1.2.2　宽电压增益范围高频隔离变换器

宽增益范围的隔离型直流变换器在新能源发电、电动汽车车载DC/DC变换器、通信电源等系统中有着广泛而重要的应用。对于电动汽车的车载DC/DC变换器，一个显著特点是输入电压范围宽。以特斯拉Model S 85的电动汽车为例，其采用的18650型钴酸锂电池的放电终止电压为2.75 V，充电终止电压为4.2 V，动力电池单元的电压变化范围为264~403.2 V。而低压蓄电池的电压也同样有较宽的变化范围，如Powerland公司的产品中[111]，适应的低压侧电压范围为24~28.8 V；文献[71]和[97]的研究中，低压侧电压范围为11~16 V。由上可见，宽电压增益范围的隔离型变换器在各种场合有着巨大的应用需求。

在常规应用中，调频控制LLC谐振变换器的电压增益范围通常可以达到2倍[93]，DAB变换器也可以在一定电压增益范围内保持较高效率[112]。在一些要求电压增益范围达到3倍甚至4倍的应用场合，这两种变换器的直接应用都存在一定的局限性，因为此时变换器比较难以进行优化设计，变换效率也会降低。

为了适应输入电压的范围变化并且实现高频隔离，已有的解决方案中通常采用两级式级联型拓扑结构[113-115]，如图1-11所示。在级联型拓扑结构中，通常前级进行电压预调节，该变换器闭环工作，实现将宽范围的输入电压vin调节为固定或小范围变化的母线电压vbus；母线电压vbus经过后级的高频隔离变换器进行高频隔离和电压匹配，变成输出负载所需的电压vout。由于后级隔离环节几乎不参与电压调节，因此可以设计在最佳运行点，从而获得较高的转换效率。张珅华[116]对如图1-11所示的Boost变换器级联LLC谐振变换器进行了研究。庞振进[72]和Fu等[114]报道了Buck变换器级联LLC谐振变换器。

图1-11　两级式宽电压增益范围隔离型DC/DC变换器

（a）两级式宽范围隔离型DC/DC变换器原理图；（b）Boost+LLC两级式隔离型DC/DC变换器

随着电力电子技术的发展，DC/DC变换器更加趋向于集成化，变压器和电感、电容等无源元件的体积大幅缩小。在两级式解决方案中，无源器件尤其是磁性元件较多，不利于提高变换器的功率密度。预调节变换器通常为Buck变换或Boost变换器，由于不能实现软开关，而且功率需要经过两级处理，因此变换器效率相对较低。此外，为了稳定直流母线电压，防止级联系统产生振荡，通常需要容值较大的电解电容作为母线电容，这降低了系统的功率密度和可靠性。而单级宽电压增益范围变换器在减少元器件数目、降低系统复杂性和提升功率密度方面具有更好的潜力。

Sun等[117]对宽增益范围的单级多谐振变换器进行了研究，如图1-12（a）所示。这类变换器可实现谐振腔的分解和组合，得到多种工作模式，并通过优化不同模式下的工作状态，实现整个工作范围内的效率提升。但是这类拓扑谐振腔元件数目较多，优化设计较为困难；同时变换器的动态特性复杂，存在电压增益曲线不单调的情况。Jiang等[118]对如图1-12（b）所示的三电平LLC谐振变换器进行了研究，并提出了脉冲宽度与等效幅度调制，这种拓扑结构具有很宽的电压调节范围。但是这种拓扑结构并不是在传统LLC变换器的基础上进行简单的扩展，其存在软开关条件复杂、工作模式切换不连续等不足之处。如何在保持效率的情况下拓宽隔离型DC/DC变换器的电压增益范围成为电力电子技术领域重点关注的问题之一。

图1-12　宽电压增益范围LLC谐振变换器

（a）三桥臂分裂谐振腔LLC谐振变换器；（b）三电平LLC谐振变换器