1.3.3　单级高频链AC/DC变换器

在动力电池充电领域，目前普遍应用的锂电池充电方式主要为两段式直流充电方式[119,158-159]，包括恒流阶段和恒压阶段，如图1-13所示。但直流充电模式通常需使用大容值的中间母线电解电容补偿单相交流输入时产生的两倍工频脉动功率。然而电解电容的寿命较短，耐高温性能较差，在车载场合中应用会带来安全性和可靠性问题。

图1-13　恒压／恒流充电与正弦波充电技术对比[91]

为了减小中间母线电容的容值，国内外已经有一些学者针对锂电池的正弦波充电方式进行了研究。正弦波充电的原理如图1-13所示。R.Prasad等[160]和S.Bala等[161]指出，相比于恒流充电方式，对电池进行长期的正弦波充放电并没有加速电池老化，真正对电池寿命有较大影响的是大倍率的充放电电流，而采用正弦波充电时电池容量的衰减程度反而小于恒流充电的方式。Kim等[162]的实验结果显示，在800次充放电循环之后，采用恒流充电的电池容量衰减反而比采用正弦波充电的电池容量衰减高，各自的电池容量衰减分别为4.2%和3.9%。

在正弦波充电场合下，变换器可分为两级式架构和单级式架构，如图1-14所示[152]。在两级式架构中，母线电容仅作为滤波使用，容值较小。顾东杰[90]研究了无桥PFC级联LLC变换器的拓扑结构，而Xue等[163]研究了全桥AC/DC变换器级联DAB变换器的解决方案。这种两级式方案需要同时协调控制前后级变换器，从而稳定直流母线电压，其控制方式较为复杂。与上述两级式拓扑相比，单级隔离型AC/DC变换器具有高频开关器件数目少、功率密度高的优点[135,164-166]。同时，单级变换器启动时一般不会出现冲击电流问题[167]，控制也更加简单，是高频隔离功率闭环系统重要的研究方向。

图1-14　正弦波充电架构

（a）两级式隔离型AC/DC变换器；（b）单级式隔离型AC/DC变换器

单级隔离型AC/DC变换器也可称为高频链AC/DC变换器。基于DAB的单级隔离型AC/DC变换器主要可以分为直接式矩阵变换器（direct matrix converter, DMC）结构和间接式矩阵变换器（indirect matrix converter, IMC）结构两类[168]。其中，DMC结构交流侧需要双向开关，将低频交流变换成高频交流之后通过高频变压器进行隔离。文献[169-171]对如图1-15（a）所示基于DMC结构的单相高频链AC/DC变换器进行了研究，提出了一种开环功率因数校正的控制方法，并给出了实现原副边器件软开关的调制方式。许湛扬[172]研究了基于谐振变换器的DMC结构高频链AC/DC变换器。文献[135，164，166，173]对基于DAB的DMC结构三相高频链AC/DC变换器进行了研究。

对于基于DAB的IMC结构高频链AC/DC变换器，其拓扑结构如图1-15（b）所示。其中，整流环节采用工频开关管，滤波环节用于滤除高频开关纹波，因此电感电容值较小，变换器易于实现较高的功率密度。相比于图1-15（a）中的DMC结构，IMC结构中高频开关器件更少。文献[137，174]研究了该变换器的控制方法，并提出了基于结电容电荷的优化零电压开关（zero voltage switching, ZVS）调制策略，但该控制系统设计较为复杂。文献[165，175，176]对单相和三相的IMC结构高频链AC/DC变换器进行了一系列研究，主要侧重对调制方式的优化，并设计了基于GaN的模块化大功率样机。

图1-15　基于DAB的高频链AC/DC变换器

（a）DMC结构高频链AC/DC变换器；（b）IMC结构高频链AC/DC变换器

本书第7章将讨论IMC结构高频链AC/DC变换器的控制方法，降低交流端口电流的畸变。