雙向諧振變換器的研究現狀

常見的雙向諧振變換器主要有雙向串聯諧振變換器(Serious Resonant Converter, SRC)和雙向 LLC 諧振變換器。圖 1-6 所示為雙向 SRC 的電路拓撲。有文獻報道采用移相控制使得開關管均能實現 ZVS 或 ZCS，但雙向 SRC 的調壓能力有限，其最大電壓增益為 1。

有文獻提出了一種新的控制方法使雙向 SRC 工作在間歇模式下，通過累積能量來提高輸出電壓，其電壓增益可以大于 1。但在 2k W 負載下，控制策略復雜，效率為 91%。也有文獻提出了一種采用連續電流模式的升壓雙向 SRC，其在寬功率范圍內具有較高的效率，輸入電壓為 60V 時的滿載效率為 90％。由于雙向 SRC 反向工作時只能降壓，因此不適合電壓變化范圍較大的場合應用。

雙向 LLC 諧振變換器從拓撲結構上可以將其分為不對稱型和對稱型兩大類，下面分不對稱型和對稱型進行介紹。

（1）不對稱型

不對稱型雙向 LLC 諧振變換器的電路拓撲主要有圖 1-7、圖 1-8 和圖 1-9 三種電路結構。傳統雙向 LLC 諧振變換器是直接用功率器件MOSFET 替代單向 LLC 諧振變換器中的二極管構成，如圖 1-7 所示。其正向工作時的運行機理與單向 LLC 諧振變換器一致，但是由于 Lm在反向工作時被箝位，所以反向工作時只有Lr 和Cr 諧振，此時最大電壓增益為1。

為了增大反向運行時的電壓增益，有文獻通過在一次側的全橋中點增加輔助電感Lm2 對圖 1-7 所示的電路拓撲進行改進，使其正反向的工作模式能夠自動切換，其拓撲結構如圖 1-8 所示。Lm2起類似于勵磁電感 Lm的作用，有利于開關管實現 ZVS，但 Lm2的存在使得損耗增加，效率降低。

通過在二次側增加輔助電容 Cr2對圖 1-7 所示的傳統雙向 LLC 諧振變換器進行改進，見圖 1-9。Cr2使變換器在正反向工作時均能實現 ZVS和 ZCS，但由于不對稱的拓撲結構使得變換器雙向運行時的工作特性不同，增加了參數設計的難度和控制的復雜度。

由上述分析可知，不對稱的電路結構使得雙向 LLC 諧振變換器在應用時存在一定的不足。首先，變換器在正反向運行時的運行特性可能不一致；其次，由于電路結構的不對稱會導致變換器參數設計和控制較為復雜。

（2）對稱型

下面單獨對對稱型的雙向 LLC 諧振變換器進行重點分析，對稱型的電路拓撲主要有圖1-10 所示的雙向全橋 LLC （ DAB-LLC ）諧振變換器和圖 1-11 所示的雙向半橋 LLC 諧振變換器（ HB-LLC）。

對稱型的雙向 LLC 諧振變換器通過在二次側增加Lr2 和Cr2 ，使得變換器在正反向工作時都存在一模一樣的 LLC 諧振網絡。由于實際電路中 Lm是存在于變壓器中的，所以圖1-10 和圖 1-11 所示的變換器，其在電路結構上是完全對稱的。

有學者從參數設計、數學建模、性能改進和控制策略等方面對 DAB-LLC 變換器和 HB-LLC 變換器進行深入的研究。參數設計方面，有學者針對 DAB-LLC 變換器在直流變壓器上的應用，在考慮實際的電感值和電容值會隨溫度和功率的變化而與理論設計值不同的基礎上，提出了一種適用于直流變壓器的參數設計方法。有學者先通過DAB-LLC 變換器的增益特性確定幾組諧振網絡的參數，再利用 MATLAB 軟件對其進行損耗分析，最后選擇出效率最優的一組參數作為最終參數。但其參數設計流程復雜，計算繁瑣。有學者針對 DAB-LLC 變換器在電動汽車上的應用，提出了一種在所有情況下電壓增益曲線總是單調減小的參數設計方法，但其在輕載時效率較低。有學者采用迭代法，先假定一次側諧振電感與勵磁電感的比值（電感比）k 的值，再對 DAB-LLC 變換器的其他參數進行設計，計算過程較為繁瑣。有學者針對 DAB-LLC 變換器在低壓直流配電系統中的應用，提出了一種在單位增益時的參數設計方法。但在一定條件下的電壓范圍較小，不適合應用在電動汽車場合。

建模方面，有學者采用一種新的擴展諧波近似建模方法對 HB-LLC 諧振變換器進行建模，并在此基礎上提出的相位跟蹤技術使變換器的效率提高了 1.8%。有學者在研究一種能夠精確確定漏感的變壓器損耗建模方法的基礎上，考慮體積、重量、匝數、鐵芯和繞組規格之間關系，提出了一種基于遺傳算法的多目標優化算法，能使 HB-LLC 變換器的峰值效率達到 98.2％。有學者建立了包括 DAB-LLC、CLL 和 LLC 各種雙向諧振變壓器的分析模型，提出將電感比作為設計變壓器的指導原則。有學者]采用時域分析法進行建模，探討了 DAB-LLC 變換器的電壓傳輸比、電感比和開關頻率對不同工作模式的影響，且能夠預測諧振電流、電壓特性和輸出功率特性，但是時域分析法的方程階數較高、變量較多和代數運算過程較為復雜，求解困難。

性能改進方面，有學者將 DAB-LLC 變換器串聯作為車載充電電源的第二級輸入，采用可變直流電壓跟蹤充電電池的寬電壓范圍，并使用集成變壓器來提高功率密度。文獻[36]詳細分析了 DAB-LLC 變換器中不同工作頻率對三種不同磁芯材料變壓器設計的影響，從變壓器的角度優化變換器的性能。有學者將一種新穎的同步整流技術應用到具有集成變壓器的 HB-LLC 諧振變換器中，提高了變換器的性能。有學者對 4 種不同的雙向 DC-DC 變換器進行綜合比較，考慮到效率、尺寸和成本等因素，在 1k W 時 HB-LLC變換器性能最優。有學者對 DAB-LLC 變換器進行改進，使其工作在固定增益和諧振頻率下，并采用SiC MOSFET 來降低損耗，提高效率，但沒有進行實驗驗證。文有學者分析了 50%占空比控制方案下的開關死區時間對 DAB-LLC 變換器 ZCS 軟開關的影響，但沒有給出開關死區時間的具體計算過程。有學者對 HB-LLC 諧振變換器中的諧振電感進行集成，以減小功率密度。有學者提出了 DAB-LLC 變換器的最大效率跟蹤方法，但沒有搭建硬件電路進行證明。有學者在 DAB-LLC 變換器中對比了 GaN 功率器件和 Si MOSFET，從元器件的角度優化 DAB-LLC 變換器的性能。有學者對 DAB-LLC 變換器中的變壓器進行了研究，設計了一種集成式磁性變壓器，該變壓器不僅可以減小磁體積，保持高效率，而且還可以改善散熱性能。

控制策略方面，有學者采用變頻相位控制的策略來控制 DAB-LLC 變換器，能夠有效降低無功功率，提高變換器的效率。有學者對 DAB-LLC 變換器采用脈沖頻率調制和脈沖寬度調制混合調制的方法，使得電壓和電流紋波減小，變換器功率增大。有學者采用開環定頻的方式，方法簡單，但是不適用于負載變化的場合。有學者采用死區控制對DAB-LLC 變換器進行控制，能使輸出電壓在進行換向工作時比較平滑，但存在電壓紋波較大的不足。

DAB-LLC 變換器所具備的優良性能很大程度上取決于三個參數——變壓器變比 n 、電感比 k 和品質因數Q 。但現有文獻在對 DAB-LLC 變換器進行參數設計時，電感比 k 和品質因數 Q 的取值一般是通過經驗法或者試湊法得到，這使得所設計的參數適用范圍小，準確度低。

針對上述問題，本文在描述 DAB-LLC 變換器工作原理的基礎上，運用基波分析法（ First Harmonic Approximation，FHA）對 DAB-LLC 變換器進行建模，詳細分析其工作特性，推導了基于感性電壓增益最大值對電感比 k 的約束關系和軟開關條件對品質因數 Q 的約束條件，一種通過數學解析式結合圖形實現諧振網絡參數優化的設計方法。

DAB-LLC 變換器的設計

參考了國標 GBT18487.1-2015 ， 將 DAB-LLC變換器的低壓側電壓V2設為200V~500V ，并結合實際，確定了 DAB-LLC 變換器的其他設計指標，如表 4-1 所示。

SiC MOSFET 雖然在結構上與 Si MOSFET 類似，但是特性存在差異，所以為了更好地應用SiC MOSFET ，下面在對比分析SiC MOSFET 和Si MOSFET 靜態特性的基礎上，并兼顧變換器在高頻下存在的橋臂串擾問題，設計了一種SiC MOSFET 的驅動方案。

SiC MOSFET 和普通 Si MOSFET 一樣，均屬于電壓控制型器件，但 SiC MOSFET 的驅動設計與Si MOSFET 不同，主要表現為驅動電壓和驅動速度的不同。SiC MOSFET 的閾值電壓只有 2.2V，容易被誤觸發，尤其是高頻工作狀態時，過高的di/dt 會在驅動回路上造成電壓振蕩，引起誤觸發，所以常采用負壓關斷。所以傳統Si MOSFET 的驅動方案不適用于SiC MOSFET ，需要專門設計。

SiC MOSFET 的閾值電壓和負向擊穿電壓較低，柵極寄生電阻較大，又因為DAB-LLC 變換器在高頻工作狀態下較易發生橋臂串擾，所以由串擾引起的電流會在柵極電阻上產生電壓，一旦超過SiC MOSFET 的閾值電壓或者耐壓下限，就可能引起誤導通，甚至造成門極擊穿。因此，抑制串擾是設計SiC MOSFET 驅動電路需要考慮的關鍵因素。

綜合考慮SiC MOSFET 的特性及 DAB-LLC 電路存在的串擾問題，在進行驅動電路的設計時，正壓選擇+20V，負壓選擇-4V。采用集隔離和保護為一體的ACPL-W346 作為驅動 IC ，可以實現10V~20V 的寬輸出電壓，同時驅動電流較大。

綜上所述，可得圖 4-6 所示的SiC MOSFET 驅動原理圖。

為了得到比較理想的驅動脈沖，在驅動芯片輸入側加入了施密特觸發器U1。C4相對于Cgs較大，以抑制串擾，限幅二極管D2和D3以防止過高的驅動電壓損壞 SiC MOSFET的柵源極。

西安理工大學李海平的研究工作雖取得一定成果，但仍有很多方面值得深入研究：

（1）進一步提高電壓范圍，滿足電網與電動汽車互動技術實際所需的 200V-500V 電壓范圍，甚至更寬的輸出電壓范圍。

（2）為了提高蓄電池的使用壽命，應結合 DAB-LLC 變換器的具體特點，研究先進的充電控制方法。

（3）針對容性負載，進一步優化 DAB-LLC 變換器參數。