双向dc-dc变换器，双向隔离DC/DC变换器的基本工作原理

很多朋友对双向dc-dc变换器，双向隔离DC/DC变换器的基本工作原理不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

随着车载OBC、便携式储能等应用的普及，总是需要在能量产生部分和设备之间进行双向能量传输，因此在这些应用中需要双向DC/DC转换器。开关损耗优化、EMI的降低、高频的需求等，常用的双向隔离DC/DC转换器是对称全桥CLLC转换器。通过这篇文章，我们简单讨论一下这种拓扑的工作原理。

一、申请背景

在典型的双向DC/DC变换器中，移相全桥双向变换器是其中之一，但其典型特点是只能用于降压应用，这限制了其应用场景。另一种典型的双向DC/DC变换器是升压全桥ZVS双向DC/DC，它可以进行低压到高压的升压转换，也可以进行高压到低压的降压转换，但其开关电压应力很大，需要增加吸收电路，导致效率下降，电路复杂度增加。

LLC谐振变换器由于其原边开关的ZVS特性和副边整流的软换流方式，在降低开关损耗方面非常有优势，但它只能用于单向应用。在此基础上，开发了双向CLLC变换器。在该拓扑中，如果变压器匝数比不为1，则其正向和反向工作模式也不同，并且具有不同的初级侧和次级侧谐振网络。

这里我们以对称CLLC为例讨论该拓扑的主要工作原理。

我们分析的拓扑如图1所示。初级侧为逆变级，次级侧为整流级，中间有一个对称的高频变压器。

图1 双向全桥CLLC转换器

它是完全对称的结构，能量通过原边开关逆变，然后通过变压器传输到副边，并起到电气隔离的作用，然后副边进行整流，产生输出电压。由于变压器的匝数比设计为1:1，因此反向操作与正向操作完全相同。

主要参数说明如下：

输入电压Vin为400VDC，输出电压Vo也为400VDC。

Lr1和Lr2是原边和副边的谐振电感，其中还包括原边和副边的漏感。

Cr1、Cr2是原边和副边的谐振电容，各自的谐振电感产生高频谐振频率。

变压器的励磁电感为Lm，匝数比为1：1。

供电方式潮流方向为从左向右，潮流方向为正；从右到左为发电模式，流向为负。

2、功率级工作原理简析

在单个开关周期内，变换器有模式1至模式6 6种工作模式，其中模式1、2、3对应一组开关管，模式4、5、6对应另一组开关管。管子。另外，模式1和4是死区阶段，模式2和5是谐振和能量转移阶段，模式3和6是谐振结束后的阶段。

当原边开关管传输能量时，原边主开关工作在逆变模式。我们只讨论副边非同步整流方式，即二极管整流方式，所以整流时副边MOSFET整流器是关闭的，同步整流方式放到后续讨论。

由于电路完全对称，我们只分析能量传递的一个方向，即供电方式从初级侧到次级侧的方向。在能量从二次侧转移到一次侧的发电模式下，电路原理、效率、控制算法完全一致。

图2 双向CLLC理想波形示意图

3、工作模式详细分析

接下来我们详细分析一下各个模式，

模式1，即图2中的Ta和Tb之间，是Si1和Si2导通之前的死区状态，该状态的电流路径图如图3所示。因为在死区时间内，所有开关管管子不导通，原边不向副边传输能量，原边电流只有反向磁化电流，会对Si1和Si2的输出寄生电容进行放电，由于输入电压接在两个半桥，磁化电流同时对Si3和Si4的输出寄生电容充电。当磁化能量大到足以将寄生电容放电至0电压时，磁化电流将流过Si1。以及Si2的寄生体二极管，这为后续Si1和Si2的零电压开通ZVS创造了条件。

图3 模式1电流路径示意图-死区

模式2，即图2中的Tb和Tc之间，由于死区结束，Si1和Si2开关导通，输入电压施加到电路的初级侧，因此初级侧电流ip开始强行由负向正转换，输入端的能量传输到输出端。由于变压器在此阶段输出端Vo为低阻抗，Lm的磁能是线性建立的，因此不参与谐振过程。

图4 模式2电流路径示意图——谐振

公式1，

在忽略死区时间的情况下，该阶段初级电流的表达式如公式1所示，Vcr1是Cr1谐振电容上的电压，VTr是变压器两端的电压。

初始电流ip(tb)可用下式2表示，Ts为开关周期，

公式2，

上式中，ip(b)实际上是励磁电流峰值的绝对值，可以通过将输入电压施加到谐振电感和励磁电感上来获得。请注意，此处需要消除谐振结束和开关脉冲结束之间的差异。部分时间，谐振电容上的电压在半个周期内积分平均值为0，可以忽略不计。

此时，磁化电流的起始点已知，因此磁化电流可用下式3表示：

公式3，

在这个瞬时磁化电流表达式中，我们加上谐振电容电压部分，im(tb)就是ip(tb)，

在此阶段，初级电流ip 谐振到峰值然后下降。当它下降到励磁电流值时，次级电流变为0，这个能量传递阶段结束。我们想象一种特殊情况，即变换器工作在谐振频率fr，此时谐振结束正好进入下一个死区阶段，即开关脉冲结束。此时式2中的为0。

图5. 模式3电流路径示意图-谐振结束后

原边电流ip谐振到励磁电流im后，此时谐振过程停止，功率不再从原边传输到副边，因此副边电流从is变为0，此时输出电容不能通过充电进一步增加，在此阶段初级电流

Ip等于im，磁化电流一直保持到Si1和Si2开关闭合为止。

在此阶段，由于输出端和原边是分离的，Lm参与谐振操作，并且将形成一个谐振腔，该谐振腔由Lm、Lr1和Cr1组成。该模式下，原边电流ip跟随im，当电感值较大时可以忽略谐振，否则原边电流ip可表示为：

四级方程式

图6 模式4电流路径-死区时间示意图

以上是阶段d-e，该阶段也是死区阶段，与模式1类似，当切换到Si3和Si4开关时，但是寄生电容的充电和放电与模式1相反，此时对于Si3 Si4和Si4的寄生电容被放电，Si1和Si2的寄生电容被充电，初级电流ip将流过Si3和Si4的体二极管，从而产生ZVS的导通条件。

图7. 模式5 电流路径- 谐振级示意图

该模式对应于e-f阶段，Si3和Si4导通，转换器开始将能量从初级侧传输到次级侧。事实上，在相反的方向上，模式5表现出与模式2相同的工作特性，只是逆变器开关从Si1和Si2变为Si3和Si4。

5 级方程式

初级电流ip 的表达式如公式5 所示。

6 级方程式

此时，im磁化电流可以如公式6所示表示。注意，这里e开头的磁化电流与初级电流相同。

图8. 模式6电流路径示意图-谐振停止阶段

该模式对应于f-g 阶段。在模式5之后的部分时间内，从初级侧向次级侧传输功率的动作将被切断。此时，副边电流为0。由于该级的存在，副边整流桥体二极管So3和So4也柔和地相互作用，从io1的电流波形可以看出和io3 的典型波形。谐振结束后体二极管电流将变为0，不会造成反向恢复问题。

七级方程式

与模式3 类似，原边电流ip 的表达式如公式7 所示。

综上所述，以上简要介绍了典型双向隔离DC/DC变换器的基本工作原理和典型工作波形，作为后续分析的基础。

参考：

用于直流配电系统高频隔离的双向CLLC 谐振转换器的设计方法

以上知识分享希望能够帮助到大家！