趙春雷

摘 要：雙向DC-DC變換器在新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)、固態(tài)變壓器、新能源汽車等領域中有著廣泛的應用前景?；贚LC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(yōu)點?；陔p向DC-DC變換器，文章對目前廣泛研究的三種拓撲結(jié)構(gòu)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(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，減少能源開發(fā)對環(huán)境的影響，新能源發(fā)電是一大趨勢。隨著國家政策的導向，新能源產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，電力電子技術與電網(wǎng)的聯(lián)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(chǎn)生具有不確定性、間歇性等特點，對發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性影響較大。為解決此問題，需要通過儲能系統(tǒng)來向電網(wǎng)并網(wǎng)。儲能系統(tǒng)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?qū)崿F(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)軟開關，降低開關管的損耗。符合以上要求，且現(xiàn)今被廣泛研究的雙向DC-DC拓撲結(jié)構(gòu)有如下幾種：

1.1 雙有源橋諧振變換器（DAB）

該拓撲結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖1所示。這種拓撲雖能實現(xiàn)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(huán)流和較大的關斷電流導致了產(chǎn)生過大的開關損耗，效率極大降低。

1.2 雙橋式串聯(lián)諧振變換器（DBSRC）

圖2所示是雙橋式串聯(lián)諧振電路的拓撲結(jié)構(gòu)。在其變壓器的副邊把串聯(lián)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(lián)諧振模式，副邊工作在同步整流狀態(tài)；能量反向流動時，副邊的開關網(wǎng)絡和原邊諧振槽工作在串聯(lián)諧振模式，原邊開關網(wǎng)絡工作在同步整流狀態(tài)[2]。但該結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(tǒng)的新型雙向?qū)ΨQLLC。在原邊開關網(wǎng)絡的輸出端并聯(lián)一個與原勵磁電感完全相同且對稱的電感，該拓撲能夠?qū)崿F(xiàn)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(cè)的開關管可以工作在ZVS模式，且輸出側(cè)開關管可工作在ZCS模式，這大大提高了變換器的轉(zhuǎn)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(cè)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(cè)并聯(lián)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(yōu)勢比較明顯。

2 雙向全橋LLC拓撲結(jié)構(gòu)分析

本文所研究的雙向全橋LLC諧振變換器的拓撲結(jié)構(gòu)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(lián)一個與原勵磁電感完全相同的電感[4]。當一側(cè)的全橋網(wǎng)絡運行在逆變狀態(tài)時，另一側(cè)的全橋結(jié)構(gòu)運行在同步整流狀態(tài)，主控電路可以根據(jù)能量的流動方向來控制哪端全橋工作在逆變狀態(tài)，哪端全橋工作在整流狀態(tài)，這樣使得變換器可以分時實現(xiàn)兩邊任一方向的能量流動。該拓撲結(jié)構(gòu)由開關網(wǎng)絡、諧振網(wǎng)絡、同步整流網(wǎng)絡三部分組成，根據(jù)能量流動的方向不同，分為正向和反向兩種工作狀態(tài)。

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

開關網(wǎng)絡，由開關管Q11和開關管Q12構(gòu)成的橋臂1和開關管Q13和開關管Q14構(gòu)成的橋臂2構(gòu)成全橋逆變網(wǎng)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(qū)時間，保證能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓（ZVS）導通，開關網(wǎng)絡將直流Vd逆變成方波。

諧振網(wǎng)絡，由諧振電容Cr，諧振電感Lr，勵磁電感Lm2共同構(gòu)成，電感Lm1被輸入電壓鉗位。

整流網(wǎng)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(gòu)成同步整流網(wǎng)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(zhuǎn)換效率。

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

開關網(wǎng)絡，由開關管Q21、開關管Q22構(gòu)成的橋臂3和開關管Q23、開關管Q24構(gòu)成的橋臂4組成全橋逆變網(wǎng)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(qū)時間，保證能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓（ZVS）導通，開關網(wǎng)絡將直流Vb逆變成方波。

諧振網(wǎng)絡，由諧振電容Cr，諧振電感Lr，勵磁電感Lm1共同構(gòu)成，電感Lm2被變壓器電壓鉗位。

整流網(wǎng)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(gòu)成同步整流網(wǎng)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(zhuǎn)換效率。

可以看出，雙向全橋LLC電路的工作狀態(tài)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(tài)。

LLC諧振電路拓撲是一種串聯(lián)諧振的電路，依靠對開關網(wǎng)絡中開關頻率的控制，完成對電壓增益的調(diào)節(jié)操作。具體來說是由開關網(wǎng)絡將直流先逆變成方波，然后通過諧振網(wǎng)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(nèi)實現(xiàn)開關網(wǎng)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(xiàn)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(zhuǎn)換效率。

雙向全橋LLC諧振變換器可以實現(xiàn)節(jié)能和電氣絕緣并且能夠能量雙向流動，提升效率、改善瞬態(tài)特性。更為重要的是由于拓撲結(jié)構(gòu)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(jié)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(wǎng)絡工作在同步整流狀態(tài)時轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，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

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