采用辅助变压器的可调压谐振零电压零电流开关变换器

李彬彬; 王志远; 张丙旭; 赵晓东; 徐殿国

doi:10.7500/AEPS20210811005

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采用辅助变压器的可调压谐振零电压零电流开关变换器

研制与开发 | 更新时间：2025-06-16

- 采用辅助变压器的可调压谐振零电压零电流开关变换器
- Voltage-regulatable Resonant Zero-voltage Zero-current Switching Converter with Auxiliary Transformer
- 电力系统自动化 2022年46卷第7期页码：160-169
- 作者机构：
  
  哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江省哈尔滨市 150001
- 作者简介：
  
  李彬彬(1989—)，男，通信作者，博士，副教授，博士生导师，主要研究方向：柔性直流输电技术、可再生能源发电技术、模块化多电平技术等。E-mail：libinbin@hit.edu.cn
  王志远(1998—)，男，硕士研究生，主要研究方向：电力系统柔性一次设备。E-mail：20S006086@stu.hit.edu.cn
  张丙旭(1998—)，男，硕士研究生，主要研究方向：电力系统柔性一次设备。E-mail：20S006081@stu.hit.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金国际（地区）合作与交流项目(51720105008)
- DOI：10.7500/AEPS20210811005
  中图分类号：
- 收稿：2021-08-11，
  
  修回：2021-11-29，
  
  网络出版：2022-02-21，
  
  纸质出版：2022-04-10
- 稿件说明：
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李彬彬,王志远,张丙旭等.采用辅助变压器的可调压谐振零电压零电流开关变换器[J].电力系统自动化,2022,46(7):160-169.

LI Binbin,WANG Zhiyuan,ZHANG Bingxu,et al.Voltage-regulatable Resonant Zero-voltage Zero-current Switching Converter with Auxiliary Transformer[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(7):160-169.
李彬彬,王志远,张丙旭等.采用辅助变压器的可调压谐振零电压零电流开关变换器[J].电力系统自动化,2022,46(7):160-169. DOI： 10.7500/AEPS20210811005.

LI Binbin,WANG Zhiyuan,ZHANG Bingxu,et al.Voltage-regulatable Resonant Zero-voltage Zero-current Switching Converter with Auxiliary Transformer[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(7):160-169. DOI： 10.7500/AEPS20210811005.

摘要

针对LLC谐振变换器在新能源、储能、数据中心、电力电子变压器等直流配电网大功率应用场景中所存在的调压困难问题，提出了一种采用辅助变压器的可调压谐振零电压零电流开关(ZVZCS)变换器。所提变换器在传统LLC谐振变换器的基础上增加了辅助变压器和辅助半桥，通过调整辅助半桥和一次侧全桥之间的移相角可以调整辅助变压器参与升压的时间，在保证主开关管软开关的前提下实现了调压功能，同时实现了辅助开关管的零电压开通。文中详细介绍了变换器的电路结构、工作原理、参数设计过程。通过100 kW仿真模型对所提拓扑的原理以及参数设计的正确性进行验证，仿真结果表明，与传统LLC谐振变换器相比，所提变换器在大功率场景下具有更优的效率。最后，搭建了2.5 kW实验样机对所提拓扑进行了有效性验证。

Abstract

To overcome the difficulty of voltage regulation of the LLC resonant converter in the high-power application scenarios of DC distribution network

such as renewable energy sources

energy storage

data center

power electronic transformer

this paper proposes a voltage-regulatable resonant zero-voltage zero-current switching (ZVZCS) converter with an auxiliary transformer. The auxiliary transformer and auxiliary half bridge are added in the proposed converter based on the traditional LLC resonant converter. The duration that the auxiliary transformer participates in the boost can be adjusted by changing the phase-shifting angle between the auxiliary half bridge and the primary-side full bridge. Thus

the voltage regulation function is realized on the premise of ensuring the soft switching of the main switch

and the auxiliary switches can realize zero-voltage turn-on. The circuit structure

working principle and parameter design process of the converter are described in detail. The principle of the proposed topology and the correctness of the parameter design are verified through a 100 kW converter simulation model. The simulation results show that the proposed converter has better efficiency in the high-power scenario than the traditional LLC resonant converter. Finally

a 2.5 kW experimental prototype is built to verify the effectiveness of the proposed topology.

关键词

Keywords

references

国家能源局 . 2020年全国电力工业统计数据［EB/OL］.（ 2021-01-20 ）［ 2021-07-20 ］. http：//www.nea.gov.cn/2021-01/20/c_139683739.htm http://www.nea.gov.cn/2021-01/20/c_139683739.htm .

National Energy Administration . Statistical data of national power industry in 2020 ［EB/OL］.（ 2021-01-20 ）［ 2021-07-20 ］. http：//www.nea.gov.cn/2021-01/20/c_139683739.htm http://www.nea.gov.cn/2021-01/20/c_139683739.htm .

工业和信息化部 . 全国数据中心应用发展指引（2020）［M］. 北京：人民邮电出版社， 2021 .

Ministry of Industry and Information Technology . National data center application development guidelines （2020）［M］. Beijing ： The People’s Posts and Telecommunications Press ， 2021 .

中国电动汽车充电基础设施促进联盟 . 2020—2021年度中国充电基础设施发展报告［R/OL］.［ 2021-08-01 ］. https：//mp.weixin.qq.com/s/8SxR-xLim70ra3ZOp_tMpQ https://mp.weixin.qq.com/s/8SxR-xLim70ra3ZOp_tMpQ .

China Electric Vehicle Charging Infrastructure Promotion Alliance . China charging infrastructure development report 2020 - 2021 ［R/OL］. ［ 2021-08-01 ］. https：//mp.weixin.qq.com/s/8SxR-xLim70ra3ZOp_tMpQ https://mp.weixin.qq.com/s/8SxR-xLim70ra3ZOp_tMpQ .

陈红坤，夏方舟，袁栋，等 . 直流配电网中含光伏的电动汽车快速充电站优化配置方案［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 16 ）： 53 - 60 .

CHEN Hongkun ， XIA Fangzhou ， YUAN Dong ， et al . Optimal configuration scheme of fast electric vehicle charging station with photovoltaic in DC distribution network ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 16 ）： 53 - 60 .

熊雄，季宇，李蕊，等 . 直流配用电系统关键技术及应用示范综述［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 23 ）： 6802 - 6813 .

XIONG Xiong ， JI Yu ， LI Rui ， et al . An overview of key technology and demonstration application of DC distribution and consumption system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 23 ）： 6802 - 6813 .

胡鹏飞，朱乃璇，江道灼，等 . 柔性互联智能配电网关键技术研究进展与展望［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 8 ）： 2 - 12 .

HU Pengfei ， ZHU Naixuan ， JIANG Daozhuo ， et al . Research progress and prospects of key technologies of flexible interconnected smart distribution network ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 8 ）： 2 - 12 .

KIM J W ， KIM D Y ， KIM C E ， et al . A simple switching control technique for improving light load efficiency in a phase-shifted full-bridge converter with a server power system ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2014 ， 29 （ 4 ）： 1562 - 1566 .

CHEN Z ， LIU S S ， SHI L C . A soft switching full bridge converter with reduced parasitic oscillation in a wide load range ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2014 ， 29 （ 2 ）： 801 - 811 .

PAHLEVANINEZHAD M ， DAS P ， DROBNIK J ， et al . A novel ZVZCS full-bridge DC/DC converter used for electric vehicles ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2012 ， 27 （ 6 ）： 2752 - 2769 .

陈仲伟，李奎，程怡捷，等 . ZV-ZCS DC/DC移相全桥变换器拓扑与设计［J］. 湖南大学学报（自然科学版）， 2021 ， 48 （ 8 ）： 103 - 113 .

CHEN Zhongwei ， LI Kui ， CHENG Yijie ， et al . Topology and design of ZV-ZCS DC/DC phase- shifted full-bridge converter ［J］. Journal of Hunan University （Natural Sciences）， 2021 ， 48 （ 8 ）： 103 - 113 .

HUANG D . Investigation of topology and integration for multi-element resonant converters ［D］. Blacksburg， USA ： Virginia Polytechnic Institute and State University ， 2013 .

ZHANG J M ， ZHANG F ， XIE X G ， et al . A novel ZVS DC/DC converter for high power applications ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2004 ， 19 （ 2 ）： 420 - 429 .

刘松斌，费跃，段志伟 . 新型移相全桥零电压开关PWM变换器［J］. 电工技术学报， 2011 ， 26 （增刊1 ）： 1 - 7 .

LIU Songbin ， FEI Yue ， DUAN Zhiwei . Novel shift-phase full-bridge converter with zero-voltage switching ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2011 ， 26 （ Supplement 1 ）： 1 - 7 .

张强，林维明，徐玉珍 . 一种用耦合电感实现零电压零电流开关的移相全桥变换器［J］. 电工技术学报， 2016 ， 31 （ 21 ）： 142 - 149 .

ZHANG Qiang ， LIN Weiming ， XU Yuzhen . A novel ZVZCS phase-shifted full-bridge converter with coupled inductor ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2016 ， 31 （ 21 ）： 142 - 149 .

李宇，张鑫蕊，税朝会，等 . 基于双主动全桥双向DC/DC变换器的混合单移相调制方案［J/OL］. 电源学报： 1 - 13 ［ 2021-07-20 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/12.1420.tm.20210716.1030.002.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/12.1420.tm.20210716.1030.002.html .

LI Yu ， ZHANG Xinrui ， SHUI Chaohui ， et al . Hybrid phase shift modulation scheme for dual active bridge bidirectional DC/DC converter ［J/OL］ Journal of Power Supply： 1 - 13 ［ 2021-07-20 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/12.1420.tm.20210716.1030.002.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/12.1420.tm.20210716.1030.002.html .

鲁静，同向前，张嘉翔，等 . L-LLC谐振型双向DC-DC变换器的复合最优轨迹控制策略研究［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （增刊1 ）： 60 - 69 .

LU Jing ， TONG Xiangqian ， ZHANG Jiaxiang ， et al . Research on the hybrid optimal control principle based on the L-LLC resonant bidirectional DC-DC converter ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ Supplement 1 ）： 60 - 69 .

何圣仲，代东雷，周柬成 . 一种多模式变频宽输出LLC变换器［J］. 电机与控制学报， 2021 ， 25 （ 2 ）： 1 - 9 .

HE Shengzhong ， DAI Donglei ， ZHOU Jiancheng . Multi-mode variable frequency wide output LLC converter ［J］. Electric Machines and Control ， 2021 ， 25 （ 2 ）： 1 - 9 .

李菊，阮新波 . 全桥LLC谐振变换器的混合式控制策略［J］. 电工技术学报， 2013 ， 28 （ 4 ）： 72 - 79 .

LI Ju ， RUAN Xinbo . Hybrid control strategy of full bridge LLC converters ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2013 ， 28 （ 4 ）： 72 - 79 .

YANG Bo . Topology investigation for front end DC/DC power conversion for distributed power system ［D］. Blacksburg， USA ： Virginia Polytechnic Institute and State University ， 2003 ： 95 - 96 .

DINCAN C ， KJAER P ， CHEN Y H ， et al . Analysis of a high-power， resonant DC-DC converter for DC wind turbines ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2018 ， 33 （ 9 ）： 7438 - 7454 .

周国华，范先焱，许多，等 . 具有宽范围输入和高效率的改进型LLC谐振变换器［J］. 电机与控制学报， 2020 ， 24 （ 10 ）： 9 - 18 .

ZHOU Guohua ， FAN Xianyan ， XU Duo ， et al . Improved LLC resonant converter with wide range input and high efficiency ［J］. Electric Machines and Control ， 2020 ， 24 （ 10 ）： 9 - 18 .

BAI C ， HAN B ， KWON B H ， et al . Highly efficient bidirectional series-resonant DC/DC converter over wide range of battery voltages ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2020 ， 35 （ 4 ）： 3636 - 3650 .

LIU F ， ZHOU G J ， RUAN X B ， et al . An input-series-output-parallel converter system exhibiting natural input-voltage sharing and output-current sharing ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2021 ， 68 （ 2 ）： 1166 - 1177 .

LABELLA T ， YU W S ， LAI J S ， et al . A bidirectional-switch-based wide-input range high-efficiency isolated resonant converter for photovoltaic applications ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2014 ， 29 （ 7 ）： 3473 - 3484 .

杨东江，段彬，丁文龙，等 . 一种带辅助双向开关单元的宽输入电压范围LLC谐振变换器［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （ 4 ）： 775 - 785 .

YANG Dongjiang ， DUAN Bin ， DING Wenlong ， et al . An improved LLC resonant converter with auxiliary Bi-directional switch for wide-input-voltage range applications ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ 4 ）： 775 - 785 .

KHAN S ， SHA D S ， JIA X S ， et al . Resonant LLC DC-DC converter employing fixed switching frequency based on dual-transformer with wide input-voltage range ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 1 ）： 607 - 616 .

NING G F ， CHEN W ， SHU L C ， et al . Hybrid resonant ZVZCS PWM full-bridge converter for large photovoltaic parks connecting to MVDC grids ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2017 ， 5 （ 3 ）： 1078 - 1090 .

潘志新，宁光富，袁栋，等 . 基于双变压器的复合式谐振三电平零电流开关变换器［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 11 ）： 135 - 143 .

PAN Zhixin ， NING Guangfu ， YUAN Dong ， et al . Dual transformer based hybrid resonant three-level converter with zero-current switching ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 11 ）： 135 - 143 .

ZHAO Xiaodong ， LI Binbin ， FU Qintian ， et al . DC solid state transformer based on three-level power module for interconnecting MV and LV DC distribution systems ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 2 ）： 1563 - 1577 .

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