全橋CLLC的雙向隔離變換器設計

周 帥，馬升潘，張 慶

（1.株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南株洲 412000；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266000）

0 引言

隨著“碳達峰”、“碳中和”計劃的提出，新能源產業尤其是電力應用相關產業高速發展，軌道交通行業作為傳統的“電力驅動”行業之一，其發展也備受關注。軌道交通產業的細分應用領域之一——城市地鐵，為市民出行提供舒適、便利。地鐵緊急通風系統作為的車輛的重要組成部分，能在車輛發生故障時為乘客提供的較舒適環境，降低車輛故障帶來的社會影響?，F階段，車輛一般采用獨立的緊急通風逆變裝置，通過從DC110 V控制蓄電池引入直流電源，通過逆變來實現此功能。此種方式存在設備體積大、成本高、電池缺乏有效隔離等問題。因此，業內急需尋找一種更輕便、更經濟的方案來替代緊急通風逆變裝置。具有雙向能量流動能力的DC/DC 拓撲結構，正向工作時可從車載輔助變流器的3×AC380 V 取電，給蓄電池充電；反向工作時從蓄電池引入電源供輔助逆變器使用,輔助逆變器輸出直接給緊急通風風機供電。一臺雙向DC/DC 變換器綜合了傳統意義上的車載充電機與緊急通風逆變器的功能有效的降低了整車重量、成本。因此，采用具有雙向能力的DC/DC 拓撲，是解決以上問題的主要方向。

目前，隔離型雙向DC/DC 變換器的研究主要集中在兩個方面：基于移相全橋的雙有源橋雙向DC/DC 變換器，以及基于LLC 諧振軟開關技術的雙向DC/DC 變換器[1-7]。

雙有源橋雙向DC/DC 變換器（DAB）開關器件在變壓器原、次邊均采用H 橋布置，采用單移相、雙移相及擴展移相控制方式，可以實現能量的雙向流動。其優點在于可以不間斷地實現能量的雙向流動，對系統雜散參數要求不高；其缺點在于采用移相控制，控制復雜、關斷損耗大。

諧振CLLC 雙向DC/DC 變換器，其基本拓撲與DAB一樣，開關器件在變壓器兩側均采用H 橋布置，采用定頻率、定脈寬控制實現雙向能量控制。其優點在于系統全工況軟開關工作，控制簡單；其缺點在于系統對雜散參數敏感，參數設計難度較大。

1 典型雙向DC/DC拓撲

雙向DC/DC 變換器（Bi-directional DC-DC Converter，BDC）是能夠在兩個像限工作的直流變換器，如圖1所示。它在輸入、輸出電壓極性不變的同時，電流的方向可以根據能量的需要改變。根據變換器中是否有變壓器，雙向DC/DC 拓撲可以分為隔離型雙向變換器和非隔離型雙向變換器。常規的Buck、Boost等典型拓撲，即為非隔離型雙向變換器。

圖1 雙向變換器運行

如圖2 所示，隔離型雙向DC/DC 拓撲的典型之一是所謂雙有源橋DC/DC 變換器（DAB）。其來自于常規的移相全橋變換器。同樣采用移相控制，實現能量的雙向流動[8-11]。DAB 變換器存在環流損耗大，硬關斷的問題。為此提出的單移相、雙移相和擴展移相控制方式，雖然在一定程度上降低了開通損耗，但并沒有解決硬關斷的問題，同時還導致控制難度大幅增加的問題。

圖2 DAB雙向DC/DC變換器

推挽正激移相式變換器也是一種典型的隔離型雙向DC/DC。其主要缺點是電壓應力大、硬開關工作，不適用于大功率、高頻工作系統中。如圖3所示。

圖3 推挽正激移相式變換器

2 CLLC工作特性分析

諧振CLLC 雙向變換器，基于常規的LLC 諧振軟開關變換器發展而來，是LLC 軟開關技術在雙向領域的應用。與常規的LLC諧振軟開關系統一樣，具有控制簡單、全功率范圍軟開關能力。在實現能量的雙向流通的同時，能夠滿足產品高頻化、小型化的要求。但是，因需要考慮能量的雙向流動，其對正、反兩個方向的諧振參數均有特定的要求。因此，相較于常規的LLC 諧振軟開關變換器，諧振CLLC 雙向變換器更容易受到寄生參數的影響，對諧振參數的要求更苛刻[12]。

雙向CLLC 變換器拓撲如圖4 所示，主要波形如圖5所示。圖中，定義V1為高壓側（正向輸入電壓），V2為低壓側（反向輸入電壓）。M1～M8是8個開關管，分別構成兩個全橋電路。兩組全橋電路通過高頻變壓器聯結。其中，諧振電感Lr、勵磁電感Lm均集成在變壓器中。Cp和Cs分別為高、低壓側的諧振電容。Cjp和Cjs分別為高、低壓側開關管的等效結電容。正向工作時，M1～M4作為開關管使用，M5～M8的驅動封鎖作為整流二極管使用；反向工作時，則相反。正反兩個方向工作時，電路均工作在諧振軟開關工作狀態下。開關管零電壓開通近似零電流關斷，整流二極管處于零電流關斷狀態。

圖4 CLLC變換器原理

圖5 主要波形

因電路的對稱性，以正向工作時的狀態，即能量從高壓側輸入，從低壓側輸出。分析電路的工作模態，為簡單起見，做如下假設：電路已經處于穩定工作狀態；忽略死區時間內原邊電流的波動；M1～M4工作在開關管狀態，M5～M8工作在二級管狀態。

（1）模態一（tx1～t2）

M1和M4導通，當iLr＞iLm時，輸入端向輸出端傳遞能量。M5、M8的反并二極管導通，Co被充電。此時，電路中只有等效諧振電感Lr與等效諧振電容Cr參與諧振。此工作模態時的等效電路及主要工作波形，如圖6 所示。圖6（a）中的紅色部分即為此模態下實際參與工作的等效電路。參與諧振的等效諧振電感為變壓器原、次邊電感之和；參與諧振的等效諧振電容為原電容與次邊電容折算到原邊的和。此時的諧振頻率如式（1）所示。

圖6 模態一

其諧振頻率為：

式中：Cr1為等效諧振電容，

（2）模態二（t2～t3）

M1和M4持續導通，當iLr=iLm，輸入端不向輸出端傳遞能量。Co被脫開，對外放電。M5、M8的結電容，開始充電，M6、M7的結電容，開始放電。此工作模態時的等效電路及主要工作波形，如圖7 所示。圖7（a）中的紅色部分即為此模態下實際參與工作的等效電路。參與諧振的等效諧振電感依然為變壓器原、次邊電感之和；參與諧振的等效諧振電容為原邊電容、次邊電容折算到原邊的等效電容、M5～M8結電容折算到原邊的等效電容的和。此時的諧振頻率如式（2）所示。

圖7 模態二

其諧振頻率為：

式中：Cr2為等效諧振電容，

（3）模態三（t3～t4）

M1～M4均關斷（死區），M1、M4的結電容，開始充充電，M2、M3的結電容，開始充放電。此工作模態時的等效電路及主要工作波形，如圖8 所示。圖8（a）中的紅色部分即為此模態下實際參與工作的等效電路。參與諧振的等效諧振電感依然為變壓器原、次邊電感之和；參與諧振的等效諧振電容為原邊電容、M1～M4開關管結電容、次邊電容折算到原邊的等效電容、M5～M8結電容折算到原邊的等效電容的和。此時的諧振頻率如式（3）所示。

圖8 模態三

其諧振頻率為：

式中：Cr3為等效諧振電容，

另外半個周期的工作模式與上述工作模態類似，此處不再贅述。

3 設計方法分析

3.1 增益分析

通過第2 節中的工作模態分析可知，只有在模態一的階段，變換器存在能量傳遞。同時該模態下，參與諧振的元器件與常規LLC 諧振軟開關拓撲比，只增加了一個次邊諧振電容。該電容可以折算到原邊。因此，CLLC拓撲在此階段的狀態與常規LLC 諧振拓撲一樣，可以采用常規LLC 諧振拓撲的增益分析方法，分析研究CLLC拓撲的網絡增益。

將次邊諧振電容Cs和負載折算到原邊，并從原邊H 橋的兩個中點看進去，模態一階段的諧振網絡等效電路如圖9 所示。圖中，N為變壓器變比，為負載電阻。變換器增益定義為等效諧振電路的輸出電壓與輸入電壓之間比值的模。

圖9 CLLC電路等效諧振電路

式中：λ為勵磁電感Lm與諧振電感Lr的比值；kf為開關頻率（fs）與第一階段諧振頻率（fr1）的比值；Q為品質因數，

變換器增益與頻率比的關系如圖10所示。圖中圓圈處的多條曲線接近于1，說明此頻率比下，變換器增益隨參數偏差變化較小，可以認為恒定不變。因此，在考慮變換器器件參數差異的情況下盡量保證增益恒定，需要將開關頻率設計為略小于諧振頻率。

圖10 增益與頻率比關系

3.2 諧振參數匹配

與常規LLC 變換器相同的是，變換器正、反兩個工作狀態時，諧振參數可按下式確定。

與常規LLC 變換器不同的是，由于CLLC 變換器需要正反向工作，其諧振參數需具有對稱性。即上式中的諧振參數Cr，Lr需根據變壓器變比進行匹配。匹配方式如下：

（1）諧振電感匹配

式中：Lrp為原邊漏感；Lrs為次邊漏感；N為變壓器變比。

實際應用中，諧振電感等價于變壓器漏感。由于變壓器自身的特性，工程化時諧振電感匹配不需要做特別處理。

（2）諧振電容匹配

CLLC變換器工作中，正反兩個方向均需要隔直電容來保證變壓器不存在偏磁。因此，電路中必須存在以上兩個電容（Cp，Cs），工程化時諧振電容需要進行匹配性處理。

3.3 等效結電容匹配

CLLC變換器之所以能夠提高工作頻率，是因為其工作在軟開關狀態。要實現軟開關，開關管結電容電壓需要在開通前放電到0。以正向工作為例，需要滿足以下條件。

式中：Imp為從高壓側看去的勵磁電流；Td為正向工作時的死區時間。

反向工作時，由于對稱性，勵磁電流和電壓存在以下關系：

式中：Ims為從低壓側看去的勵磁電流。

若保持Cjp=Cjs不變，則有

式中：T′d為反向工作時的死區時間。

高頻、大功率應用中，死區時間往往很小。正向工作時死區時間一般約在3 μs 左右，根據式（10），在考慮變比3左右的應用中，反向工作時死區時間約為300 ns，實際難以實現。

因此，工程上，若所有開關管的結電容均相等。則一方面，導致正反兩個工作方向運行參數不對稱，死區需要特殊設置，增加控制難度；另一方面，過小的死區時間不利于開關管選型和驅動的設計。因此，在時間應用中需按下式進行等效結電容匹配。

4 設計及驗證

為了驗證設計方案，采用以上設計方案同時考慮系統增益、諧振參數匹配和等效結電容匹配。搭建了一臺20 kW 的雙向CLLC 變換器。變換器基本性能要求如表1所示。

表1 20 kW雙向CLLC變換器基本性能要求

如圖11 藍圈所示，開關管M1 關斷時，流經開關管的電流維持在9 A 左右，實現了近似零電流關斷；如紅圈所示，開關管M1 開通時，其端電壓已經下降到0，實現了零電壓開通。

圖11 正向工作波形

反向工作與正向工作時相同，均實現了零電壓開通和近似零電流關斷。如圖12所示。正反兩個方向的工作波形顯示，根據以上提及的設計方法所設計的的諧振CLLC雙向變換器，不但可以實現能量的雙向流動，還可以在正反兩個方向工作時均實現軟開關。滿足業界對雙向DC/DC 變換器應用要求的同時，還能夠提高變換器工作頻率、降低設備重量，符合產業發展方向。

圖12 反向工作波形

5 結束語

CLLC雙向變換器不僅能夠實現能量的雙向流動，還能夠實現完全的軟開關化，同時有利于變換器頻率的提升達到小型化的目的。本文分析了CLLC 雙向變換器的工作模態，研究了不同模態下的等效諧振電路，提出了CLLC雙向變換器的設計方法，指出了需要對諧振參數和等效結電容進行匹配性設計。實際驗證了，采用該方法所設計的CLLC 雙向變換器可以實現雙向變換器正反兩個方向軟開關工作。因等效結電容不可忽略，變換器非傳遞能量的工作階段（模態二、三）原邊電流存在振蕩，其是否會對變換器造成不良影響，是今后進一步研究的方向。