新型开关电容双向DC-DC变换器设计(论文)

《双串联谐振双向三端口DC-DC变换器研究》篇一双串联谐振双向三端口DC-DC变换器研究一、引言随着电力电子技术的不断发展，DC/DC变换器作为电力电子系统中的关键组成部分，其性能的优劣直接影响到整个系统的运行效率和稳定性。

双串联谐振双向三端口DC/DC变换器作为一种新型的DC/DC变换器，具有高效率、高功率密度、双向能量传输等优点，在新能源、电动汽车、航空航天等领域具有广泛的应用前景。

本文旨在研究双串联谐振双向三端口DC/DC变换器的工作原理、性能特点及优化设计，为实际应用提供理论依据。

二、双串联谐振双向三端口DC/DC变换器的工作原理双串联谐振双向三端口DC/DC变换器主要由功率开关管、谐振电感、谐振电容等组成。

其工作原理是通过控制功率开关管的通断，使电路中的电流和电压在谐振电感和谐振电容之间进行周期性的变化，从而实现能量的传输和转换。

具体而言，当功率开关管导通时，电流在谐振电感中产生，同时谐振电容开始充电；当功率开关管关断时，谐振电感和电容之间发生谐振，能量在两者之间进行传输和转换。

通过控制功率开关管的通断时间和相位，可以实现能量的双向传输和精确控制。

三、双串联谐振双向三端口DC/DC变换器的性能特点双串联谐振双向三端口DC/DC变换器具有以下性能特点：1. 高效率：由于采用了谐振技术，使得电路中的损耗大大降低，从而提高了整个系统的效率。

2. 高功率密度：通过优化电路结构和设计，可以实现高功率密度的要求，减小了设备的体积和重量。

3. 双向能量传输：该变换器可以实现能量的双向传输，既可以从输入端口向输出端口传输能量，也可以从输出端口向输入端口传输能量。

4. 精确控制：通过控制功率开关管的通断时间和相位，可以实现能量的精确控制，从而满足不同应用场景的需求。

四、双串联谐振双向三端口DC/DC变换器的优化设计为了进一步提高双串联谐振双向三端口DC/DC变换器的性能，可以从以下几个方面进行优化设计：1. 优化电路结构：通过改进电路结构，减小电路中的损耗和干扰，提高系统的稳定性和可靠性。

毕业设计(论文)开题报告(届)题目名称:A bi-direction DC-DC Converter design based onthe FPGA基于FPGA的双向DC-DC变换器的设计系别电子信息与控制工程系专业自动化级λ寸主5刁3姓名指导教师年月日一、选题的根据:1)本选题的理论、实际意义随着电力电子技术和新能源利用技术的发展，双向DC-DC 变换器在直流不停电电源系统、航空能源系统、太阳能光伏发电系统、燃料电池应用系统以及基于燃料电池和混合能源的电动汽车或船舶等领域具有广泛的应用前景，已经引起了国内外专家的广泛关注。

由于环境保护和能源-短缺的要求，对于太阳能光伏发电系统、Þ<l能发电系统和以太阳能电池为动力的混合电Z9J汽车的研究成为一个热点内容。

在这些应用领域中都需要一个高效率高可靠性的储能环节，通常为蓄电池装置，因此研究一种合理的双向DC-DC 变换器对于这些系统高效、高功率密度、小型化、高可靠性的要求具有重要的意义。

由于用数字化控制代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过软件程序的改变方便地调节控制方案和实现多种新型控制策略，同时可减少元器件的数目、简化硬件结构，一定程度上提高了系统的可靠性。

基于上述原因考虑用FPGA (现场可编程门阵列)对双向DC-DC 变换器进行控制，再加上FPGA 具有开发周期短、灵活性高、模块可重复利用率高等特点，相信对于双向DC-DC 变换器在控制策略上的研究能提供一定的参考价值。

2)综述国内外有关本选题的研究动态和自己的见解20 世纪80年代初，为了减轻人造卫星太阳能电源系统的体积和重量，美国学者提出双向直流变换器代替蓄电池充电器和放电器，实现汇流条电压稳定。

此后，1994 年香港大学陈清泉教授开展了电动车用双向直流变换器的研究和试验工作。

1998年美国弗吉尼亚大学的李择元教授开始从事与燃料电池配套的双向直流变换器研究。

《基于LLC谐振的双向全桥DC-DC变换器的研究》篇一一、引言随着电动汽车、可再生能源等领域的快速发展，DC-DC变换器作为电源系统中的关键设备，其性能的优劣直接影响到整个系统的效率与稳定性。

近年来，基于LLC（Lamp Lade & Capacitor）谐振的双向全桥DC-DC变换器因其在宽输入电压范围、高转换效率和低电磁干扰（EMI）等方面的优异表现，逐渐成为研究热点。

本文将详细探讨这一类变换器的工作原理、设计方法以及应用前景。

二、LLC谐振的双向全桥DC-DC变换器的工作原理LLC谐振的双向全桥DC-DC变换器是一种新型的电力电子变换器，其工作原理基于谐振现象。

在电路中，通过控制开关管的通断，使电路中的电感、电容和开关管等元件产生谐振，从而实现能量的高效传输。

与传统的DC-DC变换器相比，LLC谐振的双向全桥DC-DC变换器具有更高的转换效率和更低的电磁干扰。

该变换器由两个全桥电路组成，每个全桥电路包含四个开关管。

通过控制开关管的通断，可以实现能量的双向流动。

在正向传输过程中，输入侧的全桥电路将直流电转换为高频交流电，经过LLC谐振网络后，再由输出侧的全桥电路整流为直流电输出。

在反向传输过程中，则相反。

三、设计方法设计LLC谐振的双向全桥DC-DC变换器时，需要考虑多个因素，如输入电压范围、输出电压要求、转换效率等。

设计过程中主要包括以下几个步骤：1. 确定电路拓扑结构：根据应用需求选择合适的电路拓扑结构，如全桥电路、半桥电路等。

2. 确定谐振元件参数：包括谐振电感、谐振电容和谐振频率等参数的设计与选择。

3. 控制策略设计：根据应用需求设计合适的控制策略，如PWM控制、SPWM控制等。

4. 仿真验证：通过仿真软件对电路进行仿真验证，确保设计的合理性和可行性。

四、应用前景LLC谐振的双向全桥DC-DC变换器在多个领域具有广泛的应用前景。

首先，在电动汽车领域，该变换器可用于电池管理系统，实现电池的充放电管理以及能量回收等功能。

电动汽车双向DC-DC变换器的研究电动汽车双向DC/DC变换器的研究引言随着环境问题的日益突出和人们对能源资源的关注，电动汽车作为清洁能源交通工具得到了广泛的关注和推广。

而电动汽车中的双向DC/DC变换器作为关键的能量转换器件，对于电动汽车的性能和效能有着重要影响。

因此，本文旨在对电动汽车双向DC/DC变换器进行研究，探讨其工作原理、优势和挑战。

一、双向DC/DC变换器的工作原理双向DC/DC变换器是一种能够实现能量的双向转换的电子器件，在电动汽车中发挥着重要的作用。

其基本的工作原理是通过调整输入电压和输出电压之间的电压和电流关系，实现能量的转移和转换。

具体而言，双向DC/DC变换器由两个电感、两个开关管和一个电容组成。

当输入电压较高时，通过控制开关管的导通和关断，将电能从高压端转移到低压端，实现升压转换。

当输入电压较低时，通过控制开关管的导通和关断，将电能从低压端转移到高压端，实现降压转换。

这种双向的能量转换方式，可以满足电动汽车电池组充电和放电的需求。

二、双向DC/DC变换器的优势1. 提高能量利用率：双向DC/DC变换器能够实现能量的双向转换，充分利用电池组的能量，提高能量利用率，延长电动汽车的续航里程。

2. 实现快速充电：双向DC/DC变换器可以通过升压转换将输入电压提高到较高的水平，实现电动汽车的快速充电，在短时间内充满电池组。

3. 实现能量回馈：双向DC/DC变换器可以将电动汽车制动过程中产生的能量回馈到电池组中，减少制动能量的浪费，提高能量的利用效率。

三、双向DC/DC变换器的挑战1. 功率损耗问题：由于双向DC/DC变换器需要进行能量的转换和转移，其中会产生一定的功率损耗，降低了系统的能量利用率和工作效率。

2. 温度问题：由于功率损耗的存在，双向DC/DC变换器会产生一定的热量，导致温度升高。

过高的温度会影响系统的性能和寿命，因此有效的散热设计是非常重要的。

3. 控制问题：双向DC/DC变换器需要实时控制输出电压和电流的波形，并保持稳定。

双向DCDC变换器研究
一、引言
随着能源和电力行业的发展，人们对电能质量和能源使用效率的要求
越来越高，对双向DCDC（双向低压直流-高压直流）变换器的研究也越来
越多。

双向DCDC变换器可以将低压直流电源转换为高压直流电源，或者
将高压直流电源转换为低压直流电源，有效提高电力系统的能源利用效率，减少能源损耗，从而满足电能质量改善和能源技术的发展需求。

二、双向DCDC变换器（Bidirectional DC/DC Converter）
双向DCDC变换器是将低压直流电源转换为高压直流电源的电子器件。

它利用半导体及其辅助电路来模拟正反变换过程，实现低压直流电源和高
压直流电源之间的互换。

它是一种双向转换器，可以同时完成正反转换，
主要用于电能质量技术方面的发展，如智能电网及新能源等应用。

三、双向DCDC变换器的调整
1、调节输出电压
调节输出电压的关键是控制反向电路的转换效率和输出电流，包括误
差放大器，比较器，调节电阻，芯片等等。

《基于LLC谐振的双向全桥DC-DC变换器的研究》篇一一、引言随着电力电子技术的快速发展，DC-DC变换器在电力系统中扮演着越来越重要的角色。

作为一种高效的电能转换设备，双向全桥DC-DC变换器能够实现在不同电压等级之间的能量双向流动。

而在众多变换器技术中，基于LLC（LLeakage Ckage）谐振的双向全桥DC-DC变换器因其高效率、低损耗和良好的电压调整率等优点，受到了广泛关注。

本文将针对基于LLC谐振的双向全桥DC-DC变换器展开研究，分析其工作原理、性能特点及优化方法。

二、LLC谐振的双向全桥DC-DC变换器的工作原理LLC谐振的双向全桥DC-DC变换器主要由谐振网络、功率开关管和整流二极管等部分组成。

其工作原理主要基于谐振现象，通过调节谐振网络中的电感、电容和开关管的开关频率，实现能量的高效传输。

具体来说，当开关管开通时，输入电压对谐振电感进行充电，电感能量以磁场的形式存储起来；当开关管关断时，电感通过谐振电容放电，产生高频交流电压，进而驱动整流二极管实现能量的传输。

三、性能特点分析1. 高效率：由于LLC谐振技术能够有效降低开关损耗和导通损耗，因此基于LLC谐振的双向全桥DC-DC变换器具有较高的转换效率。

2. 宽范围调压：通过调节谐振网络的参数和开关管的开关频率，可以实现输出电压的宽范围调整。

3. 良好的均流特性：在多模块并联系统中，各模块的均流效果较好，提高了系统的可靠性。

4. 易于实现软开关：LLC谐振技术使得功率开关管在高频工作时能够实现软开关，从而降低了开关损耗和电磁干扰。

四、优化方法研究1. 参数设计优化：针对不同的应用场景和需求，通过优化谐振网络的电感、电容和开关管的参数，以提高变换器的性能。

2. 控制策略优化：采用先进的控制策略，如数字控制、预测控制等，以提高变换器的动态响应速度和稳定性。

3. 拓扑结构优化：针对特定应用场景，通过改进拓扑结构，如采用多级式结构或模块化结构，提高变换器的可靠性和可维护性。

谢谢观看
而非隔离型变换器虽然成本低，但体积和重量较大，效率较低。在控制策略方 面，双向DCDC变换器主要采用PWM（脉冲宽度调制）和PFM（脉冲频率调制） 等控制方法来实现电压的稳定输出。
超级电容在双向DCDC变换技术中 的应用
超级电容在双向DCDC变换技术中具有重要的作用。首先，超级电容具有高功率 密度和快速充放电的特性，可以在短时间内吸收和释放大量的能量，这使得它 在双向DCDC变换器的设计和应用中成为一种非常有效的储能元件。其次，超级 电容的循环寿命长，可以经过多次充放电而保持性能稳定，这对于需要长时间 运行和频繁充放电的设备来说是非常重要的。
1、高效能变换器的研究：目前，许多双向DCDC变换器都存在着效率较低的问 题，这使得能源的转换和利用效率不高。因此，未来的研究将更加注重提高变 换器的效率，以实现能源的高效利用。
2、超级电容性能提升：超级电容作为一种先进的储能元件，其性能的提升也 将是未来研究的重要方向。例如，通过改进超级电容的材料和结构，提高其能 量密度、充放电速度和循环寿命等性能指标。
结论
本次演示对基于超级电容的双向DCDC变换技术进行了深入探讨，旨在为相关领 域的研究和实践提供有益的参考。通过分析双向DCDC变换技术的原理和超级电 容在其中的应用，以及现有的研究成果和发展趋势，我们可以看到未来该领域 的发展方向和研究重点。未来的研究将更加注重高效能变换器、超级电容性能 提升、系统集成和优化以及智能控制策略等方面的研究，以实现能源的高效利 用和推动相关领域的技术进步。
双向DCDC变换技术原理
双向DCDC变换器是一种能够实现能量双向传递的电路，它可以将直流电源转换 成另一路直流电源。其原理主要是通过开关器件和磁性元件的控制来实现电压 的变换。根据电路实现方式的不同，双向DCDC变换器可分为隔离型和非隔离型 两种。其中，隔离型变换器具有体积小、重量轻、效率高等优点，但同时也具 有成本高、可靠性差等缺点。

《双串联谐振双向三端口DC-DC变换器研究》篇一双串联谐振双向三端口DC-DC变换器研究一、引言随着电力电子技术的快速发展，DC/DC变换器在电力系统中扮演着越来越重要的角色。

双串联谐振双向三端口DC/DC变换器作为一种新型的电能转换设备，因其高效、可靠的电能传输特性，近年来备受关注。

本文将就双串联谐振双向三端口DC/DC变换器的研究背景、意义、方法以及研究成果进行详细的阐述。

二、双串联谐振双向三端口DC/DC变换器的研究背景及意义随着电动汽车、可再生能源等领域的快速发展，对电能转换设备的要求越来越高。

双串联谐振双向三端口DC/DC变换器作为一种新型的电能转换设备，具有高效、可靠、灵活的电能传输特性，能够满足不同领域对电能转换的需求。

因此，对双串联谐振双向三端口DC/DC变换器的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

三、双串联谐振双向三端口DC/DC变换器的工作原理双串联谐振双向三端口DC/DC变换器主要由功率开关管、谐振电感、谐振电容等组成。

其工作原理是通过控制功率开关管的通断，使电流在谐振电感和谐振电容中产生谐振，从而实现电能的传输和转换。

双串联谐振结构使得变换器具有双向传输和三端口的特点，可以灵活地实现不同端口之间的电能传输和转换。

四、双串联谐振双向三端口DC/DC变换器的研究方法双串联谐振双向三端口DC/DC变换器的研究方法主要包括理论分析、仿真研究和实验研究。

理论分析主要是通过建立数学模型，对变换器的性能进行定性和定量的分析。

仿真研究则是利用仿真软件对变换器进行模拟实验，验证理论分析的正确性。

实验研究则是通过搭建实验平台，对变换器进行实际测试，验证仿真研究的准确性。

五、双串联谐振双向三端口DC/DC变换器的关键技术问题双串联谐振双向三端口DC/DC变换器的关键技术问题主要包括：一是如何优化功率开关管的控制策略，以提高变换器的效率；二是如何降低变换器的损耗，提高其可靠性；三是如何实现多端口之间的协调控制，以满足不同应用场景的需求。

用于电池储能装置的双向DC-DC变换器设计摘要：现如今，储能系统的重要性越来越突出，双向DC－DC变换器作为新能源技术中的重要组成部分，以可实现能量的双向传输、体积小、重量轻等优势，应用在电动自行车、电动汽车、航天航空、工业控制、通信网、风电并网系统等新能源电控领域。

提高双向DC－DC变换器的工作效率，优化电路结构，增强系统适应性成为储能变流的研究热点关键词：电池储能装置；双向DC-DC变换器；设计1引言目前，在电动汽车领域大多以单一蓄电池为主要能源来驱动汽车的行驶，但电动汽车的电机功率一般在20kW以上，在启动和加速瞬间瞬时电流可达到额定电流的几倍到数十倍，对蓄电池的冲击会大大影响其使用寿命以及汽车的续航里程。

超级电容具有功率密度大、效率高、充放电快等优点，适用于大功率场合。

将超级电容引入电动汽车领域，与蓄电池结合组成混合储能系统，是未来电动汽车发展的重要方向。

基于超级电容与蓄电池混合储能的新型双向DC/DC变换器能够在汽车启动或加速瞬间由超级电容提供瞬时大功率，满足负载的要求，减少瞬时大功率对蓄电池的冲击；在汽车制动瞬间，将能量回馈给超级电容，对超级电容充电，实现能量的回收再次利用，可大大提高电动汽车续航里程。

作为其中关键的能量控制元件—双向DC/DC变换器的设计尤其重要。

2电池储能装置的双向DC-DC变换器分析储能系统中双向DC-DC变换器作为能量流通的通道，在储能系统中发挥着重要作用，双向DC-DC变换器拓扑结构根据输入输出之间是否具有高频变压器隔离分为隔离型和非隔离型。

其中常见隔离性拓扑结构有隔离式全桥型变换器、隔离式半桥变换器、正激式变换器、反激式变换器等。

隔离式双向DC-DC变换器拓扑在大功率变换器中应用比较多，开关器件的电压电流应力比较小，通过电路参数设计使其具备LLC变换器的软开关特性，通过高频变压器可以辅助实现很高的变换比。

但是隔离式变换器应用的开关器件比较多，体积和重量都比较大。

双向DC-DC变换器引言双向DC-DC变换器是一种常用的电力电子装置，其功能是将电能从一种电压级别转换到另一种电压级别。

它可以将高压电能转换为低压电能，或将低压电能转换为高压电能，从而实现电能的双向传输。

在许多应用中，如电动汽车、太阳能和风力发电系统以及电池管理系统中，双向DC-DC变换器起着不可或缺的作用。

工作原理双向DC-DC变换器由一对相反的DC-DC转换器组成：升压转换器（boost）和降压转换器（buck）。

两个转换器通过一个电容和多个开关连接在一起，形成了一个闭环的电路系统。

当输入电源电压高于输出电压时，升压转换器工作，将电能从输入端转移到输出端；而当输入电源电压低于输出电压时，降压转换器工作，将电能从输出端转移到输入端。

通过控制开关的状态和频率，可以实现电能的双向传输。

主要组成部分双向DC-DC变换器主要由以下几个组件组成：1.升压转换器(boost)：升压转换器用于将低电压输入转换为高电压输出。

2.降压转换器(buck)：降压转换器用于将高电压输入转换为低电压输出。

3.电容：电容用于储存能量，平滑电压波动，确保输出电压稳定。

4.开关：开关用于控制电能的流动方向和路径，实现电能的双向传输。

5.控制电路：控制电路用于监测输入和输出电压，并根据需要调整开关的状态和频率，以实现电能转换的准确控制。

应用领域双向DC-DC变换器在以下领域得到广泛应用：1.电动汽车：电动汽车需要将电池产生的低电压转换为驱动电机所需的高电压。

反之，制动时产生的高电压还需要转换为低电压进行储存和重用。

2.太阳能和风力发电系统：太阳能和风力发电系统需要将不稳定的输出电压转换成稳定的电网电压，并实现将多余电能注入电网或从电网中提取电能的功能。

3.电池管理系统：电池管理系统需要将电池的直流输出电压转换为其他设备所需的电压级别，并实现电池的充电和放电管理。

4.新能源储存系统：新能源储存系统需要实现从电网中充电和向电网放电的功能，同时保证高效能转换和最大限度地延长电池寿命。

降压型DC/DC开关电源的研究与设计摘要：随着开关电源技术的迅速发展，DC/DC开关电源已在通信、计算机以及消费类电子产品等领域得到了广泛应用。

近年来，电池供电便携式设备的需求越来越大，对DC/DC开关电源的需求也日益增大，同时对其性能要求也是越来越高。

本文设计了一款降压型DC/DC开关电源电路。

首先详细的分析和阐述了降压型转换器的电路拓扑和工作原理，根据系统性能设计了电路的整体框图。

然后对电路的各个模块进行了分析和设计，包括输入电路，降压电路和显示电路。

通过Protues和SwitcherPro仿真工具对整体电路都进行了仿真验证，结果表明该电路工作稳定，各项指标都达到了设计要求。

具有7V-40V电源电压输入范围，输出电压在1V-20V之间连续可调，转换效率达到85％以上。

该电路可满足小封装要求，可应用在单片机以及USB电源等便携式电子产品中。

关键词：开关电源；降压型；DC/DC转换Buck type DC/DC switch power supply research and designAbstract：With the rapid development of the switching power supply technology, the DC/DC switching power has already obtained the widespread application in domains such as communication, computer, and consumptive electronics. In recent years, the demand for portable equipment with battery power supply is growing increasingly, so does the DC/DC switching power, thus, its performance is required to become better and better.A buck DC/DC switching power circuit was presented in this paper. First, a buck converter topology and its principle were analyse in details, and the overall circuitry frame was introduced. Then each module of the circuitry was analyzed and designed, including the input circuitry, the voltage down circuitry, and the display circuitry.By means of simulation tools,. Protues and SwitcherPro, the whole circuitry was simulated and verified. The results show that this circuitry worked stably and every design index met the design requirements. The conversion efficiency reached to 85% with the input voltage range from 7V to 40V and the output votage range from 1V to 20V. This circuitry met the requirementof small package, and could be applied to portable electronic products, such as MCU and USB power supply.Key words：Switching Power Supply ； Buck ； DC/DC switch目录1 开关电源现状及前景 (1)国内外开关电源的发展状况 (1)国内开关电源的发展状况 (1)开关电源发展前景 (2)本论文主要工作目的 (3)2 开关电源基础理论 (5)稳压电源简介 (5)隔离型开关电源简介 (6)非隔离型开关电源理论基础 (7)开关电源的基本构成 (9)开关电源的基本工作原理 (10)开关电源的优缺点 (12)开关电源的电路拓扑结构 (12)Buck变换器 (13)Boost变换器 (16)Buck-Boost变换器 (17)Cuk变换器 (17)3 DC/DC降压型开关电源设计 (20)DC/DC降压电路的设计 (21)交流电压转换电路 (22)整流电路 (23)滤波电路 (23)AD转换电路 (24)数字显示 (27)4电源电路仿真 (29)电源电路输出电压波形仿真 (29)电源转换效率仿真与稳定性仿真 (31)[参考文献] (33)致谢 (36)1 开关电源现状及前景国内外开关电源的发展状况电源管理芯片市场的品牌构成仍是国外厂商处于领先地位，市场排名前十的企业无一例外全部为外资企业，其中美国厂商优势明显。

双向DC—DC变换器的设计作者：闫方爱来源：《科技视界》2014年第12期【摘要】本文首先简单概述了双向DC-DC变换器的基本概念；然后从双向DC-DC变换器基本变换单元入手，详细分析了双向DC-DC变换器的基本工作原理，并利用其基本工作原理进行了电路设计，包括主电路拓扑设计、开关器件选择、高频变压器设计以及相关参数的计算及校正；最后，利用仿真软件对设计的电路进行了仿真验证。

【关键词】双向DC-DC变换器；高频变压器；升降压电路0 引言在一个系统中的直流电源（或直流源性负载）间需要双向能量流动的场合都需要双向DC-DC变换器，可以大幅度减轻系统的体积重量及成本[1]。

因此直流电机驱动系统、不停电电源系统、航空航天电源系统、太阳能（风能）发电系统、能量储存系统（如超导储能）、电动汽车系统等系统中都有其适用场合。

设计出更高功率密度、更高转换效率、更低成本、更高性能的DC-DC转换器一直是电源工程师追求的目标，也是高端电子产品快速发展和更高性能要求的需要[2-4]。

1 双向DC-DC变换器的原理双向DC-DC变换器是指在保持变换器两端的直流电压极性不变的情况下，能够根据需要调节能量双向传输的直流到直流变换器，如图1所示：双向DC-DC变换器置于V1和V2之间，控制其间的能量传输，I1和I2分别是V1和V2的平均输入电流。

根据实际应用的需要，可以通过双向DC-DC变换器的变换控制，使能量从V1传输到V2，称为正向工作模式（Forward mode），此时I1为负，而I2为正；或使能量从V2传输到V1，称为反向工作模式（Backward mode），此时I1为正，而I2为负。

图1 双向DC-DC变换器功能框图与传统的采用两套单向DC-DC变换器来达到能量双向传输的方案相比，双向DC-DC变换器用同一个变换器来控制能量的双向传输，使用的总体器件数目小，且可以更加快速的进行两个方向功率变换的切换。

再者，在低压大电流场合，一般双向DC-DC变换器更有可能在现成的电路上使用同步整流器工作方式，有利于降低通态损耗。

一种新型交错并联双向DCDC变换器一、概述随着可再生能源和分布式能源系统的快速发展，电力电子技术在能源转换和管理中扮演着越来越重要的角色。

双向DCDC变换器作为一种关键的电力电子设备，能够实现不同电压等级直流电源之间的能量转换，广泛应用于电动汽车、微电网、储能系统等领域。

传统的双向DCDC变换器通常采用单向或双向拓扑结构，但在某些应用场景中，如需要高效率和宽输入输出电压范围的情况下，传统的拓扑结构可能无法满足要求。

研究新型高效、宽范围的双向DCDC变换器具有重要意义。

本文提出了一种新型交错并联双向DCDC变换器，该变换器结合了交错并联技术和双向DCDC变换器的优点，具有高效率、宽输入输出电压范围、低纹波和低电磁干扰等特点。

本文首先介绍了新型交错并联双向DCDC变换器的基本结构和工作原理，然后详细分析了其运行特性和性能优势，最后通过实验验证了其在实际应用中的可行性和有效性。

本文的研究成果为新型高效、宽范围的双向DCDC变换器的设计和应用提供了有益的参考和借鉴。

1. 简述DCDC变换器的重要性及其在各种电力系统中的应用。

DCDC变换器，作为一种关键的电力电子装置，在现代电力系统中发挥着不可或缺的作用。

其重要性体现在对电能的高效转换、优化利用以及系统的稳定运行等多个方面。

随着科技的快速发展和能源结构的不断优化，DCDC变换器在各种电力系统中的应用日益广泛，涵盖了从微型电子设备供电到大型电网能量管理的多个领域。

在微型电子设备供电方面，DCDC变换器能够将不稳定的直流电源或交流电源转换为稳定的直流电源，为各种电子设备提供稳定可靠的电力供应。

例如，在手机、笔记本电脑等便携式设备中，DCDC变换器负责将电池中的直流电转换为适合设备运行的稳定电压，确保设备的正常运行。

在大型电网能量管理方面，DCDC变换器则发挥着更加重要的作用。

随着可再生能源的快速发展，如风能、太阳能等分布式电源在电网中的占比逐渐增加，电网的稳定性面临着巨大的挑战。

第28卷㊀第2期2024年2月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electri c ㊀Machines ㊀and ㊀Control㊀Vol.28No.2Feb.2024㊀㊀㊀㊀㊀㊀一种适合宽范围输出的双向DC-DC 变换器袁义生,㊀卢梓意,㊀刘伟(华东交通大学电气与自动化工程学院,江西南昌330013)摘㊀要:提出一种适合宽范围输出的双向DC-DC 变换器㊂该变换器结构与传统LLC 双向DC-DC 变换器类似,但通过开关管复用以及将谐振电感增加绕组复用为一个反激变压器,构造了多种工作模式㊂变换器采用PWM 调制,正向功率传输时有中㊁低两种电压增益模式,反向功率传输时有高㊁中㊁低三种电压增益模式,所有模式中均可实现全负载范围内的软开关状态㊂对各模式的工作原理㊁增益公式推导进行了详细的描述㊂最后以满足4-5节12V 蓄电池的充放电为前提,给出变换器设计和控制方法,并搭建了相应参数的实验样机㊂实验结果验证了该变换器分析的有效性㊂关键词:双向DC-DC 变换器;宽范围;多模式;谐振;软开关DOI :10.15938/j.emc.2024.02.015中图分类号:TM46文献标志码:A文章编号:1007-449X(2024)02-0152-10㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2022-05-23基金项目:国家自然科学基金(52067007);江西省自然科学基金重点项目(20232ACB204024)作者简介:袁义生(1974 ),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为电力电子系统及其控制;卢梓意(1996 ),男,硕士,研究方向为电力电子与电力传动;刘㊀伟(1985 ),男,博士研究生,研究方向为电力电子与电力传动㊂通信作者:袁义生Bidirectional DC-DC converter suitable for wide output rangeYUAN Yisheng,㊀LU Ziyi,㊀LIU 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 op-erating modes were constructed by multiplexing the switching and multiplexing the resonant inductor in-creasing 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 4-512V batteries,the design and control method of the converter is given,and the experimental prototype of the corresponding parameters is built.Experimental resultsverify the effectiveness of the proposed converter analysis.Keywords :bidirectional DC-DC converter;wide range;multi-mode;resonance;soft switching0㊀引㊀言近年来,随着直流配电[1-3]和电动汽车直流充电桩[4-5]技术的迅速发展,功率能够双向流动的DC-DC 变换器也得到了越来越多的研究,尤其是能够适应宽输入或宽输出电压范围工作的高效率㊁高电压增益的双向DC-DC 变换器㊂传统的双半桥或者双全桥双向DC-DC 变换器[6-7]具有软开关的优点,但缺点是正㊁反向电压增益都小于1,且关断时刻电流大㊁循环损耗大㊂LLC 谐振型双向DC-DC变换器[8]能够更好地实现软开关且关断电流和循环损耗更小,在正向工作时电压增益能大于1,但一般小于1.4;缺点是反向电压增益小于1,正向工作时开关频率调节范围过宽㊂双向CLLC谐振变换器[9]进一步提升反向电压增益大于1,但缺点是使用器件太多,功率密度较低,且开关频率调节范围过宽㊂带辅助电感的对称式双向LLC谐振变换器[10]比CLLC谐振变换器减小了一个谐振电容,但开关频率范围仍然较宽㊂文献[11]通过在二次侧增加一个双向交流开关,在保持高效的同时可以通过PWM调制增加变换器的电压调节能力,但是这增加了成本和复杂性㊂提高DC-DC变换器的电压增益范围有以下几种方案㊂1)调节谐振腔参数㊂文献[12]通过降低励磁电感使电路在低k值下运行,实现功率高密度㊂文献[13]采用一种充磁电感,在不同的模式中通过改变频率进而改变电感量,可以将导通损耗降到最低并且提高电压增益㊂2)引入辅助桥臂㊂文献[14]在原边增加了辅助双向开关桥臂让电路可以在常态运行和掉电保持运行之间切换,保证了输出电压稳定也提高了工作效率㊂文献[15]通过引入辅助桥臂,增加充能环节,有多种工作模式,拓宽了增益范围进㊂3)新型调制策略㊂文献[16-17]为了限制开关频率的变化并获得较宽的电压增益范围,提出了适用于低谐振变换器的恒频移相控制方法,但变换器在低电压增益或者轻载的情况下会失去零电压开关(ZVS)㊂文献[18-20]采用新型控制策略通过在全桥模式和半桥模式之间切换实现了较宽增益的输出㊂4)改变谐振腔电压㊂文献[21]提出的复合型谐振变换器通过复用谐振电感来提高功率密度,利用多种模态实现全负载下的宽增益输出㊂文献[22]采用两个变压器串联,有四种运行方式,可以覆盖最小输入电压的四倍范围,并且通过优化电路参数来达到较高的效率㊂本文通过器件复用,提出一种结构更简单,具有多种电压增益模式的双向宽范围输出的DC-DC变换器㊂该变换器采用PWM调制,开关频率固定,具有全软开关高效率的优点㊂1㊀拓扑结构及工作原理1.1㊀拓扑结构及工作状态图1为本文提出的适合宽范围输出的双向DC-DC变换器㊂该变换器左右侧均采用全桥结构,由8个开关管S1~S8及其反并二极管和寄生电容构成,通过一个原副边匝比为K1的主变压器T1隔离,是一个传统的桥式双向DC-DC变换器结构㊂此外,还有一个原副边匝比为K2的辅助变压器T2和开关管S9及其反并二极管D9,构成了一个反激双向DC-DC 变换器㊂辅助变压器T2的原边绕组电感L r复用作谐振电感,与谐振电容C r构成谐振腔㊂L m为T1的励磁电感,假设L m极大㊂图1㊀提出的适合宽范围输出的双向DC-DC变换器Fig.1㊀A wide gain multi-mode bidirectional DC-DC converter proposed提出的双向DC-DC变换器有正向功率传输和反向功率传输两种工作方式㊂正向工作时有中㊁低电压增益两种模式,反向工作时有高㊁中㊁低三种电压增益模式,适用于宽范围输出的场合㊂定义特征阻抗Z r=L r/C r,品质因数Q=π2Z r/(8K2R o),谐振频率f r=1/(2πL r C r),开关频率f s,归一化频率f n=f s/f r,谐振角频率ωr= 2πf r㊂1.2㊀正向功率传输方式及工作原理正向功率传输方式时,功率从左侧向右侧传输,有中㊁低两种电压增益模式㊂1.2.1㊀正向中电压增益模式正向中电压增益(forward medium gain,FMG)模式采用脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)调制,关键波形如图2所示㊂S1㊁S6㊁S7为第一组, S2㊁S5㊁S8为第二组,每组共同导通关断,两组开关管互补导通,占空比为D=[2(t1-t0)/T s]㊂S3㊁S4也是互补导通并且分别和第一组和第二组开关管同时开通,占空比接近0.5㊂一个开关周期分为三个阶段如图3所示,下面对三个阶段进行详细描述㊂351第2期袁义生等:一种适合宽范围输出的双向DC-DC变换器阶段1[t 0-t 1]:LC 谐振阶段㊂t 0时刻S 1和S 4导通,副边S 6和S 7和二极管D 6㊁D 7导通,形成LC 谐振回路㊂电容电压最大为ΔU Cr ,则此阶段副边的电感电流i Lr_F 可以表示为i Lr_F (t )=U i /K 1-U o +ΔU CrZ rsin(ωr t )㊂(1)本阶段通过LC 谐振从左到右传递能量㊂图2㊀FMG 模式的主要波形Fig.2㊀Main waveforms of FMGmode图3㊀FMG 模式各阶段的等效电路Fig.3㊀Equivalent circuits of each stage of FMG mode阶段2[t 1-t 2]:环流阶段㊂t 1时刻S 1㊁S 6㊁S 7关断,D 3迅速导通㊂由于谐振电感电流i Lr_F 不能突变,电容电流i Cr 会瞬间换向通过二极管D 5㊁D 8流向L r ㊂此阶段电容电压U Cr 近似不变,T 1原边短路谐振电感L r 承受(U o -U cr )的反向电压,谐振电流i Lr_F 直线下降㊂变压器电流i Lm 快速下降接近至0再反向㊂此阶段的电感电流i Lr_F 可以表示为i Lr_F (t )=i Lr_F (t 1)-U o +ΔU CrL r(t -t 1)㊂(2)本阶段原边环流,副边换流,L r 继续释放能量㊂阶段3[t 2-t 3]:死区阶段㊂t 2时刻S 4关断,原边电流通过D 2㊁D 3流向电源U i ,此时L r 承受[(U i /n 1)+U Cr -U o ]的正向电压,电流迅速上升㊂至t 3时刻,S 2㊁S 3㊁S 5㊁S 8均实现ZVS 开通㊂本阶段作用时间很短㊂1.2.2㊀正向低电压增益模式正向低电压增益(forward low gain,FLG)模式采用PWM 调制,仅开关管S 9工作,通过控制其占空比D f 来实现电压转换㊂开关管S 9和T 2以及右侧四个二极管构成了一个反激变换器,具体工作原理不再赘述㊂1.3㊀反向功率传输方式及工作原理反向功率传输时,输入电压为U o ,输出电压为U i ,有高㊁中㊁低三种电压增益模式㊂1.3.1㊀反向高电压增益模式反向高电压增益(reverse high gain,RHG)模式关键波形如图4所示㊂各开关管采用PWM 调制㊂副边两个上管S 5和S 6互补导通,(t 3-t 2)为两者间死区时间;两个下管S 7和S 8的导通占空比相等且大于0.5,它们分别与S 6和S 5同时触发导通㊂原边的开关管S 1㊁S 4和S 6同时开通关断,S 2㊁S 3和S 5同时导通关断㊂图4㊀RHG 模式的主要波形Fig.4㊀Main waveforms of RHG mode451电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀RHG 模式通过调整同一桥臂上下管共同导通的占空比D b =[2(t 1-t 0)/T s ]来调节增益㊂以下分析上半个周期[t 0-t 4]的4个工作阶段原理,其等效电路图如图5所示㊂图5㊀RHG 模式各阶段的等效电路Fig.5㊀Equivalent circuits of each stage of RHG mode1)阶段1[t 0-t 1]:Boost 阶段㊂t 0之前i Lr 初始值为0㊂此阶段S 6和S 8导通,电源U o 给谐振电感L r 储能,i Lr 线性上升㊂由于i Lr 初始值为0,所以实现了S 1㊁S 4㊁S 6㊁S 7㊁S 8的ZCS 开通㊂至t 1时刻,电感电流i Lr 上升为i Lr (t 1)=U o D b T sL r㊂(3)本阶段实现了L r 的储能㊂2)阶段2[t 1-t 2]:LC 谐振阶段㊂t 1时刻关断S 8,此时S 6㊁S 7导通,原边S 1㊁S 4㊁D 1㊁D 4导通,进入L r 和C r 谐振阶段㊂C r 初始电压为-U CrM ㊂此阶段谐振电流i Lr 和谐振电压U cr 分别表示为i Lr (t )=U o -U i /K 1+U CrMZ rsin[ωr (t -t 1)]+i Lr (t 1)cos[ωr (t -t 1)];(4)U Cr (t )=i Lr (t 1)Z r sin[ωr (t -t 1)]+U o -K 1U i -(U o -K 1U i +U CrM )cos[ωr (t -t 1)]㊂(5)本阶段通过LC 谐振从右到左传递能量㊂3)阶段3[t 2-t 3]:Flyback 阶段㊂t 2时刻关断S 6㊁S 1㊁S 4,S 7继续导通㊂此时L r 上的能量通过变压器T 2反激传输到U i 侧㊂反激电流为i f =K 2i Lr (t 2)-K 2U iL r(t -t 2)㊂(6)本阶段通过反激方式将L r 的剩余能量全部传递到原边㊂4)阶段4[t 3-t 4]:电流断续阶段㊂t 3时刻i f 下降至0,直至t 4时刻开始下半个周期㊂1.3.2㊀反向中电压增益模式反向中电压增益(reverse medium gain,RMG)模式关键波形如图6所示㊂各开关管采用传统的PWM 调制㊂副边的S 6㊁S 7,和原边的S 1㊁S 4为一组;副边的S 5㊁S 8,和原边的S 2㊁S 3为另一组㊂两组开关管导通占空比都是D m =[2(t 1-t 0)/T s ],导通时刻相差180ʎ㊂图6㊀RMG 模式的主要波形Fig.6㊀Main waveforms of RMG modeRMG 模式相比RHG 模式仅少了一个Boost 阶段㊂[t 0-t 3]是上半个周期的3种工作阶段,各阶段工作原理简述如下:1)阶段1[t 0-t 1]:LC 谐振阶段㊂此阶段工作原理等同于RHG 模式的LC 谐振阶段,区别仅在于谐振电感初始电流i Lr 为0,使得S 6㊁S 7实现ZCS 导通㊂2)阶段2[t 1-t 2]:Flyback 阶段㊂此阶段工作551第2期袁义生等:一种适合宽范围输出的双向DC -DC 变换器原理等同于RHG模式的Flyback阶段㊂3)阶段3[t2-t3]:电流断续阶段㊂此阶段工作原理等同于RHG模式电流断续阶段㊂1.3.3㊀反向低电压增益模式反向低电压增益(reverse low gain,RLG)模式采用PWM调制,右侧四个开关管S5-S8同时通断,通过控制其占空比D f来实现电压转换㊂这四个开关管和T2㊁D9构成了一个反激变换器,具体工作原理不再赘述㊂2㊀电压增益2.1㊀FMG模式电压增益G FMG本模式本质上等同于一个副边LC谐振变换器,因此其电压增益最大为1㊂推导如下㊂定义本模式电感电流i Lr_F在LC谐振阶段的平均值为I d_F,在Flyback阶段的平均值为I f_F,负载电阻为R o,则G FMG=U o Ui =R o(I d_F+I f_F)U i㊂(7)I d_F和I f_F可以表示为I d_F=2f sʏt1t0i Lr_F(t)d t=πU i(1/K1-G FMG)[1-cos(πD)][3+cos(πD)]8QR o[1+cos(πD)];(8)I f_F=2f sʏt3t1i Lr_F(t)d t=πU i sin2(πD)(1/K1-G FMG)2[3+cos(πD)]216QR o[2/K1-G FMG+cos(πD)][1+cos(πD)]㊂(9)联合式(7)㊁式(8)㊁式(9)可以得到有关G FMG㊁D㊁Q的隐函数f FMG(G FMG,D,Q)=8QG FMG[1+cos(πD)]-π(1-G FMG)ˑ[3+cos(πD)]{1-cos(πD)+sin2(πD)(1/K1-G FM G)[3+cos(πD)]2[2/K1-G FM G+cos(πD)]}㊂(10)根据式(10)绘出G FMG曲线如图7所示㊂可以看出,随着占空比D增大,最大增益接近1,并且能够在较大Q值下保持较好的线性调节能力㊂2.2㊀FLG模式电压增益G FLG本模式本质是一个工作在电流断续状态的反激变换器,其电压增益为G FLG=K2D f R oT s2L r㊂(11)图7㊀FMG模式的电压增益曲线Fig.7㊀Gain curve of FMG mode2.3㊀RHG模式电压增益G RHG本模式实质等同于Boost+副边LC谐振+Fly-back变换器,因此其最大增益大于1且易受Boost 阶段控制㊂定义本模式输出电流在LC谐振阶段的平均值为I d_R,在Flyback阶段的平均值为I f_R㊂总的输出电流平均值I i为I d_R和I f_R之和,U i侧负载电阻为R i㊂则㊀G RHG=U i Uo=R i(I d_R+I f_R)U o;(12)㊀I d_R=2K1f sʏt2t1i Lr(t)d t=2K1U o{(1-K1G)[1-cos(D m-D b)]+πD b sin(D m-D b)+2πD b[1-sin(1-D d)]}/{πZ r[1+cos(D m-D b)]};(13)㊀I f_R=2K1f sʏt2t1i f_R(t)d t=L r f s i2Lr(t2)K2U i㊂(14)将式(13)㊁式(14)代入到式(12)得到有关G RHG㊁D m㊁D b㊁Q的隐函数f RHG(G RHG,D m,D b,Q)=π8K21Q{1+cos[π(D m-D b)]}ˑ{2K1πD b sin[π(D m-D b)]+4K1πD b{1-sin(πD m)}+2K1(1-K1G RHG){1-cos[π(D m-D b)]}+12K2G RHG{1+cos[π(D m-D b)]}ˑ{πD b{1+cos[π(D m-D b)]}+2(1-K1G RHG)sin[π(D m-D b)]+2πD b{1-sin[π(D m-D b)]}ˑsin[π(D m-D b)]}2}-G RHG㊂(15)651电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀2.4㊀RMG模式电压增益G RMGRMG无RHG模式的Boost阶段,将D b=0代入式(15)得到G RMG的隐函数f RMG(G RMG,D m,Q)=G RMG-π(1-K1G RMG)4K2K21QG RMGˑ1-cos(πD m)1+cos(πD m)㊂(16)根据式(15)㊁式(16)绘出G RHG和G RMG的特性曲线如图8所示㊂图中实线表示G RMG与Q值和D m 的关系,D m在0~0.8之间调节㊂图8中虚线表示G RHG㊁Q值和D b的关系,D b在0~0.4范围之间调节㊂在D b到达0.2时G RHG就达到1.4,超过传统LLC谐振型DC-DC变换器的增益㊂图8㊀RHG和RMG模式的特性曲线Fig.8㊀Characteristic curves of RHG and RMG modes 2.5㊀RLG模式电压增益G RLG本模式本质是一个工作在电流断续状态的反激变换器,电压增益G RLG=D f K2R i T s2L r㊂(17)3㊀所提变换器的设计设计一个可以对4-5节额定电压为12V的蓄电池组进行充放电的双向DC-DC变换器,其充电电压为55.4~73.5V,放电电压为42~73.5V,设计参数见表1㊂3.1㊀正反向电压增益假设实际需求双向DC-DC变换器最大正向增益为G F,最大反向增益为G R,当主变压器变比K1= 1时双向DC-DC变换器能达到的最大正向增益为G1,最大反向增益为G2,则设计的双向DC-DC变换器的变比K须满足以下条件:G Fɤ1K G1;G RɤKG2㊂}(18)即G RG2ɤKɤG1G F㊂表1㊀设计的参数范围Table1㊀Experimental scope of the design 工作方式实验参数㊀㊀㊀取值正向工作方式输入电压U i/V220额定输出电压/V60额定功率P o/W450输出电压范围U o/V30~73.5开关频率f s/kHz100反向工作方式输入电压U o范围/V42~73.5输出电压U i/V220额定输入电压/V60额定功率P o/W450开关频率f s/kHz100要使电路能达到实际需求,则K1值要有解,所以电路增益要满足G1G2ȡG F G R㊂(19)根据表1得到G F=0.3,G R=5.2㊂代入公式(18),有G1G2ȡ1.56㊂而根据图7和图8所示,本文所提电路只要选择合适的参数,能较容易满足该双向增益条件㊂此处选择G FMG=G1=0.98,G RHG=G2=1.75㊂3.2㊀变压器匝比设计选择好G FMG和G RHG后,设计K1=3㊂设计K2= 1,使变换器在双向工作时均能在Flyback阶段将电感剩余能量馈到负载端㊂3.3㊀品质因数和最大占空比将0.9G RMG设为额定增益G o,则在实际工作增益小于G o时是中增益模式,大于G o时切换成高增益模式㊂定义额定增益下的品质因数Q o=0.2,根据式(15)和式(16),计算得到最大占空比D m_max= 0.8㊂3.4㊀谐振参数设计根据f r和Q o来设计L r和C r,有:751第2期袁义生等:一种适合宽范围输出的双向DC-DC变换器L r =8U 2i G 2o Q oπ2ωs P i;C r =π2P i8U 2i G 2o ωs Q o㊂üþýïïïï(20)其中:P i 为额定功率;角频率ωs =2πf s ㊂将各参数代入上述公式可得:L r =22.5μH;C r =112.6nF㊂4㊀实验分析为了验证提出的双向DC-DC 变换器,制作了一台实验样机,实物照片如图9所示㊂样机工作参数见表1,其他参数如表2所示㊂图9㊀样机实物照片Fig.9㊀Photo of prototype表2㊀实验参数Table 2㊀Experimental parameters器件参数㊀数值主变压器T 1匝比K 13原边电感/漏感810μH /0.2μH 副边电感/漏感90μH /0.2μH 辅助变压器T 2匝比K 21原边电感L r /漏感22μH /0.6μH 副边电感/漏感22μH /0.6μH谐振电容C r 谐振电容C r 110nF 开关管IRF4609个所提变换器采用了最简单的单电压环控制,各个工作模式的切换通过对电压环的输出数值设置不同的阀值进行切换㊂4.1㊀正向工作关键波形设计的双向DC-DC 变换器正向工作范围为输入电压220V,输出电压30~73.5V㊂图10~图12分别为输入电压U i =220V 时,FMG 和FLG 模式下输出电压U o =73.5㊁55.4㊁30V的关键波形㊂图10㊀FMG 模式下73.5V 输出关键波形Fig.10Key waveforms with 73.5V output in FMGmode图11㊀FMG 模式下55.4V 输出关键波形Fig.11㊀Key waveforms with 55.4V output in FMG mode图10为U i =220V㊁U o =73.5V 时,FMG 模式下的关键波形㊂此时的电感电流连续,电容电流i Cr在开关管关断时进行换向,在下一次开关管导通之前与电感电流i Lr 保持一致并进行谐振直到下一次开关管关断进行换流㊂851电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀图12㊀FLG 模式下30V 输出关键波形Fig.12㊀Key waveforms with 30V output in FLG mode图11为U i =220V㊁U o =55.4V 时,FMG 模式下的关键波形㊂图12为U i =220V㊁U o =30V 时,FLG 模式下的关键波形,此时反激占空比D f =0.2㊂电路工作在DCM 模式㊂4.2㊀反向工作关键波形设计的双向DC-DC 变换器反向工作范围为输入电压42~73.5V,输出电压220V㊂图14~图15分别为输入电压U o =42V㊁73.5V 时,RHG 和RMG 模式下输出电压U i =220V 的关键波形㊂图13㊀RHG 模式下220V 输出关键波形Fig.13㊀Key waveforms with 220V output in RHG mode图13为U o =42V㊁U i =220V 时RHG 模式下的关键波形,此时D b =0.35㊂由图可知,电感电流i Lr 在Boost 阶段线性上升,随后和谐振电容C r 进行谐振㊂在S 5和S 6关断时谐振电感电流i Lr 会以Fly-back 的模式通过T 2变压器流到负载端㊂i Lr 会在周期内复位,可以实现ZCS 开通㊂工作在RHG 模式下,电路只有谐振阶段和Flyback 阶段两个阶段向负载馈能㊂图14㊀RMG 模式下220V 输出关键波形Fig.14㊀Key waveforms with 220V output in RMG mode图14为U o =73.5V㊁U i =220V 时RMG 模式下的关键波形,此时占空比D m =0.8㊁㊂相比RHG 模式,RMG 模式没有Boost 阶段,其谐振及软开关过程均与反向HG 模式相同㊂当输出电压降低使得D m 小于0.55时,电路会工作在RLG 模式下,提高电路的效率㊂4.3㊀切载波形及效率曲线图15为电路随负载变化而切换工作模式的动态响应波形㊂图16为提出的双向DC-DC 变换器和传统LLC 谐振双向DC-DC 变换器[8]在U o =60V 的条件下,正向㊁反向工作的效率曲线㊂为了提高传统LLC 谐振双向DC-DC 变换器的电压增益,实验时将其变压器励磁电感减小到50μH㊁漏感增大到10μH,其余参数与提出的变换器一致㊂由图17可见,传统双向DC-DC 变换器最高效率为88.32%,提出的变换器整体效率高于传统双向变换器,且工作在额定功率450W 时达到最高效率94.56%㊂951第2期袁义生等:一种适合宽范围输出的双向DC -DC 变换器图15㊀负载切换动态响应波形Fig.15㊀Dynamic response waveform with loadswitching图16㊀不同工作方式的效率曲线Fig.16㊀Efficiency curves with different modes5㊀结㊀论本文提出了一种适合宽范围输出的双向DC-DC 变换器,该变换器具体有以下几个优点:1)正向功率传输有两种电压增益模式,反向功率传输有三种电压增益模式,适合宽范围电池充放电场合,有较高的最高电压增益;2)采用定频PWM 调制,磁性器件设计简单;3)低增益模式的反激变压器的电感复用做中高增益模式的LC 谐振的谐振电感,提高了电路的功率密度;4)全负载范围内均实现了软开关,降低了开关损耗㊂参考文献:[1]㊀李建国,赵彪,宋强,等.直流配电网中高频链直流变压器的电压平衡控制策略研究[J ].中国电机工程学报,2016,36(2):327.LI Jianguo,ZHAO Biao,SONG Qiang,et al.DC voltage balance control strategy of high frequency link DC transformer in DC distri-bution system[J].Proceedings of the CSEE,2016,36(2):327.[2]㊀SHE X,HUANG A Q,BURGOS R.Review of solidstate trans-former technologies and their application in power distribution sys-tems[J].IEEE Journal of Emerging &Selected Topics in Power E-lectronics,2013,1(3):186.[3]㊀熊雄,季宇,李蕊,等.直流配用电系统关键技术及应用示范综述[J].中国电机工程学报,2018,38(23):6802.XIONG Xiong,JI Yu,LI Rui,et al.An overview of key 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mosfts75nf75iiiiii11课题背景目的及意义111课题的背景112课题的目的及意义12论文的主要工作和安排dcdc转换技术的选取21dcdc转换技术基本慨述211dcdc转换技术的介绍212dcdc转换技术的特点22dcdc转换技术常用的几种基本电路技术介绍221典型的dcdcpwm变换器的组成和基本原理222降压型buck技术223升压型boost技术224升降压型buckboost技术225cuk技术23几种常用dcdc转换技术的比较24本章小结dcdc电源转换器方案设计1031dcdc电源转换器设计10311系统结构原理图10312系统工作过程1032系统主要器件的选取及介绍10321电流控制芯片的选取及介绍10322mos开关管的选取及介绍dcdc转换器系统硬件设计1741整个dcdc转换系统的工作过程和实现原理1742电源电流取样模块的设计1843电源电压反馈模块的设计2144电流控制芯片外围模块的设计22441mosfet脉冲驱动电路模块的设计22442rc振荡模块的设计24iviv45提高开关电源效率的设计2446本章小结2651计算机辅助设计26511设计软件介绍26512硬件电路原理图设计26513pcb制作2652电路板焊接2753系统调试27531电源的调试27532控制芯片uc3845的测试27533整个系统的检测2854本章小结30总结31致谢33参考文献34附录1硬件实物图35附录2硬件pcb36附录3系统电路原理图35附录4元件清单绪论11课题背景目的及意义111课题的背景随着电子技术的飞速发展集成电路工作电压越来越低工作速度越来越高输出电流能力越来越大要求其供电电路小体积低电压高效率大电流输出这一趋势对供电电路的设计提出了严峻的挑战
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4.5 提高开关电源效率的设计 .................................................................................. 24 4.6 本章小结 .............................................................................................................. 25 第 5 章 硬件制作和调试 .............................................................................................. 26 5.1 计算机辅助设计 ................................................................................................... 26 5.1.1 设计软件介绍 ................................................................................................. 26 5.1.2 硬件电路原理图设计 ..................................................................................... 26 5.1.3 PCB 制作 .......................................................................................................... 26 5.2 电路板焊接 ........................................................................................................... 27 5.3 系统调试 ............................................................................................................... 27 5.3.1 电源的调试 ..................................................................................................... 27 5.3.2 控制芯片 UC3845 的测试 .............................................................................. 27 5.3.3 整个系统的检测 ............................................................................................. 28 5.4 本章小结 ............................................................................................................... 30 总结 ................................................................................................................................ 31 致谢 ................................................................................................................................ 33 参考文献 ........................................................................................................................ 34 附录 1 硬件实物图 ....................................................................................................... 35 附录 2 硬件 PCB 图 ...................................................................................................... 36 附录 3 系统电路原理图 ............................................................................................... 35 附录 4 元件清单 ........................................................................................................... 37

双向DC—DC变换器的拓扑研究双向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。

标签：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。

一种新型的零电压开关双向DC-DC变换电源在许多场合下，需要有能将直流电源进行双向变换的装置，以燃料电池为能源的电动车驱动系统，就是一例。

在该系统中，同时具有普通酸铅蓄电池和燃料电池，普通酸铅蓄电池作为车辆冷起动动力，提供12～24V的低电压电源。

起动后，用燃料电池提供150～300V的车辆驱动电压。

因此，在电动车起动时，要求能将普通蓄电池输出的12～24V直流电压提升到150～300V，以起动系统开始工作。

当系统进入正常工作后，用燃料电池的电能，对酸铅蓄电池进行充电，以恢复电池的能量消耗。

双向DC-DC电源也可用于供电系统的直流操作电源中，供电系统的直流操作电源，通常用蓄电池作为后备电源，当使用双向直流变换电源后，可有效地减少后备电池的数量。

对双向直流电源通常要求其具有高效、隔离、低辐射等特点，同时也要求电路结构简单，易于控制。

系统的结构及工作原理双向直流变换系统的结构如图1所示，高频变压器T两侧的电源电压不同，电源能量能进行双向传送。

从电路结构看系统具有以下特点。

图1DC-DC双向变换电路结构图电路的特点用变压器作为隔离高、低压侧分别有既可整流又可逆变的变流装置。

用IGBT或MOSEFT管作为开关器件构成桥式或半桥式整流逆变电路。

若在图1的整流逆变或逆变整流框中，用全桥电路代换之，则得到双向DC-DC变换器主电路，如图2所示。

为充分发挥电路的功能，在高频变压器的右侧接入一个电感Lk，用作电压提升。

考虑到在保持功率平衡的条件下，需低压侧提供较大的电流，低压侧的电压波动对高压侧电压的稳定影响较大，因此在高压侧接入储能电感，这样控制输出电压的效果更好。

正常情况下的能量流向是，从高压侧向低压侧方向，低压侧的蓄电池处于充电状态，另外低压侧负载需要消耗一定的能量。

当能量从低压侧向高压侧流动时，具有短时和大电流的特点，通常只在系统起动或故障状态下出现。

图2DC-DC双向变换主电路原理图电路的工作原理由于在MOSEFT管的d,s端或IGBT管的c,e端反并联了二极管，因此2个桥式电路均具有整流功能，逆变时需要对MOSEFT或IGBT管加触发脉冲。