隨著電力電子技術(shù)不斷進(jìn)步，直流電能變換逐漸向高功率密度、高效率等方向發(fā)展。而傳統(tǒng)的直流變換器，如Buck變換器、Boost變換器等，普遍采用電感、變壓器等磁性元件來(lái)傳遞能量，體積大、功率密度低。同時(shí)，這類(lèi)變換器多工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗大、效率低。

為提高直流變換器性能，各種新型變換器被不斷提出，如開(kāi)關(guān)電容變換器無(wú)需磁性元件，僅通過(guò)開(kāi)關(guān)器件和電容傳遞能量，進(jìn)而提高了變換器的功率密度。諧振變換器通過(guò)諧振單元（即諧振電感和諧振電容）來(lái)傳遞能量，使開(kāi)關(guān)器件工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，有效地降低了開(kāi)關(guān)損耗、提高了變換器的效率。

• 有學(xué)者提出了諧振開(kāi)關(guān)電容變換器（Resonant Switched Capacitor Converter, RSCC），采用諧振單元替換開(kāi)關(guān)電容變換器的充放電電容，即在保證變換器功率密度的同時(shí)，又引入軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)提高效率，因此RSCC憑借其高功率密度、高效率性能而得到廣泛的研究。
• 有學(xué)者提出了基于RSCC的電壓均衡電路，適用于電池組或多電平逆變器中直流支撐電容的均壓管理，以及解決光伏電源的局部遮光問(wèn)題。
• 有學(xué)者提出了基于RSCC的新型DC-DC變換器，應(yīng)用于能量單向流動(dòng)的高電壓比直流變換場(chǎng)合。
• 有學(xué)者提出了基于RSCC的多電平DC-DC變換器，應(yīng)用于列車(chē)輔助供電系統(tǒng)或直流配電網(wǎng)。
• 有學(xué)者提出了基于RSCC的直流自耦變壓器牽引供電系統(tǒng)，用于解決城市軌道交通中的迷流和軌道電位等問(wèn)題。

但傳統(tǒng)控制下RSCC電壓比由電路的拓?fù)湫问經(jīng)Q定，其輸出電壓調(diào)節(jié)能力比較差。因此為提高RSCC性能，各種PWM控制策略得以提出和研究。

• 有學(xué)者提出了RSCC占空比控制，通過(guò)調(diào)整PWM占空比實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)。
• 有學(xué)者提出了RSCC單周控制以提高RSCC動(dòng)態(tài)響應(yīng)和抗電源干擾強(qiáng)。

但上述控制策略均增大了RSCC開(kāi)關(guān)損耗，為此文獻(xiàn)[16-17]分別提出了RSCC移相控制和新型閉環(huán)控制，這些策略均保證變換器具有良好的輸出電壓調(diào)節(jié)能力，且所有開(kāi)關(guān)管均實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。

傳統(tǒng)控制與新型PWM控制下RSCC，在理想諧振時(shí)電流或電壓均從零開(kāi)始緩緩上升，從而實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)器件軟開(kāi)通。但由于變換器的寄生參數(shù)影響，RSCC不可避免地存在硬開(kāi)通問(wèn)題，有學(xué)者的研究文獻(xiàn)中諧振電流出現(xiàn)電流尖峰及高頻振蕩現(xiàn)象。

有學(xué)者的研究文獻(xiàn)中諧振電流出現(xiàn)電流階躍現(xiàn)象。電流尖峰或電壓階躍等硬開(kāi)通問(wèn)題均增大了變換器的開(kāi)關(guān)損耗，影響其安全運(yùn)行。并且隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高和寄生參數(shù)的增大，上述硬開(kāi)通問(wèn)題將嚴(yán)重影響著變換器的效率及安全運(yùn)行，為此分析并解決該問(wèn)題對(duì)于RSCC的實(shí)際應(yīng)用尤為重要。

考慮到RSCC結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性，本文以有關(guān)學(xué)者提出的RSCC拓?fù)鋺?yīng)用在大功率場(chǎng)合為例進(jìn)行分析，此時(shí)RSCC中開(kāi)關(guān)器件選用IGBT而非MOSFET，即開(kāi)關(guān)頻率較低。本文詳細(xì)地分析了電流尖峰和電流階躍等硬開(kāi)通問(wèn)題的產(chǎn)生原因，推導(dǎo)了RSCC硬開(kāi)通與脈沖調(diào)制、寄生參數(shù)之間的關(guān)系，并提出對(duì)應(yīng)的解決方案；同時(shí)本文搭建RSCC仿真模型和大容量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)提出的硬開(kāi)通問(wèn)題及其解決方案進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 RSCC拓?fù)?/p>

總結(jié)

本文研究了RSCC諧振電流存在的電流尖峰或電流階躍等硬開(kāi)通問(wèn)題，通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，分析異常工作狀態(tài)的起因，并提出了相應(yīng)的解決方案。同時(shí)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

• 1）諧振電感的并聯(lián)寄生電容是造成電流尖峰問(wèn)題的主要原因，而開(kāi)關(guān)管或二極管的結(jié)電容是造成電流階躍問(wèn)題的主要原因。
• 2）通過(guò)降低諧振電感的并聯(lián)寄生電容及采用本文提出的優(yōu)化PWM控制等措施，可以有效地解決電流尖峰或電流階躍等硬開(kāi)通問(wèn)題，進(jìn)而提高變換器的效率，保證變換器的安全運(yùn)行。