学术简报｜一种开关频率固定的输出可调型有源钳位正激双向谐振变换器
同济大学电气工程系的研究人员吴琨、钱挺等，在2018年第20期《电工技术学报》上撰文，提出一种开关频率固定的输出可调型有源钳位正激双向谐振变换器。不同于传统有源钳位技术，该变换器中的单个有源钳位电路为两个变压器去磁，以简化电路结构，并提供谐振回路实现能量反向传递。
同时，输入串联输出并联结构可分担输入电压，减轻单个器件电压应力。采用交错并联PWM的控制策略，以减小输入电流纹波。该变换器开关频率固定，可避免传统调频方式中存在的磁性元件、同步整流驱动设计困难等问题，且具有一定的输出电压调节能力。
此外，利用谐振原理，该变换器可实现开关管的零电压开通以及二极管的零电流开关，提升变换效率。详细分析开关频率固定的输出可调型有源钳位正激双向谐振变换器的工作原理以及稳态特性，最后搭建了一台43～53V输入、24V/1.8A输出的实验样机，实验结果验证了理论分析的正确性。
高效率、高功率密度是当今功率变换器的重要发展趋势。而传统硬开关的PWM变换器随着开关频率的提升，变换效率显著下降，因此开关频率和功率密度无法进一步提高，不符合上述趋势。
谐振变换器由于可实现开关管的零电压开通以及二极管的零电流开关，具有其他变换器无可比拟的优势。目前，谐振变换器的研究主要集中于LLC变换器和DCX变换器。其中，LLC变换器结构简单，软开关特性优良，备受研究学者关注。但是，为调节LLC变换器的输出电压，需采用调节开关频率的控制方式。而开关频率的大范围变化将显著加大磁元件和同步整流驱动的设计难度，不利于效率提升。
DCX变换器为不可控变换器，即输入输出电压关系与负载、开关频率和占空比均无关，可将此类变换器设计在最佳工作点，以获得较高的效率。文献[13]提出了一种电流馈电型正激式DCX变换器，拓扑简单，软开关特性优异，适用于小功率场合。
在此基础上，文献[14,15]对其进行了拓展，并衍生出一系列电流馈电型谐振变换器，但其仍然没有输出电压调节能力。为此，文献[16,17]通过增大变压器谐振电感与励磁电感之比，结合调频控制，拓宽了电压输入范围，但一定程度上增加了控制的复杂度，且降低了变换效率。
为避免以上问题，可将DCX变换器作为两级变换器的前级，后级利用PWM变换器调节输出电压。由于两级变换器拓扑复杂，环路设计相对困难，降低了系统的可靠性。为进一步改善DCX变换器的性能，文献[8]中，输入功率的绝大部分由单级变换器传递，以获得较高效率；剩余部分由两级共同传递，以调节输出电压。
文献[20]提出了DCX变换器与辅助PWM变换器串联输入并联输出的方案，通过调节辅助电路占空比来调节输出，优化了变换器的整体效率。此外，有学者们提出了PWM型谐振变换器，以简化传统调频控制方式。
基于以上研究，本文提出了一种开关频率固定的输出可调型有源钳位正激双向谐振变换器。不同于传统有源钳位技术，该变换器中的单个有源钳位电路既能为两个变压器去磁，以简化电路结构，又提供谐振回路以实现能量的反向传递。
同时，输入串联输出并联的结构可减轻单个开关管的电压应力。控制采用交错并联的PWM方式，可大大减小输入电流纹波，且该变换器开关频率固定，兼具一定的输出电压调节能力。相比于传统调频控制方式，PWM控制方式更为简单，更利于磁元件的设计、同步整流驱动的设计，电路可靠性更高。
此外，本文提出的谐振变换器可实现开关管的零电压开通及二极管的零电流开关，显著减小MOSFET开关损耗的同时，无二极管反向恢复问题，效率性能更优，利于变换器的高功率密度集成。
图2 本文提出的谐振变换器
本文提出了一种开关频率固定的输出可调型有源钳位正激双向谐振变换器，并详细分析其工作原理，最后设计并搭建样机进行实验验证。实验表明本文提出的变换器具有如下特点：
1）不同于传统有源钳位技术，该变换器中的同一个有源钳位电路既为两个变压器去磁，简化了整体电路结构，又提供了谐振回路，实现了能量的反向传递。
2）拓扑采用输入串联输出并联的结构，减轻了开关管的电压应力。因此，可选用低耐压的高性能开关器件，以进一步提高变换效率。
3）本文提出的谐振变换器开关频率固定，大大简化了传统调频控制方式，有效避免了磁元件、同步整流驱动设计困难等问题，增加了电路的抗干扰能力。
4）变换器中的开关管和二极管均实现了软开关，利于效率提升及高功率密度集成。