目前，全球面臨的能源危機(jī)和環(huán)境問題越來越嚴(yán)重。為了緩解這些問題，新能源發(fā)電與分布式儲(chǔ)能發(fā)電技術(shù)受到重點(diǎn)關(guān)注。其中，諧振軟開關(guān)直流變換器憑借其高效、低電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI）等特征，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車充放電、新能源發(fā)電、分布式家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)等需要雙向功率傳遞的領(lǐng)域。

由于儲(chǔ)能系統(tǒng)中所用的儲(chǔ)能電池通常具有大容量、施加電壓等級(jí)較低、電壓波動(dòng)較大等特點(diǎn)。因此，需要一種具有高電壓比的雙向DC-DC變換器將低壓電池和高壓直流母線連接起來。同時(shí)，變換器還需要較寬的增益范圍調(diào)節(jié)能力以適應(yīng)電池電壓的變化。由此可見，高增益并且兼顧高效與寬電壓范圍調(diào)節(jié)能力的雙向直流變換器具有極高的研究價(jià)值和推廣應(yīng)用前景。

目前，傳統(tǒng)的DC-DC變換器一般分為非隔離型和隔離型兩種。由于分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)需要電氣隔離以保證人身和設(shè)備的安全，在此，僅針對(duì)隔離型變換器進(jìn)行分析討論。從目前已有的拓?fù)鋪砜矗p有源橋（Double Active Bridge, DAB）拓?fù)涫亲畹湫偷耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)之一，憑借其簡單結(jié)構(gòu)和零電壓軟開關(guān)（Zero Voltage Switching, ZVS）特性，已被廣泛應(yīng)用。

但DAB的運(yùn)行效率稍顯不足，仍具有很大的提升空間。更嚴(yán)重的是，當(dāng)輕載運(yùn)行時(shí)，將會(huì)失去ZVS特性導(dǎo)致效率進(jìn)一步下降。因此，學(xué)者們提出許多新型拓?fù)浜涂刂品椒▉硖岣咝?。在文獻(xiàn)[9-10]中，采用了一種新的控制方法來提高效率。文獻(xiàn)[11-12]基于DAB拓?fù)涮岢隽艘环N改進(jìn)型拓?fù)渫貙捔薢VS范圍。但是，這些改進(jìn)的控制策略較為復(fù)雜，同時(shí)對(duì)于效率的提升十分有限，仍無法滿足要求部分高效應(yīng)用領(lǐng)域的需求。

為此，文獻(xiàn)[13-15]在DAB的基礎(chǔ)上，運(yùn)用多諧振技術(shù)提出了LLC變換器，極大地改善了變換器的效率。LLC憑借著優(yōu)良的ZVS和零電流軟開關(guān)（Zero Current Switching, ZCS）特性，近年來得到了廣泛學(xué)者的關(guān)注。然而，美中不足的是LLC只有當(dāng)開關(guān)頻率在其諧振頻率附近時(shí)，變換器才能獲得高效率。換言之，它的電壓調(diào)節(jié)范圍非常窄，其增益能力有限。同時(shí)，當(dāng)LLC作反向工作時(shí)，其電壓增益特性存在局限性，類似于傳統(tǒng)串聯(lián)諧振變換器（Series Resonant Converter, SRC），不能滿足電池電壓的要求。

針對(duì)增益能力的問題，文獻(xiàn)[16-17]提出了一種改進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過全橋和半橋的切換控制來實(shí)現(xiàn)雙倍電壓增益。然而該拓?fù)錇榱烁采w所有的輸入電壓范圍，參數(shù)和磁件的設(shè)計(jì)是非常困難的。同時(shí)，文獻(xiàn)[18]提出了一種改進(jìn)的LLC拓?fù)洌岣吡溯p載情況下的變換器效率。但是，它的增益調(diào)節(jié)范圍略顯不足。此外，在文獻(xiàn)[19-21]中加入輔助諧振電路，并實(shí)現(xiàn)了高效率的增益特性。但是，這些轉(zhuǎn)換器無法實(shí)現(xiàn)功率的雙向變換。

以LLC拓?fù)錇榛A(chǔ)，關(guān)于功率雙向變換技術(shù)的改進(jìn)型拓?fù)溲芯繀s十分有限。在文獻(xiàn)[22]中，提出了一種可雙向功率變換CLLC變換器，但CLLC變換器的增益調(diào)節(jié)能力仍然不太理想。在文獻(xiàn)[23]中，同樣提出了CLTC雙向多諧振變換器，得到了較高的效率同時(shí)拓寬了增益輸出范圍。但是，存在散熱不佳、參數(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜等問題，并且變換器的潛力仍然未完全開發(fā)，具有進(jìn)一步的研究探索空間。綜上所述，現(xiàn)有的DC-DC變換器仍面臨許多問題需要克服。

因此，本文在文獻(xiàn)[23]基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種新型的CDT-LC變換器。它使得變換器的增益特性進(jìn)一步提升同時(shí)兼顧較高的運(yùn)行效率，使得變換器在更窄的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬范圍的輸出電壓調(diào)節(jié)，適用于分布式儲(chǔ)能等場景。本文詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作模態(tài)；給出了CDT-LC的增益特性分析；對(duì)CDT-LC的損耗進(jìn)行了分析，并對(duì)SiC和Si器件進(jìn)行相關(guān)對(duì)比；通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性與樣機(jī)的性能；最后進(jìn)行相關(guān)結(jié)論的總結(jié)。

圖1 CDT-LC多諧振變換器拓?fù)?/p>

結(jié)論

本文提出了一種新型CDT-LC型多諧振軟開關(guān)雙向直流變換器。與傳統(tǒng)LLC拓?fù)湎啾?，具有軟開關(guān)特性高效的優(yōu)點(diǎn)并獲得更好的增益特性?？梢酝ㄟ^改變頻率在較窄的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較寬的電壓范圍輸出。此外，本文還對(duì)電路的工作模態(tài)、增益特性以及損耗分布情況進(jìn)行了詳細(xì)分析計(jì)算，以進(jìn)一步提高變換器的性能。最后，對(duì)一臺(tái)額定功率2.5kW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

2.5kW條件下，在65～130kHz的頻率范圍內(nèi)仍然可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)電壓增益在0.8～1.25的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。同時(shí)，變換器仍然能維持較高的效率，額定負(fù)載降壓最高96.5%，升壓最高96%，全負(fù)載范圍內(nèi)最高97%。寬增益范圍調(diào)節(jié)和高效的特性使變換器可以適用于多種應(yīng)用場合，特別是家庭儲(chǔ)能的應(yīng)用領(lǐng)域。