双向dc―dc变换器的拓扑研究

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1、双向DC―DC变换器的拓扑研究　　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

2、发电是一大趋势。随着国家政策的导向，新能源产业的大力?l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D

3、C-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

4、，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

5、，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

6、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

7、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、

8、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，