中南大学科研团队提出一种宽电压范围的耦合电感集成型谐振变换器
The research team of Central South University proposed a coupling inductor integrated resonant converter with wide voltage range
近年来，LLC串联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（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。
为了在较窄的开关频率调节范围内实现宽电压增益，学者们提出了一些优化的控制策略。尽管改进的调制策略和拓扑结构能够在一定程度上提升调压范围，但是变换器的控制策略以及电路模态的复杂度也随之增加。两级式级联拓扑能够有效地解决这个问题。
通常，两级式拓扑可由非隔离PWM变换器（如Boost变换器）和LLC谐振变换器组成。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。此外，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。
为了解决这个问题，采用全桥结构，如图1a所示。一些文献采用了半导体器件的复用技术，通过复用交错Boost电路与全桥谐振变换器的一次侧桥臂，开关管数量得以有效减少。这个思路也可以应用到半桥结构上，半桥结构变换器的一次侧仅需使用两个开关管。半桥结构如图1b所示。
图1 Boost-LLC谐振变换器集成拓扑结构
与两级式拓扑结构相比，开关复用后，有效地减少了半导体器件和驱动电路的数量，但是依然存在一些缺失。
首先，复用拓扑需要添加额外的Boost电感，这会降低整体的功率密度；其次，在复用结构中，Boost级需要通过占空比调节电压增益，而占空比的变化同样会影响谐振级的电压增益，这会使得变换器整体的电压控制变得更加复杂，并且增益特性还会随负载变化。此外，由于Boost变换器电流和谐振电流的叠加，会使得一次侧开关的零电压软开关（ZVS）分析变得困难。因此，复用后的拓扑，在分析和设计上的复杂度与约束条件相对较高。
中南大学自动化学院的徐菁涛、许国、孙尧、熊文静，在2023年第4期《电工技术学报》上撰文，提出一种宽电压范围的耦合电感集成型串联谐振变换器（CISRC），拓扑结构如图2所示。其电压增益与负载不相关，并且仅含有一个磁性元件与两个开关管。
图2 所提出CISRC的拓扑结构
与传统的两级级联结构变换器相比，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，研究人员还提出一种无电流传感器的自适应频率控制，通过观测器观测励磁电流平均值，能够在不同功率下自适应调节开关频率，优化电流纹波。
他们在文中详细介绍变换器的工作特性与控制方法，并且搭建一台200 W的实验样机，实验结果证明了所提方案的可行性与有效性。
