赵春雷

摘 要：双向DC-DC变换器在新能源分布式发电系统、固态变压器、新能源汽车等领域中有着广泛的应用前景。基于LLC电路的双向DC-DC变换器是一种高效的拓扑，拥有较宽的输入范围和软开关、效率高等优点。基于双向DC-DC变换器，文章对目前广泛研究的三种拓扑结构进行了简要介绍、并最终以双向全桥LLC谐振变换器作为研究对象，并对其工作原理和基波情况进行了分析研究。

关键词：双向DC-DC变换器；双向全桥LLC谐振变换器；基波

引言

为了实现可持续发展，减少能源开发对环境的影响，新能源发电是一大趋势。随着国家政策的导向，新能源产业的大力發展，电力电子技术与电网的联系越来越紧密，其将在新能源领域扮演重要角色。其中直-直变换在各个领域得到了广泛的应用，而近些年来，能控制电能双向流动的双向DC-DC变化器越来越受到重视。

由于光伏和风能这些自然能源的产生具有不确定性、间歇性等特点，对发电系统的稳定性、可靠性影响较大。为解决此问题，需要通过储能系统来向电网并网。储能系统要求能控制能量双向流动，而双向DC-DC变换器是该设备中保证电能双向传递的关键部分。

1 双向DC-DC变换器的拓扑

当今双向DC-DC变换技术的主要研究方向是能够实现电流可以在开关管中进行正向和反向的流动，能够尽可能的利用开关管，使得电路的更加简单，采用的拓扑开关管能够实现软开关，降低开关管的损耗。符合以上要求，且现今被广泛研究的双向DC-DC拓扑结构有如下几种：

1.1 双有源桥谐振变换器（DAB）

该拓扑结构由于结构简单、软开关范围大、效率高等特点，在一些大功率场合得到了广泛的研究应用[1]，其拓扑结构如图1所示。这种拓扑虽能实现双向的能量流动，但在实际应用中却受到限制，由于其较高的能量环流和较大的关断电流导致了产生过大的开关损耗，效率极大降低。

1.2 双桥式串联谐振变换器（DBSRC）

图2所示是双桥式串联谐振电路的拓扑结构。在其变压器的副边把串联谐振变换器的二极管换成是MOSFET或者IGBT，改变以后使得能量能够进行双向的流动。当能量正向流动时，原边工作在串联谐振模式，副边工作在同步整流状态；能量反向流动时，副边的开关网络和原边谐振槽工作在串联谐振模式，原边开关网络工作在同步整流状态[2]。但该结构只能在降压（buck）模式下工作，在要求输出范围较宽的场合并不适用。

1.3 双向全桥LLC谐振变换器

基于传统的LLC谐振变换器，有学者提出了一种在LLC电路的基础上改进后可用于储能系统的新型双向对称LLC。在原边开关网络的输出端并联一个与原励磁电感完全相同且对称的电感，该拓扑能够实现能量的双向流动且在任何情况下都能保持升/降压操作，有较大的电压输出范围。输入侧的开关管可以工作在ZVS模式，且输出侧开关管可工作在ZCS模式，这大大提高了变换器的转换效率[3]。不论能量从哪边流动时，都有相同的工作模式，两侧开关管的控制策略完全相同，这就使得控制更为简单。但在变压器原边输入侧并联的电感令变换器的功率密度减小。

通过图表可以看出，对比于其他双向DC-DC电路拓扑，当双向全桥LLC拓扑应用于对变换器体积要求不大的场合时优势比较明显。

2 双向全桥LLC拓扑结构分析

本文所研究的双向全桥LLC谐振变换器的拓扑结构如图3所示，对原有的LLC电路拓扑进行改造，用可关断的全控型器件代替不可控整流的二极管，并且在谐振槽输入端A-B两端并联一个与原励磁电感完全相同的电感[4]。当一侧的全桥网络运行在逆变状态时，另一侧的全桥结构运行在同步整流状态，主控电路可以根据能量的流动方向来控制哪端全桥工作在逆变状态，哪端全桥工作在整流状态，这样使得变换器可以分时实现两边任一方向的能量流动。该拓扑结构由开关网络、谐振网络、同步整流网络三部分组成，根据能量流动的方向不同，分为正向和反向两种工作状态。

正向工作是功率从Vd流向Vb的状态，对应图4。此时双向全桥LLC谐振变换器的开关网络、谐振网络及整流网络分别指：

开关网络，由开关管Q11和开关管Q12构成的桥臂1和开关管Q13和开关管Q14构成的桥臂2构成全桥逆变网络，开关管Q11与Q13由同一PWMA信号控制，同时打开或关闭；开关管Q12与Q14由同一的PWMB信号控制，同时开通和关断。功率变换时，PWMA和PWMB互补，Q11、Q13和Q12、Q14互补导通，同时选择合适的死区时间，保证能够实现零电压（ZVS）导通，开关网络将直流Vd逆变成方波。

谐振网络，由谐振电容Cr，谐振电感Lr，励磁电感Lm2共同构成，电感Lm1被输入电压钳位。

整流网络，由开关管Q21和开关管Q22组成的桥臂3和开关管Q23和开关管Q24组成的桥臂4构成同步整流网络，开关管Q21和Q23由变压器副边的电流方向控制，同时开通和关断；开关管Q22和Q24由变压器副边电流的流动方向控制，同时打开或关闭。将变压器副边的交流整流成直流，同步整流电路避免了导通损耗，大大提升了转换效率。

反向工作是功率从Vb流向Vd的状态，对应图4。此时双向全桥LLC谐振变换器的开关网络、谐振网络及整流网络分别指：

开关网络，由开关管Q21、开关管Q22构成的桥臂3和开关管Q23、开关管Q24构成的桥臂4组成全桥逆变网络。开关管Q21、Q23由同一PWMA信号控制，同时打开或关闭；开关管Q22、Q24由同一的PWMB信号控制，同时打开或关闭。功率变换时，PWMA和PWMB互补，Q21、Q23和Q22、Q24互补导通，同时选择合适的死区时间，保证能够实现零电压（ZVS）导通，开关网络将直流Vb逆变成方波。

谐振网络，由谐振电容Cr，谐振电感Lr，励磁电感Lm1共同构成，电感Lm2被变压器电压钳位。

整流网络，由开关管Q11和开关管Q12组成的桥臂1和开关管Q13和开关管Q14组成的桥臂2构成同步整流网络，开关管Q11和Q13由A-B两端流入电流的流动方向控制，同时开通和关断；开关管Q12和Q14由A-B两端流入电流的流动方向控制，同时导通和关断。将变压器原边的交流整流成直流，同步整流电路避免了导通损耗，大大提升了转换效率。

可以看出，双向全桥LLC电路的工作状态不论是正向还是反向时，都工作在完全相同的LLC谐振变换状态。

LLC谐振电路拓扑是一种串联谐振的电路，依靠对开关网络中开关频率的控制，完成对电压增益的调节操作。具体来说是由开关网络将直流先逆变成方波，然后通过谐振网络后再完成整流。采用这种方法控制的电路输入范围宽，在负载不超的情况下，可在全负载范围内实现开关网络的零电压（ZVS）导通，且在升压过程中还可使整流部分的二极管实现零电流（ZCS）关断，故而效率可以做得很高，达到97%。改进后的整流部分采用同步整流电路，可消除二极管损耗，从而提升了转换效率。

双向全桥LLC谐振变换器可以实现节能和电气绝缘并且能够能量双向流动，提升效率、改善瞬态特性。更为重要的是由于拓扑结構是对称的，电路不论正向还是反向都工作在相同模式下，所以在分析该拓扑电路时，可以都按照单向LLC电路的工作模式来进行分析。并且两个流向的控制均可采用相同的控制策略。简化了控制策略和算法。

3 结束语

本文对双向全桥LLC谐振变换器的控制策略进行了研究。由于LLC电路可工作在软开关模式下，能达到很高的效率，而当其整流网络工作在同步整流状态时转换效率能进一步提高。所研究的双向LLC变换器是一种对称结构，当能量正向流动时，原边工作在LLC模式，副边工作在同步整流；当能量反向流动时，原边工作在同步整流，副边工作在LLC模式。这样能量不论往哪边流动时都可以采用相同的控制模式，简化了控制算法。

参考文献

[1]魏山力，项安.隔离升压推挽式软开关DC/DC变换器双闭环控制系统设计[J].机电一体化，2014.

[2]曹箫洪，石文，许建平.同步整流技术的新进展[J].电力电子技术，1999（2）：79-81.

[3]颜湘武，杨利鸣，梁宵.一种高效隔离的双向DC/DC变换器[J].华北电力大学学报（自然科学版），2013.

[4]江雪，龚春英. LLC半桥谐振变换器参数设计法的比较与优化[J]. 电力电子技术，2009（11）：56-58.