传统两级式Buck+DCX变换器拓扑由于其结构简单，并且控制简便而被广泛地应用在宽电压增益的直流电能变换场合中。但是两级式拓扑结构导致系统整体的转换效率偏低，并且拓扑开关数量较多，增加了系统成本。

中南大学电力电子与可再生能源研究所的陈孝莺、许国、韩华、熊文静和粟梅在2022年第24期《电工技术学报》上撰文，利用开关复用技术将传统两级式Buck+DCX变换器拓扑集成为单级式拓扑结构，并提出了相应的电流断续调制策略以实现电压增益调节，以解决传统两级式拓扑结构转换效率低以及开关数量多的问题。

所提出变换器采用定频脉冲宽度调制控制，其在一次侧桥臂增加了辅助电感和辅助电容，通过调节一次侧桥臂驱动信号的占空比可以改变桥臂中点之间的电压幅值，继而可以调节变换器的电压增益。通过合理的参数设计，变换器的谐振电流工作在断续模式，因此不存在无功电流。同时，该变换器的所有开关管皆可实现软开关，减小了开关损耗。

研究人员首先对变换器的工作原理及开关模态进行了分析。然后结合变换器的工作特性，推导了变换器的电压转换增益、软开关条件以及断续工作的条件，并且提出了一种参数设计方法。最后，研制了一台实验样机来验证所提出变换器的可行性和理论分析的正确性。

近年来，随着新能源产业的发展，电力电子变换装置遇到了更高的挑战，越来越多的研究工作者开展了大量的研究以追求变换器的高功率、高转换效率以及高功率密度。而直流变换器作为电能变换中重要的环节也成为了研究中的重点。

直流变换器可以分为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）型变换器和谐振型变换器。PWM型直流变换器有常见的Buck、Boost、正激、反激和推挽等变换器，其通过调制PWM信号以实现电压增益的控制。但这些变换器通常难以实现软开关，因而影响其转换效率。常见的谐振型变换器有LC和LLC变换器等，由于LLC谐振变换器能够实现全负载范围零电压开通（Zero Voltage Switching, ZVS）和零电流关断（Zero Current Switching, ZCS），并且具有较高的转换效率而得到了广泛的应用。

传统LLC谐振变换器通常采用变频率调制（Pulse Frequency Modulation, PFM）来实现电压增益的调节。同时，为了满足LLC谐振变换器较宽的电压增益范围，通常为变压器设计较小的励磁电感，这会导致变换器在运行时具有较大的环流，从而影响其转换效率。并且变频率控制会增大变换器磁性元器件的设计难度，增加磁芯的损耗。

为了提高变换器的性能，亦有研究工作者将Buck变换器和谐振变换器进行串联连接，其拓扑如图1（a）所示。其中LLC变换器工作在谐振工作点（DCX运行模式），以实现电气隔离以及高效率的电能变换，并采用Buck变换器进行调压，但是两级式结构导致系统转换效率偏低，同时开关数量较多。

图1 所提结构与传统两级式拓扑结构对比

中南大学电力电子与可再生能源研究所的科研人员为解决传统拓扑的问题，利用开关复用技术提出了一种基于脉宽调制的电流断续型谐振变换器，其拓扑结构如图1（b）所示。如图所示，该变换器在一次侧桥臂上增加了辅助电感La与辅助电容Ca，并与开关管S1和S2组成Buck电路。同时，开关管S1和S2作为复用的开关也组成DCX级的原边开关桥臂。

该变换器采用定频PWM控制，其主要工作波形如图2（a）所示。通过调节一次侧开关管的驱动信号的占空比D可以调节Buck级输出电容Ca的电压，然后一次侧桥臂中点之间的电压幅值vAB也随之改变，继而可以调节变换器电压增益。

研究人员发现通过合理的参数设计可以使得变换器的谐振电流工作在断续模式，因此谐振变换器可以工作在单位电压增益，并且谐振腔中不存在无功电流。同时，变换器的所有开关管皆可实现软开关，有助于减小开关损耗。图2（b）所示为所提出变换器的电压增益曲线，由图可知，所提出变换器可以通过调节占空比的大小可以实现两倍的电压增益范围。

图2 变换器工作波形及其电压增益曲线

图3 变换器实验样机

最后，研究人员通过设计一台1000W的实验样机来验证理论可行性，该实验样机如图3所示。他们通过综合实验结果总结出所提出变换器对比传统方案具备以下优势：

1）谐振电流工作在断续模式，因此谐振腔中不包含无功电流。同时，断续的电流有助于开关管实现零电流开通与关断。

2）采用定频PWM调制，只需要改变占空比即可调节变换器的电压增益，易于控制与实现。

3）不需要增加额外的开关管，只要增加无源元件La与Ca。同时，辅助电感La有助于实现部分开关的零电压开通。

研究团队介绍

研究人员隶属于中南大学电力电子与可再生能源研究所。该研究所成立于2004年，团队负责人为粟梅教授。研究所现有教授3人、副教授7人、讲师4人。多年来坚持面向绿色能源、节能减排、高质量发展的国家重大需求和世界科技前沿，研究特色鲜明、学术优势明显，快速发展形成了一支以中青年人才为主，包括863首席专家、国家杰青、国家优青、湖南省科技创新领军人才、湖南省杰青、湖湘青年英才和长沙市杰青等各层次人才的创新型研究团队。

团队已发表国际知名SCI期刊论文200余篇，其中含110余篇IEEE Transactions汇刊论文和10余篇ESI高被引论文；获授权发明专利100余项；获湖南省自然科学一等奖、江苏省科学技术一等奖、教育部自然科学二等奖、中国有色金属工业科学技术一等奖、湖南省创新团队奖等省部级奖励共计7项。

该工作发表论文的通讯作者为中南大学许国副教授、博士生导师，电气工程系科研副主任。近年来，获指挥与控制学会优秀博士论文奖，获中国电源学会技术发明二等奖，获北京理工大学优秀博士论文奖。主持国家自然科学基金项目2项，主持湖南省重点研发项目1项，主持多项校企联合合作项目。出版springer英文专著1部，在国内外发表论文60余篇，其中以第一/通讯作者发表高水平国际级SCI期刊论文38篇（含IEEE Transaction 系列29篇），授权专利20余项，曾多次受邀担任国际会议分会场主席并做主题报告，主要从事电动汽车、光伏、储能等新能源领域方面的电力电子变换及其控制技术研究，受到国内外同行广泛关注和引用。

本文编自2022年第24期《电工技术学报》，论文标题为“基于脉宽调制的电流断续型谐振变换器”。本课题得到中央高校基本科研业务费专项、国家自然科学基金青年科学基金和电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室开放课题资助项目。