摘 要：

提出一種適合寬范圍輸出的雙向DC-DC變換器。該變換器結(jié)構與傳統(tǒng)LLC雙向DC-DC變換器類似，但通過開關管復用以及將諧振電感增加繞組復用為一個反激變壓器，構造了多種工作模式。變換器采用PWM調(diào)制，正向功率傳輸時有中、低兩種電壓增益模式，反向功率傳輸時有高、中、低三種電壓增益模式，所有模式中均可實現(xiàn)全負載范圍內(nèi)的軟開關狀態(tài)。對各模式的工作原理、增益公式推導進行了詳細的描述。最后以滿足4-5節(jié)12 V蓄電池的充放電為前提，給出變換器設計和控制方法，并搭建了相應參數(shù)的實驗樣機。實驗結(jié)果驗證了該變換器分析的有效性。

關鍵詞：雙向DC-DC變換器；寬范圍；多模式；諧振；軟開關

DOI：10.15938/j.emc.2024.02.015

中圖分類號：TM46

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2024）02-0152-10

收稿日期： 2022-05-23

基金項目：國家自然科學基金（52067007）；江西省自然科學基金重點項目（20232ACB204024）

作者簡介：袁義生（1974—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為電力電子系統(tǒng)及其控制；

盧梓意（1996—），男，碩士，研究方向為電力電子與電力傳動；

劉 偉（1985—），男，博士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。

通信作者：袁義生

Bidirectional DC-DC converter suitable for wide output range

YUAN Yisheng， LU Ziyi， LIU Wei

（School of Electrical and Automation Engineering， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China）

Abstract：

A bidirectional DC-DC converter suitable for wide range output was proposed. The structure of the converter is similar to that of the traditional LLC bi-directional DC-DC converter， but a variety of operating modes were constructed by multiplexing the switching and multiplexing the resonant inductor increasing winding as a flyback transformer. In the converter， by adopting PWM modulation， forward power transmission has medium and low voltage gain mode， reverse power transmission has high， medium and low voltage gain mode， all modes can achieve the soft switching state within the full load range. The working principle of each mode and derivation of gain formula are described in detail. Finally， on the premise of charging and discharging 4-5 12 V batteries， the design and control method of the converter is given， and the experimental prototype of the corresponding parameters is built. Experimental results verify the effectiveness of the proposed converter analysis.

Keywords：bidirectional DC-DC converter; wide range; multi-mode; resonance; soft switching

0 引 言

近年來，隨著直流配電［1-3］和電動汽車直流充電樁［4-5］技術的迅速發(fā)展，功率能夠雙向流動的DC-DC變換器也得到了越來越多的研究，尤其是能夠適應寬輸入或?qū)捿敵鲭妷悍秶ぷ鞯母咝?、高電壓增益的雙向DC-DC變換器。

傳統(tǒng)的雙半橋或者雙全橋雙向DC-DC變換器［6-7］具有軟開關的優(yōu)點，但缺點是正、反向電壓增益都小于1，且關斷時刻電流大、循環(huán)損耗大。LLC諧振型雙向DC-DC變換器［8］能夠更好地實現(xiàn)軟開關且關斷電流和循環(huán)損耗更小，在正向工作時電壓增益能大于1，但一般小于1.4；缺點是反向電壓增益小于1，正向工作時開關頻率調(diào)節(jié)范圍過寬。雙向CLLC諧振變換器［9］進一步提升反向電壓增益大于1，但缺點是使用器件太多，功率密度較低，且開關頻率調(diào)節(jié)范圍過寬。帶輔助電感的對稱式雙向LLC諧振變換器［10］比CLLC諧振變換器減小了一個諧振電容，但開關頻率范圍仍然較寬。文獻［11］通過在二次側(cè)增加一個雙向交流開關，在保持高效的同時可以通過PWM調(diào)制增加變換器的電壓調(diào)節(jié)能力，但是這增加了成本和復雜性。

提高DC-DC變換器的電壓增益范圍有以下幾種方案。

1）調(diào)節(jié)諧振腔參數(shù)。文獻［12］通過降低勵磁電感使電路在低k值下運行，實現(xiàn)功率高密度。文獻［13］采用一種充磁電感，在不同的模式中通過改變頻率進而改變電感量，可以將導通損耗降到最低并且提高電壓增益。

2）引入輔助橋臂。文獻［14］在原邊增加了輔助雙向開關橋臂讓電路可以在常態(tài)運行和掉電保持運行之間切換，保證了輸出電壓穩(wěn)定也提高了工作效率。文獻［15］通過引入輔助橋臂，增加充能環(huán)節(jié)，有多種工作模式，拓寬了增益范圍進。

3）新型調(diào)制策略。文獻［16-17］為了限制開關頻率的變化并獲得較寬的電壓增益范圍，提出了適用于低諧振變換器的恒頻移相控制方法，但變換器在低電壓增益或者輕載的情況下會失去零電壓開關（ZVS）。文獻［18-20］采用新型控制策略通過在全橋模式和半橋模式之間切換實現(xiàn)了較寬增益的輸出。

4）改變諧振腔電壓。文獻［21］提出的復合型諧振變換器通過復用諧振電感來提高功率密度，利用多種模態(tài)實現(xiàn)全負載下的寬增益輸出。文獻［22］采用兩個變壓器串聯(lián)，有四種運行方式，可以覆蓋最小輸入電壓的四倍范圍，并且通過優(yōu)化電路參數(shù)來達到較高的效率。

本文通過器件復用，提出一種結(jié)構更簡單，具有多種電壓增益模式的雙向?qū)挿秶敵龅腄C-DC變換器。該變換器采用PWM調(diào)制，開關頻率固定，具有全軟開關高效率的優(yōu)點。

1 拓撲結(jié)構及工作原理

1.1 拓撲結(jié)構及工作狀態(tài)

圖1為本文提出的適合寬范圍輸出的雙向DC-DC變換器。該變換器左右側(cè)均采用全橋結(jié)構，由8個開關管S1～S8及其反并二極管和寄生電容構成，通過一個原副邊匝比為K1的主變壓器T1隔離，是一個傳統(tǒng)的橋式雙向DC-DC變換器結(jié)構。此外，還有一個原副邊匝比為K2的輔助變壓器T2和開關管S9及其反并二極管D9，構成了一個反激雙向DC-DC變換器。輔助變壓器T2的原邊繞組電感Lr復用作諧振電感，與諧振電容Cr構成諧振腔。Lm為T1的勵磁電感，假設Lm極大。

4 實驗分析

為了驗證提出的雙向DC-DC變換器，制作了一臺實驗樣機，實物照片如圖9所示。樣機工作參數(shù)見表1，其他參數(shù)如表2所示。

所提變換器采用了最簡單的單電壓環(huán)控制，各個工作模式的切換通過對電壓環(huán)的輸出數(shù)值設置不同的閥值進行切換。

4.1 正向工作關鍵波形

設計的雙向DC-DC變換器正向工作范圍為輸入電壓220 V，輸出電壓30～73.5 V。

圖10～圖12分別為輸入電壓Ui=220 V時，F(xiàn)MG和FLG模式下輸出電壓Uo=73.5、55.4、30 V的關鍵波形。

圖10為Ui=220 V、Uo=73.5 V時，F(xiàn)MG模式下的關鍵波形。此時的電感電流連續(xù)，電容電流iCr在開關管關斷時進行換向，在下一次開關管導通之前與電感電流iLr保持一致并進行諧振直到下一次開關管關斷進行換流。

圖11為Ui=220 V、Uo=55.4 V時，F(xiàn)MG模式下的關鍵波形。

圖12為Ui=220 V、Uo=30 V時，F(xiàn)LG模式下的關鍵波形，此時反激占空比Df=0.2。電路工作在DCM模式。

4.2 反向工作關鍵波形

設計的雙向DC-DC變換器反向工作范圍為輸入電壓42～73.5 V，輸出電壓220 V。

圖14～圖15分別為輸入電壓Uo=42 V、73.5 V時，RHG和RMG模式下輸出電壓Ui=220 V的關鍵波形。

圖13為Uo=42 V、Ui=220 V時RHG模式下的關鍵波形，此時Db=0.35。由圖可知，電感電流iLr在Boost階段線性上升，隨后和諧振電容Cr進行諧振。在S5和S6關斷時諧振電感電流iLr會以Flyback的模式通過T2變壓器流到負載端。iLr會在周期內(nèi)復位，可以實現(xiàn)ZCS開通。工作在RHG模式下，電路只有諧振階段和Flyback階段兩個階段向負載饋能。

圖14為Uo=73.5 V、Ui=220 V時RMG模式下的關鍵波形，此時占空比Dm=0.8、。相比RHG模式，RMG模式?jīng)]有Boost階段，其諧振及軟開關過程均與反向HG模式相同。

當輸出電壓降低使得Dm小于0.55時，電路會工作在RLG模式下，提高電路的效率。

4.3 切載波形及效率曲線

圖15為電路隨負載變化而切換工作模式的動態(tài)響應波形。

圖16為提出的雙向DC-DC變換器和傳統(tǒng)LLC諧振雙向DC-DC變換器［8］在Uo=60 V的條件下，正向、反向工作的效率曲線。為了提高傳統(tǒng)LLC諧振雙向DC-DC變換器的電壓增益，實驗時將其變壓器勵磁電感減小到50 μH、漏感增大到10 μH，其余參數(shù)與提出的變換器一致。由圖17可見，傳統(tǒng)雙向DC-DC變換器最高效率為88.32%，提出的變換器整體效率高于傳統(tǒng)雙向變換器，且工作在額定功率450 W時達到最高效率94.56%。

5 結(jié) 論

本文提出了一種適合寬范圍輸出的雙向DC-DC變換器，該變換器具體有以下幾個優(yōu)點：

1）正向功率傳輸有兩種電壓增益模式，反向功率傳輸有三種電壓增益模式，適合寬范圍電池充放電場合，有較高的最高電壓增益；

2）采用定頻PWM調(diào)制，磁性器件設計簡單；

3）低增益模式的反激變壓器的電感復用做中高增益模式的LC諧振的諧振電感，提高了電路的功率密度；

4）全負載范圍內(nèi)均實現(xiàn)了軟開關，降低了開關損耗。

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（編輯：劉素菊）