清華新聞網3月27日電 近日，國際電氣和電子工程師協會應用電力電子會議（IEEE APEC 2018）在美國聖安東尼奧召開。清華大學電機系孫凱副教授課題組的論文報告在本次大會上獲得了傑出報告獎（Outstanding Presentation Award）。
該論文報告題為「基於微小相移的CLLC諧振變換器同步整流策略」（A phase-shift-based synchronous rectification scheme for bi-directional high-step-down CLLC resonant converters），報導了該課題組在諧振型電力電子變換器同步整流技術方面的最新研究成果。
高宇澄碩士代表課題組做大會報告並領取傑出報告獎
CLLC（電容-電感-電感-電容）諧振變換器（圖1）是近年來受到廣泛關注的一種直流-直流電力電子變換器，其利用電感與電容之間的諧振現象，實現電力電子開關器件的零電壓開通和關斷，從而顯著提高電力電子變換器的效率。同時，通過調整諧振變換器中高頻變壓器的匝數比，它可以實現較高的輸入/輸出電壓變比。
然而，現時在大多數諧振變換器的設計中，功率輸出側電路仍依靠傳統二極體（或電力場效應管寄生的反並聯二極體）實現整流，而二極體導通時存在一定的管壓降，故在二極體內部會產生較大的損耗，影響變換器效率的進一步提升。此外，當需要從變換器輸出側向輸入側反饋能量時，二極體無法主動控制變換器中高頻變壓器勵磁電流的來源，這不僅會影響變換器的電壓輸出特性，而且當勵磁電流來源於低電壓側時，由於電流較大，勢必會增加導通損耗和電流應力。
圖1: CLLC諧振變換器拓撲結構
針對上述問題，課題組為CLLC諧振變換器設計了一種新型的同步整流策略，即通過主動控制場效應管的開關，取代二極體在電路中的功能。使用場效應管是因為在電力電子變換器中，傳輸相同的電流，場效應管的損耗顯著低於同等級的二極體。採用新型同步整流策略後，變換器的效率可以得到明顯的提升。不同於傳統的簡易同步整流策略，新型同步整流策略創造性地在低電壓側的電力電子開關控制信號中設置了一個微小的相移角（圖2所示）。其結果是，在電力電子開關的導通和關斷瞬態中，低電壓側電流被強制置零，保證勵磁電流的主要分量來源於高電壓側。這一方法不僅降低了低電壓側的電流應力和導通損耗，同時保證了功率雙向流動時變換器能具有相同的特性。
(a) 傳統簡易同步整流策略示意圖 (b) 新型同步整流策略示意圖
圖2: 傳統簡易同步整流策略與新型同步整流策略的對比示意圖
課題組通過實驗驗證發現，採用新型同步整流策略可以為變換器帶來4~6%的效率提升（圖3所示），意味著電力電子開關器件損耗產生的總發熱量可減少50%。相比於傳統的簡易同步整流策略，新型同步整流策略不僅進一步將效率提升了一個百分點（總發熱量進一步減少25%），並且擁有更大的電壓調節範圍，實現了功率雙向流動的對稱性。此外，課題組的這一研究成果，對於電路更簡單、應用更廣泛的LLC（電感-電感-電容）諧振變換器同樣適用。
圖3: CLLC諧振變換器效率測試曲線
上述研究成果可廣泛應用於各類需要功率雙向傳輸的工業與民用領域，如電池儲能系統、電動汽車充放電、燃料電池發電與電解制氫裝置等。
該項研究工作由清華大學電機系孫凱副教授課題組完成，科研助理高宇澄為第一作者，孫凱副教授為通訊作者。
應用電力電子會議（IEEE APEC）是電力電子學科最高級別的國際會議暨展覽，每年3月在美國召開。2018年與會的專家學者和企業代表超過了3000人，來自全世界電力電子行業的280餘家企業參加了會議期間的工業展覽。
供稿：電機系 編輯：華山