全橋CLLC的雙向隔離變換器設(shè)計

周 帥，馬升潘，張 慶

（1.株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南株洲 412000；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266000）

0 引言

隨著“碳達峰”、“碳中和”計劃的提出，新能源產(chǎn)業(yè)尤其是電力應(yīng)用相關(guān)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，軌道交通行業(yè)作為傳統(tǒng)的“電力驅(qū)動”行業(yè)之一，其發(fā)展也備受關(guān)注。軌道交通產(chǎn)業(yè)的細分應(yīng)用領(lǐng)域之一——城市地鐵，為市民出行提供舒適、便利。地鐵緊急通風系統(tǒng)作為的車輛的重要組成部分，能在車輛發(fā)生故障時為乘客提供的較舒適環(huán)境，降低車輛故障帶來的社會影響?，F(xiàn)階段，車輛一般采用獨立的緊急通風逆變裝置，通過從DC110 V控制蓄電池引入直流電源，通過逆變來實現(xiàn)此功能。此種方式存在設(shè)備體積大、成本高、電池缺乏有效隔離等問題。因此，業(yè)內(nèi)急需尋找一種更輕便、更經(jīng)濟的方案來替代緊急通風逆變裝置。具有雙向能量流動能力的DC/DC 拓撲結(jié)構(gòu)，正向工作時可從車載輔助變流器的3×AC380 V 取電，給蓄電池充電；反向工作時從蓄電池引入電源供輔助逆變器使用,輔助逆變器輸出直接給緊急通風風機供電。一臺雙向DC/DC 變換器綜合了傳統(tǒng)意義上的車載充電機與緊急通風逆變器的功能有效的降低了整車重量、成本。因此，采用具有雙向能力的DC/DC 拓撲，是解決以上問題的主要方向。

目前，隔離型雙向DC/DC 變換器的研究主要集中在兩個方面：基于移相全橋的雙有源橋雙向DC/DC 變換器，以及基于LLC 諧振軟開關(guān)技術(shù)的雙向DC/DC 變換器[1-7]。

雙有源橋雙向DC/DC 變換器（DAB）開關(guān)器件在變壓器原、次邊均采用H 橋布置，采用單移相、雙移相及擴展移相控制方式，可以實現(xiàn)能量的雙向流動。其優(yōu)點在于可以不間斷地實現(xiàn)能量的雙向流動，對系統(tǒng)雜散參數(shù)要求不高；其缺點在于采用移相控制，控制復雜、關(guān)斷損耗大。

諧振CLLC 雙向DC/DC 變換器，其基本拓撲與DAB一樣，開關(guān)器件在變壓器兩側(cè)均采用H 橋布置，采用定頻率、定脈寬控制實現(xiàn)雙向能量控制。其優(yōu)點在于系統(tǒng)全工況軟開關(guān)工作，控制簡單；其缺點在于系統(tǒng)對雜散參數(shù)敏感，參數(shù)設(shè)計難度較大。

1 典型雙向DC/DC拓撲

雙向DC/DC 變換器（Bi-directional DC-DC Converter，BDC）是能夠在兩個像限工作的直流變換器，如圖1所示。它在輸入、輸出電壓極性不變的同時，電流的方向可以根據(jù)能量的需要改變。根據(jù)變換器中是否有變壓器，雙向DC/DC 拓撲可以分為隔離型雙向變換器和非隔離型雙向變換器。常規(guī)的Buck、Boost等典型拓撲，即為非隔離型雙向變換器。

圖1 雙向變換器運行

如圖2 所示，隔離型雙向DC/DC 拓撲的典型之一是所謂雙有源橋DC/DC 變換器（DAB）。其來自于常規(guī)的移相全橋變換器。同樣采用移相控制，實現(xiàn)能量的雙向流動[8-11]。DAB 變換器存在環(huán)流損耗大，硬關(guān)斷的問題。為此提出的單移相、雙移相和擴展移相控制方式，雖然在一定程度上降低了開通損耗，但并沒有解決硬關(guān)斷的問題，同時還導致控制難度大幅增加的問題。

圖2 DAB雙向DC/DC變換器

推挽正激移相式變換器也是一種典型的隔離型雙向DC/DC。其主要缺點是電壓應(yīng)力大、硬開關(guān)工作，不適用于大功率、高頻工作系統(tǒng)中。如圖3所示。

圖3 推挽正激移相式變換器

2 CLLC工作特性分析

諧振CLLC 雙向變換器，基于常規(guī)的LLC 諧振軟開關(guān)變換器發(fā)展而來，是LLC 軟開關(guān)技術(shù)在雙向領(lǐng)域的應(yīng)用。與常規(guī)的LLC諧振軟開關(guān)系統(tǒng)一樣，具有控制簡單、全功率范圍軟開關(guān)能力。在實現(xiàn)能量的雙向流通的同時，能夠滿足產(chǎn)品高頻化、小型化的要求。但是，因需要考慮能量的雙向流動，其對正、反兩個方向的諧振參數(shù)均有特定的要求。因此，相較于常規(guī)的LLC 諧振軟開關(guān)變換器，諧振CLLC 雙向變換器更容易受到寄生參數(shù)的影響，對諧振參數(shù)的要求更苛刻[12]。

雙向CLLC 變換器拓撲如圖4 所示，主要波形如圖5所示。圖中，定義V1為高壓側(cè)（正向輸入電壓），V2為低壓側(cè)（反向輸入電壓）。M1～M8是8個開關(guān)管，分別構(gòu)成兩個全橋電路。兩組全橋電路通過高頻變壓器聯(lián)結(jié)。其中，諧振電感Lr、勵磁電感Lm均集成在變壓器中。Cp和Cs分別為高、低壓側(cè)的諧振電容。Cjp和Cjs分別為高、低壓側(cè)開關(guān)管的等效結(jié)電容。正向工作時，M1～M4作為開關(guān)管使用，M5～M8的驅(qū)動封鎖作為整流二極管使用；反向工作時，則相反。正反兩個方向工作時，電路均工作在諧振軟開關(guān)工作狀態(tài)下。開關(guān)管零電壓開通近似零電流關(guān)斷，整流二極管處于零電流關(guān)斷狀態(tài)。

圖4 CLLC變換器原理

圖5 主要波形

因電路的對稱性，以正向工作時的狀態(tài)，即能量從高壓側(cè)輸入，從低壓側(cè)輸出。分析電路的工作模態(tài)，為簡單起見，做如下假設(shè)：電路已經(jīng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)；忽略死區(qū)時間內(nèi)原邊電流的波動；M1～M4工作在開關(guān)管狀態(tài)，M5～M8工作在二級管狀態(tài)。

（1）模態(tài)一（tx1～t2）

M1和M4導通，當iLr＞iLm時，輸入端向輸出端傳遞能量。M5、M8的反并二極管導通，Co被充電。此時，電路中只有等效諧振電感Lr與等效諧振電容Cr參與諧振。此工作模態(tài)時的等效電路及主要工作波形，如圖6 所示。圖6（a）中的紅色部分即為此模態(tài)下實際參與工作的等效電路。參與諧振的等效諧振電感為變壓器原、次邊電感之和；參與諧振的等效諧振電容為原電容與次邊電容折算到原邊的和。此時的諧振頻率如式（1）所示。

圖6 模態(tài)一

其諧振頻率為：

式中：Cr1為等效諧振電容，

（2）模態(tài)二（t2～t3）

M1和M4持續(xù)導通，當iLr=iLm，輸入端不向輸出端傳遞能量。Co被脫開，對外放電。M5、M8的結(jié)電容，開始充電，M6、M7的結(jié)電容，開始放電。此工作模態(tài)時的等效電路及主要工作波形，如圖7 所示。圖7（a）中的紅色部分即為此模態(tài)下實際參與工作的等效電路。參與諧振的等效諧振電感依然為變壓器原、次邊電感之和；參與諧振的等效諧振電容為原邊電容、次邊電容折算到原邊的等效電容、M5～M8結(jié)電容折算到原邊的等效電容的和。此時的諧振頻率如式（2）所示。

圖7 模態(tài)二

其諧振頻率為：

式中：Cr2為等效諧振電容，

（3）模態(tài)三（t3～t4）

M1～M4均關(guān)斷（死區(qū)），M1、M4的結(jié)電容，開始充充電，M2、M3的結(jié)電容，開始充放電。此工作模態(tài)時的等效電路及主要工作波形，如圖8 所示。圖8（a）中的紅色部分即為此模態(tài)下實際參與工作的等效電路。參與諧振的等效諧振電感依然為變壓器原、次邊電感之和；參與諧振的等效諧振電容為原邊電容、M1～M4開關(guān)管結(jié)電容、次邊電容折算到原邊的等效電容、M5～M8結(jié)電容折算到原邊的等效電容的和。此時的諧振頻率如式（3）所示。

圖8 模態(tài)三

其諧振頻率為：

式中：Cr3為等效諧振電容，

另外半個周期的工作模式與上述工作模態(tài)類似，此處不再贅述。

3 設(shè)計方法分析

3.1 增益分析

通過第2 節(jié)中的工作模態(tài)分析可知，只有在模態(tài)一的階段，變換器存在能量傳遞。同時該模態(tài)下，參與諧振的元器件與常規(guī)LLC 諧振軟開關(guān)拓撲比，只增加了一個次邊諧振電容。該電容可以折算到原邊。因此，CLLC拓撲在此階段的狀態(tài)與常規(guī)LLC 諧振拓撲一樣，可以采用常規(guī)LLC 諧振拓撲的增益分析方法，分析研究CLLC拓撲的網(wǎng)絡(luò)增益。

將次邊諧振電容Cs和負載折算到原邊，并從原邊H 橋的兩個中點看進去，模態(tài)一階段的諧振網(wǎng)絡(luò)等效電路如圖9 所示。圖中，N為變壓器變比，為負載電阻。變換器增益定義為等效諧振電路的輸出電壓與輸入電壓之間比值的模。

圖9 CLLC電路等效諧振電路

式中：λ為勵磁電感Lm與諧振電感Lr的比值；kf為開關(guān)頻率（fs）與第一階段諧振頻率（fr1）的比值；Q為品質(zhì)因數(shù)，

變換器增益與頻率比的關(guān)系如圖10所示。圖中圓圈處的多條曲線接近于1，說明此頻率比下，變換器增益隨參數(shù)偏差變化較小，可以認為恒定不變。因此，在考慮變換器器件參數(shù)差異的情況下盡量保證增益恒定，需要將開關(guān)頻率設(shè)計為略小于諧振頻率。

圖10 增益與頻率比關(guān)系

3.2 諧振參數(shù)匹配

與常規(guī)LLC 變換器相同的是，變換器正、反兩個工作狀態(tài)時，諧振參數(shù)可按下式確定。

與常規(guī)LLC 變換器不同的是，由于CLLC 變換器需要正反向工作，其諧振參數(shù)需具有對稱性。即上式中的諧振參數(shù)Cr，Lr需根據(jù)變壓器變比進行匹配。匹配方式如下：

（1）諧振電感匹配

式中：Lrp為原邊漏感；Lrs為次邊漏感；N為變壓器變比。

實際應(yīng)用中，諧振電感等價于變壓器漏感。由于變壓器自身的特性，工程化時諧振電感匹配不需要做特別處理。

（2）諧振電容匹配

CLLC變換器工作中，正反兩個方向均需要隔直電容來保證變壓器不存在偏磁。因此，電路中必須存在以上兩個電容（Cp，Cs），工程化時諧振電容需要進行匹配性處理。

3.3 等效結(jié)電容匹配

CLLC變換器之所以能夠提高工作頻率，是因為其工作在軟開關(guān)狀態(tài)。要實現(xiàn)軟開關(guān)，開關(guān)管結(jié)電容電壓需要在開通前放電到0。以正向工作為例，需要滿足以下條件。

式中：Imp為從高壓側(cè)看去的勵磁電流；Td為正向工作時的死區(qū)時間。

反向工作時，由于對稱性，勵磁電流和電壓存在以下關(guān)系：

式中：Ims為從低壓側(cè)看去的勵磁電流。

若保持Cjp=Cjs不變，則有

式中：T′d為反向工作時的死區(qū)時間。

高頻、大功率應(yīng)用中，死區(qū)時間往往很小。正向工作時死區(qū)時間一般約在3 μs 左右，根據(jù)式（10），在考慮變比3左右的應(yīng)用中，反向工作時死區(qū)時間約為300 ns，實際難以實現(xiàn)。

因此，工程上，若所有開關(guān)管的結(jié)電容均相等。則一方面，導致正反兩個工作方向運行參數(shù)不對稱，死區(qū)需要特殊設(shè)置，增加控制難度；另一方面，過小的死區(qū)時間不利于開關(guān)管選型和驅(qū)動的設(shè)計。因此，在時間應(yīng)用中需按下式進行等效結(jié)電容匹配。

4 設(shè)計及驗證

為了驗證設(shè)計方案，采用以上設(shè)計方案同時考慮系統(tǒng)增益、諧振參數(shù)匹配和等效結(jié)電容匹配。搭建了一臺20 kW 的雙向CLLC 變換器。變換器基本性能要求如表1所示。

表1 20 kW雙向CLLC變換器基本性能要求

如圖11 藍圈所示，開關(guān)管M1 關(guān)斷時，流經(jīng)開關(guān)管的電流維持在9 A 左右，實現(xiàn)了近似零電流關(guān)斷；如紅圈所示，開關(guān)管M1 開通時，其端電壓已經(jīng)下降到0，實現(xiàn)了零電壓開通。

圖11 正向工作波形

反向工作與正向工作時相同，均實現(xiàn)了零電壓開通和近似零電流關(guān)斷。如圖12所示。正反兩個方向的工作波形顯示，根據(jù)以上提及的設(shè)計方法所設(shè)計的的諧振CLLC雙向變換器，不但可以實現(xiàn)能量的雙向流動，還可以在正反兩個方向工作時均實現(xiàn)軟開關(guān)。滿足業(yè)界對雙向DC/DC 變換器應(yīng)用要求的同時，還能夠提高變換器工作頻率、降低設(shè)備重量，符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。

圖12 反向工作波形

5 結(jié)束語

CLLC雙向變換器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動，還能夠?qū)崿F(xiàn)完全的軟開關(guān)化，同時有利于變換器頻率的提升達到小型化的目的。本文分析了CLLC 雙向變換器的工作模態(tài)，研究了不同模態(tài)下的等效諧振電路，提出了CLLC雙向變換器的設(shè)計方法，指出了需要對諧振參數(shù)和等效結(jié)電容進行匹配性設(shè)計。實際驗證了，采用該方法所設(shè)計的CLLC 雙向變換器可以實現(xiàn)雙向變換器正反兩個方向軟開關(guān)工作。因等效結(jié)電容不可忽略，變換器非傳遞能量的工作階段（模態(tài)二、三）原邊電流存在振蕩，其是否會對變換器造成不良影響，是今后進一步研究的方向。