中南大学科研团队提出一种耦合电感集成型谐振变换器及其自适应频率控制

两级级联式谐振变换器拓扑比单级谐振变换器在调压能力和控制灵活性上更具有优势，但是两级架构采用了较多的开关管和磁性元件，整体的体积与成本较高。中南大学电力电子与可再生能源研究所的徐菁涛、许国、孙尧、熊文静在2023年第4期《电工技术学报》上撰文，以两级式架构为基础，提出了一种开关器件与磁性元件复用的耦合电感集成型谐振变换器，有效减少了开关管与电感数量，提升了变换器的集成度，并提出了自适应频率控制，优化了轻载效率与电流纹波。
所提出的耦合电感集成型谐振变换器，能够实现宽范围调压，同时电压增益与负载不相关。变换器中仅含有一个磁性元件与两个有源开关管。与传统的两级结构相比，磁性元件和开关管数量有效减少。在所提出的调制策略下，一次侧开关可以实现零电压开通，二次侧二极管可以实现零电流关断。此外，该文还提出一种自适应频率控制，能够在不同功率下自适应调节开关频率，优化轻载效率与电流纹波。该文详细介绍变换器的工作特性与控制方法，并且搭建了实验样机，实验结果证明了所提方案的可行性与有效性。

近年来，谐振变换器因其高效率、高功率密度和软开关特性等优点被广泛应用于新能源发电系统、电动汽车充电、LED驱动等领域。传统的LLC串联谐振变换器采用脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation, PFM），然而当电压范围变换较宽时，开关频率会偏离谐振频率点，变换器中会产生较高的环流，导致损耗增加，转换效率降低。

与单级谐振拓扑相比，两级式级联拓扑能够兼顾调压范围和整体转换效率。通常，两级式拓扑可由非隔离PWM变换器（如Boost变换器）和谐振变换器级联组成。在这类拓扑中，谐振变换器的开关频率等于谐振频率，仅作为直流变压器实现单位电压增益。整体的电压调节由非隔离PWM变换器实现。与单级结构相比，两级式拓扑的调压能力得到有效提升且控制策略更加简单。但是，两级结构采用了较多的开关管与磁性元件，整体的体积与成本较高。

图1 所提出的耦合电感集成型谐振变换器

中南大学电力电子与可再生能源研究所的科研人员为解决两级式架构变换器整体集成度较低的问题，提出了一种开关器件与磁性元件复用的耦合电感集成型谐振变换器，该变换器集成了一个Boost电路和一个串联谐振电路，如图1所示。

S1和S2同时构成Boost级桥臂与谐振级一次侧桥臂，VD1和VD2为体二极管，C1和C2为结电容，VD3和VD4为二次侧整流二极管。一次侧和二次侧通过耦合电感Lc连接，而Boost级的储能电感，谐振级的谐振电感与理想变压器均集成在Lc中。

该变换器采用PWM控制，其主要工作波形如图2（a）所示。其中谐振电流工作在断续谐振模式，谐振腔中不存在环流，一次侧开关可以实现零电压开通，二次侧二极管实现零电流关断。谐振级的电压增益（Vo/Vbus）恒定，实现直流变压器的功能，整体的电压控制由Boost级实现，即通过控制一次侧开关管的占空比来调节电压增益。归一化的电压增益曲线如图2（b）所示，可以看出通过改变占空比，可以实现宽范围电压调节，并且电压增益特性与负载（Q值）无关，能够简化电压增益分析与设计。

图2 变换器主要工作波形及其电压增益曲线

图3 变换器实验样机

最后，研究人员通过设计一台实验样机来验证理论可行性，实验波形如图3所示。稳态波形和理论分析一致，并且由自适应频率控制和固定频率控制的对比能够发现，当负载变轻时，采用自适应频率控制后，谐振电路和Boost级电感电流纹波均有效减小。

他们通过综合实验结果总结出所提出变换器对比传统方案具备以下优势：

1）开关管和磁性元件复用，有效提升了变换器集成度。

2）在整个电压和负载范围下，一次侧开关管可以实现零电压开通，二次侧开关管可以实现零电流关断。

3）具有宽范围调压的能力，并且电压增益特性与负载不相关。

团队介绍

研究人员隶属于中南大学电力电子与可再生能源研究所。该研究所成立于2004年，团队负责人为粟梅教授。研究所现有教授3人、副教授7人、讲师4人。多年来坚持面向绿色能源、节能减排、高质量发展的国家重大需求和世界科技前沿，研究特色鲜明、学术优势明显，快速发展形成了一支以中青年人才为主，包括863首席专家、国家杰青、国家优青、湖南省科技创新领军人才、湖南省杰青、湖湘青年英才和长沙市杰青等各层次人才的创新型研究团队。

团队已发表国际知名SCI期刊论文210余篇，其中含130余篇IEEE Transactions汇刊论文和10余篇ESI高被引论文；获授权发明专利100余项；获湖南省自然科学一等奖、江苏省科学技术一等奖、教育部自然科学二等奖、中国有色金属工业科学技术一等奖、湖南省创新团队奖等省部级奖励共计7项。

该工作发表论文的通讯作者为中南大学许国副教授、博士生导师，电气工程系科研副主任，湖南省优青，长沙市杰出创新青年。近年来，获指挥与控制学会优秀博士论文奖，获中国电源学会技术发明二等奖，获北京理工大学优秀博士论文奖。主持国家自然科学基金项目2项、湖南省重点研发项目1项、湖南省自然科学基金优秀青年项目1项，长沙市杰出创新青年项目1项，并主持多项校企联合合作项目。出版springer英文专著1部，在国内外发表论文70余篇，其中以第一/通讯作者发表高水平国际级SCI期刊论文45篇（含IEEE Transaction 系列32篇），授权专利20余项，曾多次受邀担任国际会议分会场主席并做主题报告，主要从事电动汽车、光伏、储能、直流输配电等新能源领域方面的电力电子变换及其控制技术研究，受到国内外同行广泛关注和引用。

本文编自2023年第4期《电工技术学报》，论文标题为“耦合电感集成型谐振变换器及其自适应频率控制”。本课题得到国家自然科学基金和湖南省科技创新计划资助项目的支持。

引用本文

徐菁涛,许国,孙尧,熊文静. 耦合电感集成型谐振变换器及其自适应频率控制[J]. 电工技术学报, 2023, 38(04):998-1009. DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220956.

【原】中南大学科研团队提出一种耦合电感集成型谐振变换器及其自适应频率控制

本文编自2023年第4期《电工技术学报》，论文标题为“耦合电感集成型谐振变换器及其自适应频率控制”。本课题得到国家自然科学基金和湖南省科技创新计划资助项目的支持。