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拓扑与电路 DC-DC变换器 LLC谐振 ★ 5.0

基于级联半桥概念的固态变压器LLC谐振DC-DC变换器优化设计

Optimal Design of a LLC Resonant DC-DC Converter Based on the Stacked Half-Bridge Concept for Solid-State Transformer

作者 Samuel S. Queiroz · Levy F. Costa
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年6月
技术分类 拓扑与电路
技术标签 DC-DC变换器 LLC谐振
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 固态变压器 模块化DC/DC级 LLC谐振变换器 多目标设计方法 堆叠半桥变换器
语言:

中文摘要

本文研究了两级固态变压器(SST)系统的直流/直流(DC/DC)级,该系统采用模块化方法实现,由多个电力电子积木(PEBB)以输入串联、输出并联(ISOP)的方式排列组成。每个PEBB基于一个作为直流变压器运行的 LLC 谐振变换器。本研究对模块化 DC/DC 级进行了深入分析,评估了将两电平(2L)变换器和堆叠半桥(HB)变换器作为 PEBB 的情况。本文提出了模块化 DC/DC 级的首个多目标设计方法,并对堆叠 HB 解决方案和 2L 解决方案进行了对比研究。此外,还论证并量化了堆叠 HB 概念相对于 2L 解决方案的优势。为验证理论分析并证明该变换器的可行性,本文给出了基于采用两个串联半桥的堆叠 HB 的 LLC 谐振变换器缩小比例实验室样机的实验结果,该样机额定电压为 750 - 1000 V,额定功率为 5 kW。该样机实现了 98.6%的效率。

English Abstract

This paper investigates the DC/DC stage of a two-stage solid-state transformer (SST) system, implemented using a modular approach with multiple power electronic building blocks (PEBBs) arranged in an input-series, output-parallel (ISOP) configuration. Each PEBB is based on an LLC resonant converter operating as a DC transformer. The study provides an in-depth analysis of the modular DC/DC stage, evaluating two-level (2 L) and stacked half-bridge (HB) converters as the PEBB. It presents the first multi-objective design methodology for the modular DC/DC stage and includes a comparative study between the stacked HB and 2 L solutions. Additionally, the advantages of the stacked HB concept over the 2 L solution are demonstrated and quantified. To validate the theoretical analysis and demonstrate the converter's feasibility, experimental results are presented using a down-scaled laboratory prototype of the LLC resonant converter based on the stacked HB using two series connected HBs, rated at 750–1000 V and 5 kW. The prototype achieved an efficiency of 98.6 % .
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这篇论文所提出的基于堆叠半桥拓扑的LLC谐振DC-DC转换器技术,对我们在固态变压器(SST)和高压储能系统领域具有重要的参考价值。

该研究采用模块化功率电子构建块(PEBB)的输入串联-输出并联(ISOP)架构,这与我们在大功率储能变流器和光伏逆变器中追求的模块化、可扩展设计理念高度契合。特别是堆叠半桥方案相比传统两电平拓扑的优势,可直接应用于我们1500V及以上高压光伏系统和大型储能PCS产品的DC/DC隔离级设计中。98.6%的高效率表现符合我们对系统级能效优化的严格要求,有助于降低LCOE并提升产品竞争力。

从技术成熟度评估,LLC谐振转换器本身是成熟技术,但堆叠半桥在SST中的应用仍处于工程化阶段。论文提供的多目标设计方法论对我们开发下一代高压大功率产品具有实践指导意义,特别是在电压应力分配、磁性元件优化和热管理方面。

技术挑战主要集中在:多模块间的均压均流控制、高频磁性元件在量产中的一致性保证、以及系统在宽负载范围内的效率优化。但这也为我们带来机遇——通过掌握这种先进拓扑,可在固态变压器、光储充一体化系统、以及工商业储能等高端应用场景中建立技术壁垒。建议我们的研发团队深入研究其控制策略和工程实现细节,评估在ST2750KWH-MV等中高压储能产品中的应用可行性,推动产品向更高功率密度和效率方向演进。