- 头条谐振开关电容变换器中硬开通问题导语北京交通大学电气工程学院的研究人员王淼、杨晓峰、郑琼林，在2019年《电工技术学报》增刊1上撰文指出，谐振开关电容变换器（RSCC）凭借高功率密度和高效率的性能得以被广泛研究。理想情况下其谐振电流从零开始缓慢增大，使开关器件实现了零电流开通，但由于变换器的寄生参数影响，谐振电流不可避免地会产生电流尖峰或电流阶跃等硬开通问题，增加了RSCC开通损耗，并影响其安全运行。 为解决上述问题，在建立数学模型的基础上，分析RSCC硬开通与脉冲调制、寄生参数之间的关系，并提出相应的解决方案。最后，搭建仿真模型和实验平台对上述理论和解决方案进行验证，实验结果表明提出的方案能够有效解决硬开通问题，进而提高了变换器的效率和安全性。
随着电力电子技术不断进步，直流电能变换逐渐向高功率密度、高效率等方向发展。而传统的直流变换器，如Buck变换器、Boost变换器等，普遍采用电感、变压器等磁性元件来传递能量，体积大、功率密度低。同时，这类变换器多工作在硬开关状态，开关损耗大、效率低。
为提高直流变换器性能，各种新型变换器被不断提出，如开关电容变换器无需磁性元件，仅通过开关器件和电容传递能量，进而提高了变换器的功率密度。谐振变换器通过谐振单元（即谐振电感和谐振电容）来传递能量，使开关器件工作在软开关状态，有效地降低了开关损耗、提高了变换器的效率。
- 有学者提出了谐振开关电容变换器（Resonant Switched Capacitor Converter, RSCC），采用谐振单元替换开关电容变换器的充放电电容，即在保证变换器功率密度的同时，又引入软开关状态来提高效率，因此RSCC凭借其高功率密度、高效率性能而得到广泛的研究。
- 有学者提出了基于RSCC的电压均衡电路，适用于电池组或多电平逆变器中直流支撑电容的均压管理，以及解决光伏电源的局部遮光问题。
- 有学者提出了基于RSCC的新型DC-DC变换器，应用于能量单向流动的高电压比直流变换场合。
- 有学者提出了基于RSCC的多电平DC-DC变换器，应用于列车辅助供电系统或直流配电网。
- 有学者提出了基于RSCC的直流自耦变压器牵引供电系统，用于解决城市轨道交通中的迷流和轨道电位等问题。
但传统控制下RSCC电压比由电路的拓扑形式决定，其输出电压调节能力比较差。因此为提高RSCC性能，各种PWM控制策略得以提出和研究。
- 有学者提出了RSCC占空比控制，通过调整PWM占空比实现输出电压调节。
- 有学者提出了RSCC单周控制以提高RSCC动态响应和抗电源干扰强。
但上述控制策略均增大了RSCC开关损耗，为此文献[16-17]分别提出了RSCC移相控制和新型闭环控制，这些策略均保证变换器具有良好的输出电压调节能力，且所有开关管均实现软开关。
传统控制与新型PWM控制下RSCC，在理想谐振时电流或电压均从零开始缓缓上升，从而实现了开关器件软开通。但由于变换器的寄生参数影响，RSCC不可避免地存在硬开通问题，有学者的研究文献中谐振电流出现电流尖峰及高频振荡现象。
有学者的研究文献中谐振电流出现电流阶跃现象。电流尖峰或电压阶跃等硬开通问题均增大了变换器的开关损耗，影响其安全运行。并且随着开关频率的提高和寄生参数的增大，上述硬开通问题将严重影响着变换器的效率及安全运行，为此分析并解决该问题对于RSCC的实际应用尤为重要。
考虑到RSCC结构的多样性和复杂性，本文以有关学者提出的RSCC拓扑应用在大功率场合为例进行分析，此时RSCC中开关器件选用IGBT而非MOSFET，即开关频率较低。本文详细地分析了电流尖峰和电流阶跃等硬开通问题的产生原因，推导了RSCC硬开通与脉冲调制、寄生参数之间的关系，并提出对应的解决方案；同时本文搭建RSCC仿真模型和大容量实验平台，对提出的硬开通问题及其解决方案进行验证。
图1 RSCC拓扑
总结
本文研究了RSCC谐振电流存在的电流尖峰或电流阶跃等硬开通问题，通过构建数学模型，分析异常工作状态的起因，并提出了相应的解决方案。同时，仿真和实验结果表明：
- 1）谐振电感的并联寄生电容是造成电流尖峰问题的主要原因，而开关管或二极管的结电容是造成电流阶跃问题的主要原因。
- 2）通过降低谐振电感的并联寄生电容及采用本文提出的优化PWM控制等措施，可以有效地解决电流尖峰或电流阶跃等硬开通问题，进而提高变换器的效率，保证变换器的安全运行。
