增益MLCLC=Vout/ Vbus，其中LCLC諧振網(wǎng)絡(luò)輸入電壓是VAB，對(duì)VAB進(jìn)行傅里葉分解，得

式中：α=2πD，ω1=2πf1，f1為開關(guān)頻率。則VAB的基波為

為方便分析，現(xiàn)對(duì)LCLC諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)作如下規(guī)定：串聯(lián)諧振電感LS和串聯(lián)諧振電容CS組成的串聯(lián)諧振電路，其固有諧振頻率為；并聯(lián)諧振電感LP和并聯(lián)諧振電容CP組成的并聯(lián)諧振電路，其固有諧振頻率為；參數(shù)λ1=，品質(zhì)因數(shù)。其中R為變換器負(fù)載，參數(shù)λ1、λ2分別體現(xiàn)了串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)諧振電路的固有諧振頻率偏離電路工作頻率ω1的程度，參數(shù)Q1、Q2分別體現(xiàn)了串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)諧振電路相較于負(fù)載R的品質(zhì)因數(shù)。

通過基波分析，得到輸出電壓為

式中，φ為移向角，其大小為

通過上述分析可得該變換器總電壓增益為

2.2 軟開關(guān)特性分析

在高頻領(lǐng)域中，開關(guān)管的開關(guān)損耗會(huì)嚴(yán)重影響變換器的效率，因此有必要進(jìn)一步對(duì)開關(guān)管的軟開關(guān)特性進(jìn)行分析。

在一個(gè)周期內(nèi)開關(guān)管有4個(gè)開關(guān)換流過程，如圖5所示，4個(gè)時(shí)刻為tS12、tS21、tS34及tS43，分別表示開關(guān)S1關(guān)斷S2開通的換流時(shí)刻、開關(guān)S2關(guān)斷S1開通的換流時(shí)刻、開關(guān)S3關(guān)斷S4開通的換流時(shí)刻以及開關(guān)S4關(guān)斷S3開通的換流時(shí)刻。

圖5 4個(gè)開關(guān)時(shí)刻電流Fig.5 Current at four switching instant

理論上為了實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，在這4個(gè)換流時(shí)刻需滿足的條件為

實(shí)際上，為了實(shí)現(xiàn)ZVS軟開關(guān)，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)電感電流必須對(duì)開關(guān)管的結(jié)電容COSS進(jìn)行充電或放電，以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管漏源電壓U從0到Vbus或從Vbus到0的變換，為實(shí)現(xiàn)ZVS創(chuàng)造條件。由于ZVS換流時(shí)間很短，而換流諧振電感很大，因此可以近似地認(rèn)為ZVS換流期間開關(guān)管結(jié)電容恒電流充放電。為了在死區(qū)時(shí)間內(nèi)完成結(jié)電容COSS的充放電，所需的最小ZVS電流為

2.3 電流紋波分析

該變換器中雙向交錯(cuò)boost變換器采用的是交錯(cuò)控制方式，因此能夠有效地減小輸入電流的紋波。變換器中前后橋臂之間相移角為θ（0～π），對(duì)于給定占空比D可以得到輸入電流紋波為

本文調(diào)制策略中θ=180°，因此可以得到

可以看出當(dāng)D=0.5電流紋波最小，因此通過改變占空比能夠有效地控制輸入電流紋波大小，這也是本文所提出變換器的優(yōu)勢(shì)之一。另一方面采用交錯(cuò)調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)了利用較小的電感達(dá)到所要求的電流紋波，這樣就能夠有效地減小變換器體積。對(duì)于boost電感的參數(shù)設(shè)計(jì)，可以采用傳統(tǒng)的boost電路參數(shù)設(shè)計(jì)方法［15］。

3 仿真結(jié)果

通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)所提變換器特性進(jìn)行驗(yàn)證，圖6所示為輸入電壓分別為12、17和20 V時(shí)，變壓器帶載后開關(guān)網(wǎng)絡(luò)輸入電壓VAB、串聯(lián)諧振電感電流ILs、boost電感電流IL1和IL2以及總的輸入電流ILin的穩(wěn)態(tài)波形。

圖6 不同輸入電壓下，變換器帶負(fù)載時(shí)穩(wěn)態(tài)電壓電流波形Fig.6 Measured steady state voltage and current waveforms with different input voltage

從圖中可以看到，變換器具有良好的增益特性，同時(shí)電壓超前電流，LCLC諧振網(wǎng)絡(luò)為感性；同時(shí)還可以看到，輸入電流紋波明顯小于單個(gè)boost電感電流紋波。

圖7所示為開關(guān)管S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及其兩端電壓VS1的穩(wěn)態(tài)波形。由圖可以看到，在開關(guān)管S1的開通信號(hào)到來之前，開關(guān)管兩端電壓已經(jīng)下降為0，開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開通，與前述分析一致。

圖7 ZVS開通波形（Uin=17 V）Fig.7 ZVS-ON waveforms（Uin=17 V）

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證電路拓?fù)涞恼_性，本文搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)如表1所示。

表1 變換器參數(shù)Tab.1 Parameters of the converter

圖8所示為諧振網(wǎng)絡(luò)輸入電壓及電流，準(zhǔn)方波的幅值為VAB，可以看到VAB幅值比輸入電壓幅值上升近1倍，電流滯后于電壓，符合理論分析。

圖8 諧振網(wǎng)絡(luò)輸入電壓及電流Fig.8 Input voltage and current of resonant network

圖9所示為諧振網(wǎng)絡(luò)輸出電壓。由圖可以看到，電壓近似為正弦波，諧波畸變率小，諧振網(wǎng)絡(luò)具有良好的濾波特性。

圖10所示為開關(guān)管S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及其兩端電壓VS1的穩(wěn)態(tài)波形。由圖可以看到，開關(guān)S1的開通信號(hào)在其兩端電壓VS1下降為0后給進(jìn)，軟開關(guān)得到實(shí)現(xiàn)。

圖9 諧振網(wǎng)絡(luò)輸出電壓Fig.9 Output voltage of resonant network

圖10 ZVS開通波形Fig.10 ZVS-ON waveforms

5 結(jié)論

本文提出了一種具備高頻逆變能力的多端口變換器，該變換器克服了傳統(tǒng)LCLC變換器增益范圍窄的問題，同時(shí)該變換器還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①該變換器采用恒頻PWM控制，減小了磁性元件設(shè)計(jì)難度；

②該變換器采用兩個(gè)boost電路交錯(cuò)并聯(lián)工作，顯著減小了輸入電流紋波；

③引入電容Cbus實(shí)現(xiàn)了多端口輸入，通過電容Cbus的充放電，使電能得到了充分利用，同時(shí)也起到了平滑總線電壓紋波的作用；

④采用LCLC諧振網(wǎng)絡(luò)對(duì)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)輸出電壓進(jìn)行濾波，變換器輸出電壓諧波畸變率??；

⑤諧振網(wǎng)絡(luò)單元在開關(guān)頻率下為感性，為開關(guān)管在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)創(chuàng)造了條件，有效地減小了開關(guān)損失，提高能量的傳遞效率。

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A High Frequency Resonant Converter with Multi-port Structure

LIU Junfeng1，HU Renjun1，ZENG Jun2，WU Jialei2
（1.School of Automation Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,510640,China; 2.School of Electric Power,South China University of Technology,Guangzhou,510640,China）

This paper propose a multi-port converter with the capacity of high frequency inverter.Not only the gain range is extended,but also the input current ripple is significantly minimized by integrating two interleaved boost inductors.Meanwhile,the converter also introduces a LCLC resonant circuit.In order to compose a multi-port converter, a super capacitor has been used to connect the boost circuit and the LCLC circuit.Thus,the proposed converter is suitable for renewable energy generation systems,such as photovoltaic,fuel cell and so on.The fixed frequency pulse width modulation is adopted in the converter,so the modulation method is simple and easy to control and it is also helpful to simplify the design of the magnetic elements and harmonic oscillator circuit.The operation principle is introduced and then the gain characteristics,current ripple,the zero voltage switching（ZVS）condition and so on have been analyzed in detail through time-domain analysis.Finally the characteristics of the converter are verified by simulation results.

multi-port;LCLC;interleave boost circuit;fixed frequency control;pulse width modulation

劉俊峰

劉俊峰（1978-），男，博士，副教授，研究方向：電力電子應(yīng)用、高頻配電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制，E-mail：aujfliu@scut.edu.cn。

胡仁俊（1993-），男，碩士研究生，研究方向：多端口變換器拓?fù)鋺?yīng)用，E-mail：1056130475@qq.com。

曾君（1979-），女，通信作者，博士，副教授，研究方向：電力電子應(yīng)用、分布式發(fā)電的能量管理和智能控制，E-mail：junzeng@scut.edu.cn。

吳佳磊（1992-），男，碩士研究生，研究方向：多電平逆變器拓?fù)鋺?yīng)用，E-mail：742089646@qq.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.1.31

：TM 464

：A

2015-10-30

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61573155）；廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2016A030313508）；廣東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2016A010102007）；廣州市科技計(jì)劃科學(xué)研究專項(xiàng)資助項(xiàng)目（201607010209）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（61573155）;Guangdong Natural Science Foundation（20 16A030313508），Guangdong Science and Technology Planning Project（2016A010102007）,Science and Technology Program of Guangzhou（201607010209）