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双向全桥LLC谐振DC-DC变换器的研究——电动汽车与电网双向变换器 2022-07-05 13:30
参考文献：李海平，双向全桥LLC谐振DC-DC变换器的研究【D】，西安理工大学，2019（转发请注明出处及作者）
为了响应国家节能减排的号召，具有排放污染低、噪声低和能效高等优点的电动汽车越来越受到人们的关注，电动汽车与电网双向互动技术前景广阔。无论是电动汽车与电网双向互动技术的直接效益还是其间接效益都是可观的。
从直接效益来看：①可以利用电动汽车电池的储能功能来服务电网；②可以利用电动汽车电池向电网馈能，使车主可以从中获得经济收益；③可以改善电网运行状况。从长远角度来看：①可以降低电网的发电量，减少对电网基础设施的投资；②可以缓解能源不足的压力；③可以减少排放CO2等温室气体，有利于减小温室效应。
双向变换器是电动汽车与电网双向互动技术的核心，由前级双向 AC-DC 变换器和后级双向 DC-DC 变换器（ Bidirectional DC-DC Converter ,简称 BDC ）两级构成，其系统框图见图 1-1。前级双向 AC-DC 变换器起到整流和功率因数校正的作用；后级BDC 对电能进行二次变换。因此，研究成本低、体积小、高效高频的 BDC 变得尤为重要。
BDC 的研究现状
传统的单向 DC-DC 变换器由于存在二极管，使得能量只能从输入到输出，而不能从输出到输入，即功率不能反向传输。然而电动汽车与电网双向互动技术等应用场合要求能量必须能够双向流动，与采用两个正反向工作的单向 DC-DC 变换器相比，采用一个 BDC不但可以减小设备的体积，而且能提高系统的稳定性，降低成本。
BDC 在拓扑结构上均是将单向 DC-DC 变换器中的整流二极管用 IGBT/MOSFET 代替改造而成，但要求 IGBT/MOSFET 寄生二极管的方向要与原来整流二极管的方向保持一致，如图 1-2 所示。于是，只需改变图 1-2 中 I1和 I2的方向，保持 V1和 V2的极性不变，就能使变换器反向工作，达到功率反向传输的目的。由图 1-2 可知，BDC 可认为是两个正反向工作的单向 DC-DC 变换器的集成，并具有元器件数量少、成本低、控制简单和高功率密度等优点。
非隔离型 BDC 的研究现状
根据是否存在电气隔离，BDC 分为非隔离型 BDC 和隔离型 BDC。双向BUCK-BOOST 变换器在非隔离型BDC 中应用最广，其电路结构简单，正反向工作时拓扑结构完全一致，基本拓扑如图1-3所示。但双向BUCK-BOOST变换器不能实现软开关，效率较低。
为了在双向 BUCK-BOOST 变换器中实现软开关，一般可以从增加辅助网络和改进控制策略两方面入手。
（a）增加辅助网络：通过增加两套辅助网络，使双向 BUCK-BOOST 变换器在双向运行时开关管都能实现软开关，但这使得元器件数量增加，成本增加，并且使得系统变得更加复杂。
（b）改进控制策略：在准谐振控制下，双向 BUCK-BOOST 变换器能实现零电压开通（ Zero-Voltage-Switching, ZVS），但存在电压和电流应力较大等问题。
虽然非隔离型 BDC 比隔离型 BDC 结构简单、体积小，且元器件数量通常较少，但是由于非隔离型 BDC 没有进行电气隔离，这不仅在大功率场合存在安全隐患，并且由于其电压增益范围不宽，无法应用在电动汽车等宽输出电压场合。
隔离型 BDC 的研究现状
相比于非隔离型 BDC，隔离型 BDC 存在高频变压器，又因为高频变压器有着优越的电气隔离性能，所以在大功率应用场合一般采用隔离型 BDC。
根据高压侧和低压侧工作特性的不同，隔离型 BDC 可分为 4 类：电压源-电压源型、电压源-电流源型、电流源-电压源型与电流源-电流源型。又因可以互换 BDC 的输入输出端口，所以电压源-电流源型的本质与电流源-电压源型完全一样。假设 V1为高压侧，V2为低压侧，则隔离型 BDC 的 3 种不同类型如图 1-4 所示，图 1-4（a）是电压源-电压源型隔离 BDC ，图 1-4（b）是电流源-电压源型隔离 BDC ，图 1-4（c）是电流源-电流源型隔离BDC 。
大功率隔离型 BDC 主要有双向全桥（ Dual Active Bridge, DAB ）DC-DC 变换器和双向谐振 DC-DC 变换器。DAB DC-DC 变换器的基本拓扑见图 1-5，其在采用移相控制时，可以很容易地进行换向工作，其正向运行还是反向运行取决于S1 ~S4 的开关信号是超前还是滞后于S5 ~S8 的开关信号。DAB DC-DC 变换器的S1 ~S8 均能实现 ZVS ，且电压增益范围较宽，所以广泛应用于大功率场合。
DAB DC-DC 变换器采用单移相控制时，由于电感 Lk的存在，会产生环流，使变换器的损耗增大，效率降低。此外DAB DC-DC 变换器还存在关断损耗较大，轻载时S3 和S4 （或S5 和S6 ）不易实现 ZVS 等问题。因此相关学者提出了许多方法来减小环流和扩大软开关范围。有文献提出了一种辅助串联变压器，通过控制无功来扩大DAB DC-DC 变换器的 ZVS 范围。也有文献通过增加谐振腔来扩大 DAB DC-DC 变换器的软开关范围。也有文献]采用扩展移相控制和内移相的双移相控制等改进控制策略来提高 DAB DC-DC 变换器的效率，但是其控制方法复杂，关断损耗仍然很高。
由于 DAB DC-DC 变换器存在软开关范围较窄、关断损耗较大和环流损耗等问题，且没有很好地能够同时解决上述问题的方法，所以能够同时实现 ZVS 和 ZCS（Zero-Current-Switching, ZCS）且效率较高的谐振变换器成为研究热点。
为了响应国家节能减排的号召，具有排放污染低、噪声低和能效高等优点的电动汽车越来越受到人们的关注，电动汽车与电网双向互动技术前景广阔。无论是电动汽车与电网双向互动技术的直接效益还是其间接效益都是可观的。
从直接效益来看：①可以利用电动汽车电池的储能功能来服务电网；②可以利用电动汽车电池向电网馈能，使车主可以从中获得经济收益；③可以改善电网运行状况。从长远角度来看：①可以降低电网的发电量，减少对电网基础设施的投资；②可以缓解能源不足的压力；③可以减少排放CO2等温室气体，有利于减小温室效应。
双向变换器是电动汽车与电网双向互动技术的核心，由前级双向 AC-DC 变换器和后级双向 DC-DC 变换器（ Bidirectional DC-DC Converter ,简称 BDC ）两级构成，其系统框图见图 1-1。前级双向 AC-DC 变换器起到整流和功率因数校正的作用；后级BDC 对电能进行二次变换。因此，研究成本低、体积小、高效高频的 BDC 变得尤为重要。
传统的单向 DC-DC 变换器由于存在二极管，使得能量只能从输入到输出，而不能从输出到输入，即功率不能反向传输。然而电动汽车与电网双向互动技术等应用场合要求能量必须能够双向流动，与采用两个正反向工作的单向 DC-DC 变换器相比，采用一个 BDC不但可以减小设备的体积，而且能提高系统的稳定性，降低成本。
BDC 在拓扑结构上均是将单向 DC-DC 变换器中的整流二极管用 IGBT/MOSFET 代替改造而成，但要求 IGBT/MOSFET 寄生二极管的方向要与原来整流二极管的方向保持一致，如图 1-2 所示。于是，只需改变图 1-2 中 I1和 I2的方向，保持 V1和 V2的极性不变，就能使变换器反向工作，达到功率反向传输的目的。由图 1-2 可知，BDC 可认为是两个正反向工作的单向 DC-DC 变换器的集成，并具有元器件数量少、成本低、控制简单和高功率密度等优点。
根据是否存在电气隔离，BDC 分为非隔离型 BDC 和隔离型 BDC。双向BUCK-BOOST 变换器在非隔离型BDC 中应用最广，其电路结构简单，正反向工作时拓扑结构完全一致，基本拓扑如图1-3所示。但双向BUCK-BOOST变换器不能实现软开关，效率较低。
（a）增加辅助网络：通过增加两套辅助网络，使双向 BUCK-BOOST 变换器在双向运行时开关管都能实现软开关，但这使得元器件数量增加，成本增加，并且使得系统变得更加复杂。
（b）改进控制策略：在准谐振控制下，双向 BUCK-BOOST 变换器能实现零电压开通（ Zero-Voltage-Switching, ZVS），但存在电压和电流应力较大等问题。
虽然非隔离型 BDC 比隔离型 BDC 结构简单、体积小，且元器件数量通常较少，但是由于非隔离型 BDC 没有进行电气隔离，这不仅在大功率场合存在安全隐患，并且由于其电压增益范围不宽，无法应用在电动汽车等宽输出电压场合。
隔离型 BDC 的研究现状
相比于非隔离型 BDC，隔离型 BDC 存在高频变压器，又因为高频变压器有着优越的电气隔离性能，所以在大功率应用场合一般采用隔离型 BDC。
根据高压侧和低压侧工作特性的不同，隔离型 BDC 可分为 4 类：电压源-电压源型、电压源-电流源型、电流源-电压源型与电流源-电流源型。又因可以互换 BDC 的输入输出端口，所以电压源-电流源型的本质与电流源-电压源型完全一样。假设 V1为高压侧，V2为低压侧，则隔离型 BDC 的 3 种不同类型如图 1-4 所示，图 1-4（a）是电压源-电压源型隔离 BDC ，图 1-4（b）是电流源-电压源型隔离 BDC ，图 1-4（c）是电流源-电流源型隔离BDC 。
由于 DAB DC-DC 变换器存在软开关范围较窄、关断损耗较大和环流损耗等问题，且没有很好地能够同时解决上述问题的方法，所以能够同时实现 ZVS 和 ZCS（Zero-Current-Switching, ZCS）且效率较高的谐振变换器成为研究热点。
