基于堆叠半桥Sigma拓扑的高效宽输入范围高降压比变换器

《IEEE Open Journal of Power Electronics》：High-Efficiency Stacked Half-Bridge Sigma Topology for Wide Input Range and High Step-down Application

本文针对宽输入范围高降压应用中传统Sigma变换器存在的Buck变换器占空比过小、效率低的问题，提出了一种基于堆叠半桥（SHB）结构的Sigma型拓扑。该拓扑通过将LLC谐振变换器与Buck变换器集成于SHB结构，使两者输入电压自然减半，从而优化了Buck变换器的占空比工作范围。研究表明，在相同增益与功率分配条件下，所提拓扑效率更高，且SHB中所有开关管均通过移相控制实现零电压开关（ZVS），有效降低了开关损耗。实验样机在42–55V输入、5V/80W输出条件下，峰值效率达95.1%，为宽范围高降压电源提供了高效解决方案。

　　

在电动汽车充电、服务器电源和可再生能源系统等应用场景中，电源系统常常需要应对宽输入电压范围和高降压比的苛刻要求。LLC谐振变换器因其高效率、小体积和低电磁干扰（EMI）等优势而被广泛采用，然而，当输入电压变化范围很大且输出电压远低于输入电压时，传统LLC变换器若仅依靠频率调制（PFM）来调节增益，其频率变化范围将被迫展宽，导致磁件体积增大、效率下降，原有的技术优势难以维持。因此，如何在宽输入范围和高降压比应用中，既保持LLC变换器的高效运行，又能实现精确的电压调节，成为了电力电子领域一个重要的研究挑战。

为解决这一难题，研究人员探索了多种技术路径，包括混合调制策略、拓扑重构方法以及部分功率处理（Partial Power Processing, PPP）技术。其中，Sigma变换器作为一种典型的PPP架构，由一个高效率的非稳压LLC级传输大部分功率，再通过一个小功率的Buck变换器进行精确的电压微调，理论上可以让LLC级始终工作在谐振点附近的高效区。然而，在宽输入范围和高降压比应用中，传统Sigma拓扑中的Buck变换器将被迫工作在极低的占空比下，这不仅会加剧开关器件的电压应力，还会导致其效率显著恶化，从而拉低整个系统的效能。此外，一些采用变压器隔离的PPP方案虽然能缓解Buck变换器的低压工作问题，但其引入的大量额外元件又会显著增加系统的体积和成本。

为了在保持高效率的同时优化系统结构，Zhoulong Wang和Li Zhang在《IEEE Open Journal of Power Electronics》上发表论文，提出了一种基于堆叠半桥（Stacked Half-Bridge, SHB）结构的Sigma型拓扑。这项研究旨在通过一种新颖的电路结构创新，从根本上改善Buck变换器在宽范围高降压应用中的工作条件，从而提升整体变换效率。

为开展研究，作者主要采用了理论建模与实验验证相结合的方法。首先，他们提出了基于SHB的Sigma拓扑结构，该结构将LLC谐振腔的逆变桥重构为SHB形式。SHB由四个开关管（S₁–S₄）组成，其关键创新在于能够自然地从输入电压（V_in）中产生一个中间电压（V_B），使得后续的LLC谐振变换器和Buck变换器均以近似一半的输入电压工作。其次，研究人员为SHB部分设计了移相控制策略，通过精确控制开关管驱动信号的时序，确保所有开关管都能实现零电压开关（ZVS），以最小化开关损耗。对于系统的稳压控制，则通过独立调节Buck变换器（由开关管S₅, S₆和电感L_b构成）的占空比（D）来实现。理论分析方面，作者推导了系统的电压增益（M = V_o/V_in）和功率分配比（k = P_Buck/P_LLC）等关键参数，并与传统Sigma拓扑进行了详细的性能对比，包括损耗模型的建立与计算（涵盖开关损耗、变压器损耗、电感损耗等）。最后，为验证理论分析，他们研制了一台输入42-55V、输出5V/80W的实验样机，并对其稳态工作波形、ZVS实现情况以及效率性能进行了全面的测试。

II. 提出的电路结构和工作原理

研究人员详细阐述了所提变换器的电路结构和工作模态。该拓扑的核心是堆叠半桥（SHB）结构，它由开关管S₁–S₄构成，为LLC谐振腔（包含谐振电感L_r、谐振电容C_r和励磁电感L_m）提供交流输入电压（v_ac）。变压器的匝比为n:1:1。次级侧采用同步整流器SR1和SR2。独特的之处在于，从SHB的中点可以提取一个额外的直流输出V_B，作为Buck变换器的输入，该Buck变换器再将其部分功率输送至负载。通过分析一个开关周期内的五个主要工作模式（Mode 1至Mode 5），研究揭示了SHB的移相操作如何为开关管创造ZVS条件，以及LLC级和Buck级如何协同工作向负载供电。研究表明，这种结构使得Buck变换器的输入电压约为总输入电压的一半，从而使其占空比得以大幅提升，远离极低占空比的低效区。

III. 理论分析

本部分对提出的拓扑进行了深入的定量分析。通过简化模型，推导出电压增益公式 M = V_o/V_in= 1 / (2n + 2/D) 和功率分配比公式 k = 1/(nD)。这意味着在确定变压器匝比n后，仅通过调节Buck变换器的占空比D即可实现宽范围的电压增益调节。与传统的Sigma拓扑（其增益为 M_c= 1/(2n_c+ 1/D_c)）相比，在实现相同增益和功率分配时，所提拓扑中的Buck变换器需要工作的占空比范围（D = 0.4–0.833）远高于传统拓扑（D_c= 0.2–0.416）。更高的占空比带来了多重好处：降低了Buck开关管的电压应力，减小了电感电流纹波，从而有助于提升Buck级的效率。详细的损耗计算和对比表明，尽管所提拓扑因SHB结构增加了两个开关管而略微增加了初级侧开关管的关断损耗，但由于可以为下桥臂开关管（S₃, S₄）选用低耐压、低导通电阻的器件，其导通损耗得以控制。同时，SHB的移相调制使得谐振电流的RMS值低于传统拓扑的正弦谐振电流，降低了变压器损耗。最终，理论预测所提拓扑在整体效率上优于传统拓扑，尤其是在高输入电压（如55V）条件下优势更为明显。此外，分析还确定了实现SHB所有开关管ZVS所需的最小移相角度（约3.1%）。

IV. 实验验证

为验证理论分析，研究人员构建了一台输入42-55V、输出5V/80W的实验样机。实验波形清晰地展示了在不同输入电压和负载条件下，开关管S₁和S₃均能成功实现ZVS。在驱动信号到来之前，具有适当极性的谐振电流（i_Lr）能够将目标开关管的漏源电压（v_ds）放电至零，从而实现了软开关。效率测试结果表明，所提拓扑在整个负载范围内均实现了较高的效率，在42V输入时达到峰值效率95.1%。随着输入电压升高，由于Buck变换器处理的功率比例增加，整体效率有所下降，但这一趋势与理论分析相符。将实验测得的效率与基于详细损耗模型计算出的传统Sigma拓扑的理论效率进行对比，进一步证实了所提拓扑在效率上的优势。

V. 结论

本研究成功开发并验证了一种适用于宽输入范围和高降压应用的堆叠半桥（SHB）Sigma拓扑。理论与实验结果表明，SHB结构能够固有地将输入电压分压，并使LLC和Buck变换器协同工作。当变压器匝比n=3时，该拓扑通过调节Buck变换器占空比（0.4–0.833）可实现0.09–0.12的宽电压增益范围。所采用的移相控制策略确保了SHB中所有开关管均能实现零电压开关（ZVS）。在不同输入电压（42-55V）和负载（4-16A）条件下的实验波形证实了开关管输出电容的成功放电和ZVS开通。通过为Buck变换器和同步整流器选用低耐压器件，有效降低了导通损耗，使样机在42V输入时达到了95.1%的峰值效率。这项工作为解决宽范围高降压电源的效率瓶颈提供了一种有效且具有潜力的电路拓扑方案。