雙向DC—DC變換器的拓撲研究

趙春雷

摘 要：雙向DC-DC變換器在新能源分布式發電系統、固態變壓器、新能源汽車等領域中有著廣泛的應用前景。基于LLC電路的雙向DC-DC變換器是一種高效的拓撲，擁有較寬的輸入范圍和軟開關、效率高等優點。基于雙向DC-DC變換器，文章對目前廣泛研究的三種拓撲結構進行了簡要介紹、并最終以雙向全橋LLC諧振變換器作為研究對象，并對其工作原理和基波情況進行了分析研究。

關鍵詞：雙向DC-DC變換器；雙向全橋LLC諧振變換器；基波

引言

為了實現可持續發展，減少能源開發對環境的影響，新能源發電是一大趨勢。隨著國家政策的導向，新能源產業的大力發展，電力電子技術與電網的聯系越來越緊密，其將在新能源領域扮演重要角色。其中直-直變換在各個領域得到了廣泛的應用，而近些年來，能控制電能雙向流動的雙向DC-DC變化器越來越受到重視。

由于光伏和風能這些自然能源的產生具有不確定性、間歇性等特點，對發電系統的穩定性、可靠性影響較大。為解決此問題，需要通過儲能系統來向電網并網。儲能系統要求能控制能量雙向流動，而雙向DC-DC變換器是該設備中保證電能雙向傳遞的關鍵部分。

1 雙向DC-DC變換器的拓撲

當今雙向DC-DC變換技術的主要研究方向是能夠實現電流可以在開關管中進行正向和反向的流動，能夠盡可能的利用開關管，使得電路的更加簡單，采用的拓撲開關管能夠實現軟開關，降低開關管的損耗。符合以上要求，且現今被廣泛研究的雙向DC-DC拓撲結構有如下幾種：

1.1 雙有源橋諧振變換器（DAB）

該拓撲結構由于結構簡單、軟開關范圍大、效率高等特點，在一些大功率場合得到了廣泛的研究應用[1]，其拓撲結構如圖1所示。這種拓撲雖能實現雙向的能量流動，但在實際應用中卻受到限制，由于其較高的能量環流和較大的關斷電流導致了產生過大的開關損耗，效率極大降低。

1.2 雙橋式串聯諧振變換器（DBSRC）

圖2所示是雙橋式串聯諧振電路的拓撲結構。在其變壓器的副邊把串聯諧振變換器的二極管換成是MOSFET或者IGBT，改變以后使得能量能夠進行雙向的流動。當能量正向流動時，原邊工作在串聯諧振模式，副邊工作在同步整流狀態；能量反向流動時，副邊的開關網絡和原邊諧振槽工作在串聯諧振模式，原邊開關網絡工作在同步整流狀態[2]。但該結構只能在降壓（buck）模式下工作，在要求輸出范圍較寬的場合并不適用。

1.3 雙向全橋LLC諧振變換器

基于傳統的LLC諧振變換器，有學者提出了一種在LLC電路的基礎上改進后可用于儲能系統的新型雙向對稱LLC。在原邊開關網絡的輸出端并聯一個與原勵磁電感完全相同且對稱的電感，該拓撲能夠實現能量的雙向流動且在任何情況下都能保持升/降壓操作，有較大的電壓輸出范圍。輸入側的開關管可以工作在ZVS模式，且輸出側開關管可工作在ZCS模式，這大大提高了變換器的轉換效率[3]。不論能量從哪邊流動時，都有相同的工作模式，兩側開關管的控制策略完全相同，這就使得控制更為簡單。但在變壓器原邊輸入側并聯的電感令變換器的功率密度減小。

通過圖表可以看出，對比于其他雙向DC-DC電路拓撲，當雙向全橋LLC拓撲應用于對變換器體積要求不大的場合時優勢比較明顯。

2 雙向全橋LLC拓撲結構分析

本文所研究的雙向全橋LLC諧振變換器的拓撲結構如圖3所示，對原有的LLC電路拓撲進行改造，用可關斷的全控型器件代替不可控整流的二極管，并且在諧振槽輸入端A-B兩端并聯一個與原勵磁電感完全相同的電感[4]。當一側的全橋網絡運行在逆變狀態時，另一側的全橋結構運行在同步整流狀態，主控電路可以根據能量的流動方向來控制哪端全橋工作在逆變狀態，哪端全橋工作在整流狀態，這樣使得變換器可以分時實現兩邊任一方向的能量流動。該拓撲結構由開關網絡、諧振網絡、同步整流網絡三部分組成，根據能量流動的方向不同，分為正向和反向兩種工作狀態。

正向工作是功率從Vd流向Vb的狀態，對應圖4。此時雙向全橋LLC諧振變換器的開關網絡、諧振網絡及整流網絡分別指：

開關網絡，由開關管Q11和開關管Q12構成的橋臂1和開關管Q13和開關管Q14構成的橋臂2構成全橋逆變網絡，開關管Q11與Q13由同一PWMA信號控制，同時打開或關閉；開關管Q12與Q14由同一的PWMB信號控制，同時開通和關斷。功率變換時，PWMA和PWMB互補，Q11、Q13和Q12、Q14互補導通，同時選擇合適的死區時間，保證能夠實現零電壓（ZVS）導通，開關網絡將直流Vd逆變成方波。

諧振網絡，由諧振電容Cr，諧振電感Lr，勵磁電感Lm2共同構成，電感Lm1被輸入電壓鉗位。

整流網絡，由開關管Q21和開關管Q22組成的橋臂3和開關管Q23和開關管Q24組成的橋臂4構成同步整流網絡，開關管Q21和Q23由變壓器副邊的電流方向控制，同時開通和關斷；開關管Q22和Q24由變壓器副邊電流的流動方向控制，同時打開或關閉。將變壓器副邊的交流整流成直流，同步整流電路避免了導通損耗，大大提升了轉換效率。

反向工作是功率從Vb流向Vd的狀態，對應圖4。此時雙向全橋LLC諧振變換器的開關網絡、諧振網絡及整流網絡分別指：

開關網絡，由開關管Q21、開關管Q22構成的橋臂3和開關管Q23、開關管Q24構成的橋臂4組成全橋逆變網絡。開關管Q21、Q23由同一PWMA信號控制，同時打開或關閉；開關管Q22、Q24由同一的PWMB信號控制，同時打開或關閉。功率變換時，PWMA和PWMB互補，Q21、Q23和Q22、Q24互補導通，同時選擇合適的死區時間，保證能夠實現零電壓（ZVS）導通，開關網絡將直流Vb逆變成方波。

諧振網絡，由諧振電容Cr，諧振電感Lr，勵磁電感Lm1共同構成，電感Lm2被變壓器電壓鉗位。

整流網絡，由開關管Q11和開關管Q12組成的橋臂1和開關管Q13和開關管Q14組成的橋臂2構成同步整流網絡，開關管Q11和Q13由A-B兩端流入電流的流動方向控制，同時開通和關斷；開關管Q12和Q14由A-B兩端流入電流的流動方向控制，同時導通和關斷。將變壓器原邊的交流整流成直流，同步整流電路避免了導通損耗，大大提升了轉換效率。

可以看出，雙向全橋LLC電路的工作狀態不論是正向還是反向時，都工作在完全相同的LLC諧振變換狀態。

LLC諧振電路拓撲是一種串聯諧振的電路，依靠對開關網絡中開關頻率的控制，完成對電壓增益的調節操作。具體來說是由開關網絡將直流先逆變成方波，然后通過諧振網絡后再完成整流。采用這種方法控制的電路輸入范圍寬，在負載不超的情況下，可在全負載范圍內實現開關網絡的零電壓（ZVS）導通，且在升壓過程中還可使整流部分的二極管實現零電流（ZCS）關斷，故而效率可以做得很高，達到97%。改進后的整流部分采用同步整流電路，可消除二極管損耗，從而提升了轉換效率。

雙向全橋LLC諧振變換器可以實現節能和電氣絕緣并且能夠能量雙向流動，提升效率、改善瞬態特性。更為重要的是由于拓撲結構是對稱的，電路不論正向還是反向都工作在相同模式下，所以在分析該拓撲電路時，可以都按照單向LLC電路的工作模式來進行分析。并且兩個流向的控制均可采用相同的控制策略。簡化了控制策略和算法。

3 結束語

本文對雙向全橋LLC諧振變換器的控制策略進行了研究。由于LLC電路可工作在軟開關模式下，能達到很高的效率，而當其整流網絡工作在同步整流狀態時轉換效率能進一步提高。所研究的雙向LLC變換器是一種對稱結構，當能量正向流動時，原邊工作在LLC模式，副邊工作在同步整流；當能量反向流動時，原邊工作在同步整流，副邊工作在LLC模式。這樣能量不論往哪邊流動時都可以采用相同的控制模式，簡化了控制算法。

參考文獻

[1]魏山力，項安.隔離升壓推挽式軟開關DC/DC變換器雙閉環控制系統設計[J].機電一體化，2014.

[2]曹簫洪，石文，許建平.同步整流技術的新進展[J].電力電子技術，1999（2）：79-81.

[3]顏湘武，楊利鳴，梁宵.一種高效隔離的雙向DC/DC變換器[J].華北電力大學學報（自然科學版），2013.

[4]江雪，龔春英. LLC半橋諧振變換器參數設計法的比較與優化[J]. 電力電子技術，2009（11）：56-58.