双向全桥CLLC 谐振式DC-DC 变换器的研究*

冯唯真， 盛义发， 李佩文， 邹 霁， 邹贤政

（1.南华大学电气工程学院， 湖南 衡阳 421001；2.涟源市库区移民事务中心， 湖南 涟源 417100）

新能源汽车具有节能环保、 经济性好、 效率高， 舒适度高、 噪声低等优点， 但是其续航里程受到电池技术与充电环境的制约。 车网互动技术提出要充分加强车网高效互动， 提升清洁能源消纳， 对于服务双碳目标， 推动新能源汽车融入新型电力系统有着重要意义。 新能源汽车通过双向充电器与电网进行能量双向流动， 从而参与电网调度，对电网有着削峰填谷的积极作用。

1 新型CLLC谐振式DAB

1.1 双有源桥式DC-DC变换器（Dual active bridge，DAB）

双 向DC/DC 变 换 器 （Bidirectional DC/DC Converter，BDC） 根据有无隔离功能分为两种： 隔离型和非隔离型。非隔离型BDC拓扑不含变压器， 不能实现电气隔离， 一般只应用于小功率的场合， 故新能源汽车双向充电器采用隔离型双有源桥式DC-DC变换器 （Dual active bridge， DAB），如图1所示。

图1 DAB变换器拓扑图

DAB的结构简单， 电路能实现软开关， 常采用移相控制， 但存在功率回流， 有时会丧失软开关特性， 导致变换器的能量利用率下降。 针对此问题， 设计一种新型双向全桥CLLC谐振式DC-DC变换器， 该变换器是在原拓扑结构中嵌入谐振单元， 提出一种基于PID控制器的电压电流双闭环控制系统， 形成了谐振型双向全桥DC-DC变换器， 以拓宽ZVS范围、 降低关断损耗， 提高能量利用率。

1.2 双向全桥CLLC谐振式DC-DC变换器

设计的新型双向全桥CLLC谐振式DC-DC变换器如图2所示。 该电路的原边全桥是由Q、 Q、 Q、 Q这4个开关管组成， C是该电路原边的谐振电容， C是该电路副边的谐振电容， L是该电路原边的谐振电感， L是该电路副边的谐振电感， T是该电路中的高频隔离变压器， 副边全桥由Q、 Q、 Q、 Q这4个 开 关 管 组 成。 电 路 拓 扑 中 定 义： V、V分别为变换器两端的电压， V、 V分别为变压器原副边两侧的电压， L并联在高频电压器的两端， 是高频变压器的励磁电感， 实际情况下， L将会集成到变压器中。 C、C在电路中发挥隔直的作用， D~D是反向并联的二极管，C~C是开关管之间并联的寄生电容。 正向工作时， D~D作为开关管使用； D~D的驱动封锁作为整流二极管使用，反向工作时， 则相反。 故而以下分析皆以正向工作状态进行分析。

图2 双向全桥CLLC谐振式DC-DC变换器

假设电路已工作在稳定状态， 其工作波形如图3 所示。由波形可知， CLLC 谐振变换器的周期存在4 种运行模态，又因由于其前半周期与后半周期对称， 故而只需要对前两种模态进行研究， 详细分析如下。

图3 工作波形

1） 运 行 模 态1 （[t， t]阶段）： 对应的等效电路图如图4所示。

图4 模态1电路

在t时刻， 原边开关管Q、Q关断， Q、 Q开通， 原边全桥输出电压 V由-V升至V。 原边电流i在t时刻极性为负， 先下降至0， 极性转正， 接着上升至峰值后再下降， 至t时刻与励磁t电流i相等， 副边电流i也开始从0上升， 极性为负， 达到峰值后又下降， t时刻又归零， 并流过二极管D和D。 i和i的波形近似为正弦波， 而励磁电流i则接近于线性变化。

2） 运行模态1 （[t， t]阶段）： 对应的等效电路模态如图5所示。

图5 模态2电路

在t时刻副边电流i降低至0， Q和Q关断， 而此时副边全桥输出电压V不足以使Q和Q导通， 所以副边全桥中的所有器件均将处于关断状态。 副边谐振电感、 副边电容将退出谐振过程， i保持为0， 实现了零电流关断 （ZCS）。 谐振网络由原边谐振电感、 原边谐振电容和励磁电感一起构成， 所以此时i和i保持相等， 呈线性上升趋势， 且上升速率低于前一模态， 这段时间内由副边滤波电容来维持负载功率。

在t时刻， 原边开关管动作， V的极性由正变负， 电路进入负半周期。 此时Q和Q关断， Q和Q开通， i在此时的极性为正， 在死区时间内换流至D和D， 使Q和Q的漏级D、 源级S两端电压降至0， 使其实现了零电压开通 （ZVS）。

1.3 CLLC谐振变换器增益特性

利用基波分析法， 可以得到CLLC变换器的基波等效电路， 如图6所示。

图6 CLLC谐振变换器的基波等效电路模型

式中： n——变压器变比； R——输出负载。 由此可以求得基波等效电路的传递函数为：

化简整理得：

由此可知， 谐振变换器增益特性受k值和Q值的影响，通过改变这两个参数可以调整谐振变换器的增益特性。 图7~图8为电压增益与k、 Q的关系图。

图7 不同k值下的关系图

图8 不同Q值下的关系图

2 实验

通过在MATLAB/Simulink中搭建的相关电路仿真模型，搭建的变换器采用电压电流双闭环控制， 其核心为PID控制器， 输出电流作为内环， 输出电压作外环， 其输出波形如图9~图13所示。

由图9、 图10的仿真结果， 结合前文分析， 可以看出该CLLC谐振变换器的开关管很好地实现了软开关； 图11可以看出输出电流电压的误差波动均在0.1%以下， 足以证明该变换器的稳定性能优秀； 图12、 图13可以看出输出电流与输出电压均在0.0025s内达到稳定， 可以看出其动态响应快速。

图9 驱动信号和漏源极之间的电压波形

图10 励磁电流与谐振电流波形

图11 输出电流波形

图12 输出电压波形

图13 输出电压电流放大波形

3 结语

首先对CLLC双向变换器的工作模态进行了分析， 然后对其电压增益展开了讨论， 提出了一种基于PID控制器的电压电流双闭环控制系统， 最后在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型。 实验证明， 该变换器的稳定性强， 动态响应快速， 实现了能量的双向流动与完全的软开关化。