摘要

为了解决三端口CLLC固态变压器（TP-CLLC-SST）设计中分布式谐振槽的谐振参数、谐振槽的阻抗匹配、死区时间与励磁电感的优化问题，该文提出一种应用于直流微电网系统中的三端口串联谐振型固态变压器的优化设计方法。TP-CLLC-SST由端口输入输出电容、全桥电路、分布式谐振槽和三绕组高频变压器组成。该变换器以固定的开关频率和接近于50%占空比开环运行，在整个负载范围内可以实现输入端口的零电压开关（ZVS）和输出端口的零电流开关（ZCS），进而可以简化系统控制，实现较高的效率。首先，该文提出了分布式谐振槽的阻抗匹配及谐振参数确定方法，提高了分布式谐振槽阻抗匹配度并简化了谐振参数设计过程，使得变换器的最大端口电压偏移率由5.6%降至1.02%，显著地提高了变换器的负载调节特性。其次，推导了变换器在不同运行模式及负载条件下分布式谐振槽输入输出电流有效值。并且，结合谐振槽电流有效值方程给出了死区时间和励磁电感的优化选择方法，有效地提高了该变换器在三种运行模式下的运行效率。最后，在搭建的三个端口电压分别为100V、400V和600V，功率为1kW的实验样机上验证了所提优化方法的可行性，并实现了98.3%的峰值效率。

引言

随着光伏和风电等新能源发电技术的迅速发展，一种可替代传统工频变压器的固态变压器得到了广泛的研究。固态变压器利用电力电子技术实现高效的电压变换、电气隔离和功率因数校正等功能，常应用于分布式电力系统中。

直流微电网系统由多端口固态变压器（MultiPortSolid-StateTransformer,MP-SST）、新能源发电系统（RenewableEnergygenerationSystem,RES）、储能系统（EnergyStorageSystem,ESS）及负载组成，并与电网相连接，如图1所示。MP-SST能够提供多条直流母线以适应不同的电压等级，因此可以集成多种RES、ESS和负载来实现分布式能源与负载的高效集成与控制。并且，MP-SST可以自动地调节与控制端口之间的电压和功率。

近年来，研究人员提出了多种MP-SST拓扑结构及所对应的各种应用，从拓扑选择的角度，目前主要有：带储能电感的移相全桥[5-6]、串并联谐振型全桥（CLLC）、耦合式直流变压器[9]、多电平双移相高频直流变压器及多电平直流链式固态变压器[11]等拓扑。在上述不同的MP-SST拓扑中，由于移相全桥和CLLC具有软开关和对称结构等诸多优势，常应用于MP-SST的拓扑中。移相全桥变换器具有高功率密度、控制方式灵活及易于实现软开关等优点，但是轻载时零电压范围变窄且移相控制使回路中有较大的回流功率及电流应力，从而导致变换器总损耗增加，整体效率降低。虽然提出了不同的控制方法以降低回流功率使变换器的运行效率提高，但是控制方式比较复杂。相比于移相全桥变换器，当开关频率接近谐振频率时，CLLC变换器具有固有的负载调节特性、全负载范围内的软开关以及开环运行等特性。因此，在多端口固态变压器中常采用CLLC谐振结构。单向LLC谐振槽的优化设计已得到了广泛的研究，但对于分布式谐振槽的谐振参数选取及阻抗匹配问题，现有文献主要是通过求解多变量不等式得到分布式谐振槽的谐振电感范围，并从这一范围中选取谐振电感值。这种方法虽然可以使谐振槽运行于感性区，但每个端口的等效特性阻抗均不相等且分布式谐振槽的对称性不理想，这导致了变换器的负载调节特性以及输出端口电压调整率较差。

分布式谐振槽输入输出电流有效值对死区时间和励磁电感的优化选择至关重要。虽给出了分布式谐振槽的输入输出电流有效值方程，但该方程是基于励磁电感一定时，谐振槽输入输出电流有效值与死区时间的关系式，忽略了最优励磁电感是随死区时间变化而变化的。而且，文中是通过绘出不同功率水平下，变换器最优死区时间所对应的正态分布，然后选出最优的死区时间。这种方法确定的死区时间不能很好地满足变换器在整个负载范围内的死区时间最优。

针对以上存在的问题，本文的主要贡献点为：提出了简化的三端口（ThreePort,TP）-CLLC-SST的设计流程及分布式谐振槽阻抗匹配方法；推导了不同运行模式及负载条件下的谐振槽输入输出电流有效值；给出了整体效率最优时的死区时间和励磁电感的选择方法。

1、TP-CLLC-SST的优化设计

本文研究的TP-CLLC-SST以固定的开关频率和接近50%占空比开环运行，其拓扑结构如图2所示。图中，V1，V2，V3分别为三端口电压。每个全桥均能运行于高频逆变或同步整流状态，在不同的运行模式及负载范围内，输入端口MOS管均能实现零电压开关（ZeroVotageSwitching,ZVS），输出端口MOS管均能实现零电流开关（ZeroCurrentSwitching,ZCS），软开关运行可以减少变换器的开关损耗，提升变换器的效率。

1.1、分布式谐振槽的阻抗匹配

1.2、谐振槽电流有效值

谐振槽电流有效值推导分布式谐振槽输入输出电流有效值是优化死区时间dt和励磁电感LM以及变换器损耗建模的基础。本文采用基波近似法，三种运行模式下谐振槽输入输出电流有效值推导如下。

1.2.1、SISO模式

当TP-CLLC-SST运行在SISO模式时，假设低压端口A接直流电压源，端口B接阻性负载，端口C开路。当fn≤1时，变换器在一个周期内的稳态运行波形如图5a所示。

1.2.2、SIDO模式

将式（15）代入式（20）中可以得到输入端口的谐振电流有效值见式（21）。半个开关周期内，结合式（11）～式（13）、式（16）和式（21），谐振槽输入电流有效值Ir1,sido表达式见式（22）。

1.2.3、DISO模式

在这一运行模式中，假设端口A、B为输入端，端口C为输出端，当fn≤1时，TP-CLLC-SST的稳态运行波形如图5c所示。两个输入端口谐振电流和励磁电感电流表达式与SISO和SIDO模式类似。而且，谐振槽输入输出电流有效值推导方式与上述两种运行模式相似，谐振槽电流有效值为

1.3、死区时间与励磁电感的优化

死区时间td和励磁电感LM的关系如式（13）所示，对死区时间td和励磁电感LM的优化实质上是对分布式谐振槽循环电流的优化，循环电流相当于无功电流，在死区时间内给输入端MOS管输出电容充放电以实现输入侧的ZVS。如果循环电流过小，则不能完全实现输入端的ZVS；如果循环电流过大，关断损耗较大从而使得变换器的整体效率降低。因此，选择合适的死区时间和励磁电感可以降低过大的谐振槽循环电流引起的损耗，进而提高变换器的整体效率。

本文提出的优化方法为：首先，根据推导的分布式谐振槽电流有效值方程，并结合开关频率fs和端口MOS管的等效输出电容Coss，绘制出不同运行模式及负载条件下谐振槽输入电流有效值Iri与死区时间td的函数曲线，找出每种运行模式下，电流有效值最小时所对应的死区区间；然后，将三种运行模式电流有效值最小时所对应的死区时间取交集，在这个交集里选出不同的死区时间，并结合式（13）计算出每个死区时间所对应的最大励磁电感；最后，搭建LTspice仿真模型，对变换器在不同运行模式及负载条件下的效率进行仿真，找出变换器整体效率最高时所对应的死区时间和励磁电感最优组合，并将这一组合选为TP-CLLC-SST的最优死区时间和励磁电感值。通过这种方法确定的死区时间和励磁电感能够使变换器在各种运行模式及不同负载条件下，谐振槽循环电流及输入电流有效值较小，变换器的整体效率最优。

2、TP-CLLC-SST的设计流程

TP-CLLC-SST的设计必须满足三个关键设计要求：①变换器在整个负载范围内谐振槽必须运行于感性区域；②在不同的运行模式及负载条件下，变换器端口间的直流增益保持基本恒定；③优化死区时间和励磁电感，尽可能地减小输入端口谐振槽循环电流。TP-CLLC-SST的详细设计流程如图6所示。

2.1、死区时间与励磁电感的选择

首先，由表1所示的设计规格，分别选择低压、中压和高压端口的MOS管，根据式（13）计算出各端口能实现ZVS所需的最大励磁电感。由于功率的双向流动，每个端口既可以作为输入端口又可以作为输出端口。以低压侧为设计的参考端口，为使每个端口作为输入端口时，励磁电流均可以给输入侧MOS管的输出电容完全地充放电，所以把中、高压侧的最大励磁电感归算至低压侧。

在给定的开关频率和等效输出电容时，根据前面推导出的谐振槽输入电流有效值，绘制出变换器在不同运行模式及负载条件下谐振槽输入电流有效值与死区时间的关系曲线。找出三种运行模式下，输入电流有效值最小时所对应的死区时间区间，并把这些区间取交集后发现，当d80ns150ns＜＜t时，三种运行模式下，谐振槽输入电流有效值整体较小。在这一范围中选出不同的死区时间及其所对应的最大励磁电感组合，最后，在LTspice中搭建仿真模型对不同的组合进行软开关及效率的仿真，死区时间和励磁电感的不同组合见表2。通过仿真发现，当死区时间td=100ns时，励磁电感LM=17.36μH时，变换器的满载效率最高。

2.2、分布式谐振槽参数设计

3、实验验证

为了验证所提方法的可行性，搭建了三个直流端口电压分别为100V、400V和600V，满载功率为1kW的实验样机，如图7所示。低、中压端口选用的是GS-065-011-1-L-TR型号的氮化镓，高压端口使用的是IPD80R1K0CE型号的MOSFET。三个端口采用拼板的形式，通过三绕组高频变压器和分布式谐振槽连接在一起，主控制板采用小板形式，主控芯片选用TMS320F28335。该变换器的最优死区时间选择100ns，低压侧最优励磁电感为17.36μH。根据开关频率及死区时间可以计算出分布式谐振槽的谐振频率为208kHz，实际设计时，根据匹配的谐振电感及电容，最终变换器的谐振频率约为210kHz，其他设计参数详见表3。

3.1、稳态运行

稳态运行稳态运行时，当变换器分别运行于满载和轻载时，中、高压端口谐振槽谐振电流及输入端的ZVS波形如图8所示。图8中，Vds和Vgs分别为开关管的漏源电压及栅源电压，可以看出谐振槽输入电流波形接近正弦波，表明分布式谐振槽在整个负载范围内运行于准谐振状态，并且，变换器由轻载到满载均能实现输入端口的ZVS。

3.2、端口增益及负载调节特性

当变换器运行于SIDO模式时，不同负载条件下，低压端口A至中压端口B和高压端口C的电压增益分别为GBA和GCA，如图9所示。从图中可以看出电压增益的实际值接近于理论值，最大电压偏移发生在低压端口至高压端口之间，最大电压偏移率为1.02％。而在文献[23]中提出的优化设计方法中最大电压偏移率为5.6%。由此可以看出，本文提出的分布式谐振槽阻抗匹配方法使得谐振槽特性阻抗得到了较好的匹配，变换器的负载调节特性更理想。

3.3、效率

为了进一步验证所提死区时间和励磁电感优化方法的可行性，从2.1节表2中的不同死区时间与励磁电感组合中选取死区时间为：50ns、100ns、150ns这三组分别搭建试验样机进行效率测试，效率测试结果如图10所示。

由图10可以看出，当死区时间为50ns、150ns时，变换器的整体效率是次优的，因为死区时间较小时，励磁电流较大，输入侧开关管的关断电流较大，造成较大的关断损耗，降低了变换器的整体效率。当死区时间为100ns，励磁电感为17.36μH时，变换器在三种运行模式下的整体效率最高，峰值效率能达到98.31％。随着死区时间的进一步增大，变换器的整体效率下降，因为死区时间增大，实际占空比减小，从输入端口传输相同的功率到输出端口时，谐振槽输入电流有效值增加，输入功率增大，变换器的整体效率降低。

4、结论

本文提出了CLLC串联谐振型固态变压器的设计与优化方法。首先，结合现有的串联谐振型固态变压器的设计方法中存在的分布式谐振槽阻抗匹配不理想、谐振参数选取复杂以及对死区时间和励磁电感的优化中存在的问题。本文给出了简化的三端口CLLC固态变压器的详细设计流程；提出的分布式谐振槽阻抗匹配方法，可以降低端口的电压偏移率，明显地提高了变换器的负载调节性能；结合推导出的谐振槽电流有效值，给出了分布式谐振槽死区时间和励磁电感的优化方法，该方法提高了该变换器在三种运行模式下的运行效率。最终，实验结果表明，所提出的三端口固态变压器的优化设计方法能够达到预期的设计效果。

如您对我们的产品感兴趣，欢迎联系

我们将为您提供高效、贴心的解决方案！

咨询电话：135 1009 9916（微信同号）

↓ ↓ 点击图片免费领取产品规格书 ↓ ↓