一種新型高頻隔離LCL型諧振雙變壓器AC/DC變換器

摘 要：為提高可再生能源發電系統的并網性能，提出了1種新型的高頻隔離LCL型諧振雙變壓器AC/DC變換器結構，并對其進行了詳細分析。這種改進結構通過減少元器件數量，實現了更高的功率因數和傳輸效率。該拓撲結構將原邊的雙諧振槽結構移至副邊進行整合，并通過移相控制輸出功率，因此，該變換器可以采用一種簡單且穩定的方式進行控制，實現全范圍軟開關操作。并基于穩態分析，提出了一套全新的參數設計方案，進行了樣機實驗。實驗結果證明了所提出的變換器改進的可行性、高效性和實用性。

關鍵詞：AC/DC變換器；LCL諧振變換器；雙變壓器；功率矯正技術；軟開關技術

中圖分類號：TM433 文獻標志碼：A

0 "引言

太陽能、潮汐能等可再生能源因其固有的間歇性與隨機性，其發電并網消納成為當前研究的焦點。為有效提升可再生能源的利用率，構建混合直流微電網以就近負荷整合成為主流趨勢。在此背景下，高頻隔離交流/直流（AC/DC）諧振變換器作為分布式能源并網的關鍵技術，具有十分重要的實際應用價值和研究意義。此外，AC/DC雙向功率變換器因在保障供電質量方面具有重要作用，已經成為直流微電網的重要部分。因此，AC/DC雙向功率變換器的性能對整個電網系統的穩定運行起著至關重要的作用。

作為可再生能源發電系統中最常使用的并網接口，單相高頻變壓器隔離AC/DC變換器通常要求具備以下特性：1）高頻隔離、功率因數校正（PFC）和輸出電壓調節功能；2）交流輸入側高功率因數和低總諧波失真（THD）；3）控制策略簡單，傳輸效率高。為滿足以上特性，通常通過操作電流斷續模式中的交流輸入側來實現高功率因數，并通過變頻控制策略調節輸出電壓[1]。但當相角過大時，會出現低功率因數和高總諧波失真。

低功率因數會降低AC/DC變換器的傳輸效率，為此文獻[2]設計了一種可實現快速響應的功率因數校正的升壓變換器，但該方案仍未能解決高總諧波失真的問題。為了同時校正功率因數和總諧波失真問題，基于文獻[2]，文獻[3]提出一種主動鉗電路模塊，實現了AC/DC變換器的高功率因數和低總諧波失真；為改善交流輸入側的功率因數和總諧波失真的問題，文獻[4]中采用LCL型串聯諧振AC/DC變換器，使用固定頻率相移控制來調節輸出電壓。然而，上述AC/DC變換器存在局限性，比如：開關損耗大，功率范圍有限，因組件數量多導致AC/DC變換器尺寸較大等。由此可知，當前大多數關于AC/DC變換器的研究集中于通過增加控制復雜度來換取更高效的性能表現，而關于改進拓撲結構的相關研究相對較少。

通過分析文獻[5-8]可知，諧振變換器的隔直特性可有效改善總諧波失真的問題，并減小導通損耗，極大提高變換器的傳輸效率。文獻[7]實現了可再生能源發電系統中低壓蓄電池單元與中高壓直流母線間的能量雙向流動，以1種高增益雙向直流變換器作為電力電子接口，但同時也增加了軟開關的實現難度。文獻[8]為解決可再生能源并網時電流畸變的問題，設計了1種基于雙向直流變換器的關于AC/DC雙向功率變換的控制策略，雖然該控制策略可以改善可再生能源并網時的表現，但也增大了控制難度，使變換器一直承受著高額的導通損耗。

雙變壓器的改進拓撲結構多應用于DC/DC場景下。文獻[9]主要討論了雙變壓器變換器在穩態控制下的基礎模式，發現其存在硬開關、電流應力大等較多弊端。關于雙變壓器的改進拓撲結構，文獻[10]通過融合三電平結構，形成三電平雙變壓器變換器。但這種變換器的控制策略過于復雜，同時電流壓力與電壓應力均過大，造成較高的導通損耗。也有研究人員為雙變壓器添加了推挽的改進電路拓撲結構，該拓撲結構雖然繼承了推挽電路的優勢，但仍未解決軟開關范圍受限的問題，因此該結構大部分處于硬開關工作狀態。由此可見，現在大多數研究都是關于雙變壓器DC/DC改進拓撲結構的穩態評估，而關于AC/DC應用場景下雙變壓器的改進拓撲及其優化控制策略的相關研究依舊較少。

綜上所述，本文提出1種高頻隔離LCL型諧振雙變壓器的AC/DC變換器（下文簡稱為“AC/DC變換器”），并針對其雙半橋結構進行分析，以完成高功率因數、低總諧波失真、全范圍軟開關操作，以及減小電流應力與電壓應力等可再生能源發電系統并網時的低損耗、高效率需求。

1 "操作原理

本文設計的AC/DC變換器結構如圖1所示。圖中：Lin為交流電感；Cin為交流電容；Dr1、Dr2均為整流二極管；IL1為升壓電感L1的電流；Cs1～Cs4均為開關電容；Is1～Is4均為開關電流；Io為LCL諧振槽電流；Vo為輸出電壓；RL為負載電阻；Vout為負載電阻的電壓；Cbus為總線電容；Vac為方波電壓；Vbus為總線電壓；S1～S4均為開關；C1～C4均為共享電容；Ds1～Ds4均為二極點；T1、T2均為高頻變壓器；Cout為輸出電容；Iout為輸出電流；IT1、IT2均為開關電流；Lr為諧振電感；Cr為諧振電容。本AC/DC變換器結構原邊包含雙開關升壓電路和雙半橋拓撲結構兩個模塊，兩個模塊共享總線電容和開關S1、S2，雙開關升壓電路將交流輸入電壓整流為總線電容上的直流電壓。總線電壓是雙半橋拓撲結構的輸入電壓，其包括兩個半橋拓撲結構，以及共享電容C1、C2；第1個半橋通過開關S1、S2產生方波電壓Vac，第2個半橋通過開關S3、S4產生方波電壓Vbc；兩個方波電壓的相位差為θ，是用于功率調節的可控移相角；兩個方波被疊加在1個LCL諧振槽中，該諧振槽包含電磁電感和電容；每個橋臂中的兩個開關以互補方式工作，占空比均為50%。變壓器變換器的原邊和副邊由高頻變壓器T1、T2連接，在副邊，由于電流被二極管D1～D4整流，電流的波形類似正弦波。以輸出電容作為濾波器，用于消除高頻諧波電流，以去除所有干擾。開關S1導通時與LCL諧振槽電流過零點之間的相角為α。

在1個開關周期內，本AC/DC變換器一共存在6個不同的穩態模態，如表1所示。

由于在1個開關周期內，模態1～3和模態4～6存在相似性，因此，只需要分析前3個模態的具體特性（如圖2所示）即可推導出全部模態的特性。

模態1開始于開關S1導通的一瞬間，終止于LCL諧振槽電流過零時（運行階段為0～α），導件1導通，在模態1內（Vac=0.5Vbus、Vbc=-0.5Vbus），LCL諧振槽電流從負值增加至其過零。由于諧振槽電流起始于負值，所以保證了開關S1開通時是零電壓操作。模態2開始于LCL諧振槽電流過零點，結束于開關S2導通、開關S4關斷的一瞬間（運行階段為α～θ），導件2導通。在模態2內（Vac=Vbc=0.5Vbus），LCL諧振槽電流會一直處于正值，所有開關的軟開關操作得以維持。模態3開始于開關S1關斷、S3導通的瞬間，導件3導通（運行階段為θ～π）。在模態3內，電壓值均發生倒轉（Vac=0.5Vbus、Vbc=0.5Vbus），LCL諧振槽電流會始終保持正值并達到最大值，此時，開關實現了零電壓開通，維持軟開關操作。

由此可分析得出本AC/DC變換器的穩態運行波形的穩態操作模態，如圖3所示。圖中：t為時間。

2 "穩態分析

本AC/DC變換器的拓撲結構穩態分析可以

被視為兩個獨立的部分：前端的交流PFC電路和雙槽LCL型串聯諧振式DC-DC變換器。

2.1 "PFC

由于電路特性，前端的交流PFC電路始終在不連續電流狀態（DCM）中工作，本文直接應用文獻[2-3]的研究結果，交流輸入功率Pin的計算式可表示為：

（1）

式中：Vin為交流輸入電壓的均方根值；D為開關占空比，取值為0.5；fs為開關頻率；L1為升壓電感；y1（ρ）為指代式。

指代式y1（ρ）可表示為：

（2）

升壓電感的計算式為：

（3）

2.2 "直流等效電路分析

高頻變壓器原邊的所有元件被反射到副邊，其兩個半橋的電壓（即Vac和Vbc）被兩個交流輸入電壓V′ac和V′bc取代，二者的合成電壓為Vs。在下文分析中，變壓器被視為是理想變壓器，并由兩個相同的勵磁電感Lm1和Lm2所代替，副邊的整流器可以等同于1個電阻R′L，變壓器的直流等效電路圖如圖4所示。

為找出通用的參數設計曲線，將高頻變壓器原邊的所有參數都反映到副邊，所有的參數都被歸一化處理：

（4）

式中：VB為基準電壓；ZB為基準阻抗；IB為基準電流；Q為品質因數；F為頻率比；M為電壓增益；nt為匝數比；ωr為頻率角動量；ωs為開關頻率角動量。

歸一化的阻抗的計算式為：

（5）

式中：XLr為歸一化電感阻抗；XCr為歸一化電容阻抗；XLm為歸一化勵磁電感阻抗；K為比值系數。

兩個交流輸入電壓V′ac和V′bc的計算式可表示為：

（6）

（7）

式中：ωt為系統當前運行的時刻。

二者的合成電壓的計算式為：

（8）

峰值輸出電流Io，p的計算式為：

（9）

LCL諧振槽電流計算式為：

（10）

根據歐姆定理和式（8）、式（10），可得到電壓增益的表達式為：

（11）

本AC/DC變換器的輸出功率Po可表示為：

Po=Io2RL " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （12）

按照上述分析，假設全部步驟都是理想的（傳輸效率為100%），AC/DC變換器的輸出功率等于輸入功率，式（12）可以改寫為：

（13）

3 "設計與仿真

AC/DC變換器設計應保證以下幾點：1）盡可能減小諧振槽電流、電壓應力；2）所有的開關（采用MOSFET金屬氧化物半導體場效應管）應該全負載范圍內維持軟開關操作；3）漏感電流應適中，避免過大或過小。

諧振槽電流與諧振歸一參數品質因數和頻率比的關系可以根據式（10）確定，如圖5所示。由圖5可知：品質因數對LCL諧振槽電流的影響起主導作用，較低的品質因數在LCL諧振槽中具有較高的諧振電流，若頻率比增加，LCL諧振槽電流就會下降，但是不會造成過大影響。所以為了減小電流應力，品質因數值應盡可能接近1。

諧振電壓Vcr與諧振歸一參數品質因數與頻率比的關系可根據式（4）得出，如圖6所示。由圖6a可得：對于不同的頻率比，較低的品質因數具有更低的諧振電壓，因此品質因數較低是更好的選擇；由圖6b可得：較低的頻率比具有更高的諧振電壓，即使在同一條件下品質因數較低時，諧振電壓也不會有太大的變化。因此，為了減小電壓應力，頻率比也應該盡可能接近1。

從圖5、圖6來看，在頻率比小于等于1.1的情況下，當品質因數取1.0和0.8時，LCL諧振槽電流的值接近，所以為了便于計算，品質因數取1.0、頻率比取1.1。

不同參數對勵磁電流的影響如圖7所示。由圖7可知：當相位差θ較小輸出功率相對較大時，勵磁電流被比值系數的影響較小；但隨著相位差

θ增大，輸出功率會逐漸降低，當比值系數為20時，對應的勵磁電流最低，即維持了全范圍軟開關操作。由于需要選擇相對較小的勵磁電流維持軟開關操作，因此選擇比值系數為20作為設計變壓器的參考標準，因此，LCL諧振槽電流的應力、電壓應力盡可能的小。

本AC/DC變換器的額定功率PB為400 W，

直流輸出電壓為100 V，交流輸入狀態為60V/40Hz，開關頻率設置為100 kHz。基于式（3），PFC升壓電感為10 μH。比值系數取20、品質因數為1.0、頻率比為1.1，負載電阻為25 Ω。

諧振電感Lr和諧振電容Cr的計算式為：

（14）

（15）

根據式（14）和式（15）可得出，諧振電感為43.768 μH、諧振電容為70 nF，勵磁電感為875.36 μH。當品質因數為1.0、頻率比為1.1時，變壓器增益為0.9734，匝數比為輸入電壓與輸出電壓之比，即1：0.8561。

4 "實驗結果

為了驗證本AC/DC變換器的正確性，在實驗室建立高頻隔離LCL型諧振雙變壓器AC/DC變換器的原型樣機，如圖8所示，并進行測試驗證。按照上文設計，額定功率為400 W，額定輸入電壓為100 V，額定開關頻率選擇為100 kHz。實驗所用器件規格如表2所示，實驗樣機的規格如表3所示。

實驗選取的工作點是交流輸入60V/40Hz，直流輸出可維持在100 V。按照實驗得到的波形來看，本AC/DC變換器可以在高功率因數和低總諧波失真的特性下工作，并且能夠完成軟開關操作。實驗輸出的穩態運行波形如圖9所示。

隨著AC/DC變換器的輸出功率由400 W降低至80 W，相位差θ將逐漸從0°增加到56°；當負載大于50%時，輸入電壓與輸入電壓之間的相位差也隨著兩橋之間相位差θ的增加而增加，逐漸從18.7°增加至25.0°。當負載低于50%時，輸入電壓與輸入電壓之間的相角隨著負載的減小而減小，將逐漸從25.4°減小至21.7°。各參數理

論值與實驗值的對比如表4所示，從表4可以看出：各參數理論值與實際值相近，證明了設計方案的正確性和穩定性。

負載為20%、AC/DC變換器的輸出功率為80 W時開關S1、S3狀態波形如圖10所示。根據公式（10），輸出功率越小諧振電流越小，因此對于開關維持軟開關操作的條件將會更苛刻。所以，只需保證在最低負載的時候能實現軟開關操作，即可保證全范圍軟開關操作的實現。開關S1和S3的柵極-源極電壓Vgs和漏極-源極電壓Vds如圖10所示，可以明顯地看見柵極-源極電壓是落后于漏極-源極電壓，這表明對于開關S1和S3來說，軟開關操作都已實現。

3種方案下，AC/DC變換器不同負載時的傳輸效率如圖11所示。

由圖11可知：當采用本文提出的方案時，AC/DC變換器的最高傳輸效率出現在滿載（即輸出功率為400 W）時，傳輸效率為95.5%；即使在低負載（負載為80%）工作區域，傳輸效率也能保持在91%以上。與傳統全橋結構相比，由于本AC/DC變換器在中低負載區域依舊保持著軟開關操作，所以在該區域的傳輸效率顯著提升；在中滿負載附近的區域，由于設計時將電流、電壓應力也考慮在內，所以有效降低了導通損耗，因此傳輸效率也明顯提升。同樣對比于傳統的

串聯諧振雙橋變換器，由于本AC/DC變換器相當于增加了控制變量，所以也解決了串聯諧振變換器軟開關范圍限制問題，因此傳輸效率在全負載區域能顯著提升。綜上可知，本文所提的AC/DC變換器在傳輸效率上性能有明顯的優勢，尤其在低負載的工作狀態下優勢更加明顯。

不同負載下，AC/DC變換器的各種功率損耗對比如圖12所示。

由圖12可知：損耗最大的是變壓器磁芯損耗，這是因為添加了1個變壓器的拓撲結構；開關和導通的功率損耗較低，這是因為實現全范圍軟開關的同時，將降低電流、電壓應力納入了設計之中。

5 "結論

為提高可再生能源發電系統的并網性能，本文提出了1種高頻隔離LCL型諧振的雙變壓器AC/DC變換器，其能夠實現高功率因數、低總諧波失真、全范圍軟開關操作和低導通功率損耗等低損高效表現。該AC/DC變換器拓撲結構的原邊包含兩個獨立的半橋，LCL諧振槽將映射到副邊。因此，可通過定頻調制兩個半橋之間的相位差來控制輸出功率，從而增加控制自由度。同時，由于可移相調制的關系，所有開關均處于在零電壓操作，即本文提出的拓撲實現全范圍軟開關操作。

本文提出的AC/DC變換器參數設計方案，以更少的元器件和更合適的參數達到了降低導通功率損耗和提升傳輸效率的目的。在實驗階段，與對照組的拓撲的結果相比，本文提供的解決方案不僅可以實現更高的傳輸效率和更少的元器件，還能實現全范圍軟開關操作，減小導通功率損耗，并通過AC/DC變換器合理且簡單地控制高諧波電流，保證微電網具有良好的電能質量及傳輸性能。

[參考文獻]

[1] CHENG H L，HSIEH Y C，LIN C S. A novel single-stage high-power-factor AC/DC converter featuring high circuit efficiency[J]. IEEE transactions on industrial electronics，2011，58（2）：524-532.

[2] ZHANG F，XU J P. A novel PCCM boost PFC converter with fast dynamic response[J]. IEEE transactions on industrial electronics，2011，58（9）：4207-4216.

[3] SURYAWANSHI H M，RAMTEKE M R，THAKRE K L，et al. Unity-power-factor operation of three-phase AC-DC soft switched converter based on boost active clamp topology in modular approach[J]. IEEE transactions on power electronics，2008，23（1）：229-236.

[4] DU Y M，BHAT A K S. Analysis and design of a high-frequency isolated dual-tank LCL resonant AC-DC converter[C]//2014 International power electronics conference （IPEC-Hiroshima 2014 - ECCE ASIA）. May 18-21，2014，Hiroshima，Japan. US：IEEE，2014：1721-1727.

[5] 朱小偉，郝瑞祥，王帥，等. 一種對稱式三電平LLC諧振變換器控制策略[J]. 電力電子技術，2022，56（1）：121-125.

[6] 熊建國，楊代強，黃貴川. 超寬輸入范圍的三電平LLC變換器及控制策略[J]. 電力電子技術，2021，55（11）：104-107.

[7] 齊磊，楊亞永，孫孝峰，等. 一種諧振型混合調制的電流型高增益雙向變換器[J]. 太陽能學報，2021，42（2）：356-364.

[8] 孟潤泉，高晗，魏明，等. 電流畸變時AC/DC雙向功率變換器的控制策略[J]. 太陽能學報，2020，41（6）：210-217.

[9] 王議鋒，韓富強，楊良，等. 一種雙變壓器結構的多諧振型軟開關直流變換器[J]. 電工技術學報，2019，34（4）：738-746.

[10] 袁義生，梅相龍，毛凱翔. 一種新型雙變壓器三電平DC/DC變換器的研究[J]. 華東交通大學學報，2018，35（2）：105-112.

[11] 郭石壘，秦會斌. 一種新型的3 kW推挽DC-DC變換器[J]. 電子器件，2018，41（3）：603-606.

A HIGH-FREQUENCY ISOLATED LCL TYPE DUAL-TRANSFORMER AC/DC CONVERTER

Zhou Shengzhi1，Gong Yongzhen2，Tang Jiahua3，Zeng Qianyu1

（1. Guangdong University of Education，Guangzhou 510010，China；

2. Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China；

3. Suzhou City University，Suzhou 215104，China）

Abstract：To enhance the grid integration performance of renewable energy systems，this paper proposes an novel high-frequency isolated LCL-type resonant dual-transformer AC/DC converter structure and conducts a detailed analysis. This improved structure achieves higher power factor and transmission efficiency by reducing the number of components. The topology integrates the dual resonant tank structure from the primary side to the secondary side and controls the output power through phase shift. As a result，the converter can be controlled in a simple and stable manner，achieving full-range soft-switching operation. Based on steady-state analysis，this paper proposes a new set of parameter design schemes and carries out prototype experiments. The experimental results demonstrate the feasibility，efficiency，and practicality of the proposed converter improvement.

Keywords：AC/DC converter；LCL resonant converter；dual transformer；power correction technology；soft-switching technology