全桥CLLC的双向隔离变换器设计

周 帅，马升潘，张 庆

（1.株洲中车时代电气股份有限公司，湖南株洲 412000；2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266000）

0 引言

随着“碳达峰”、“碳中和”计划的提出，新能源产业尤其是电力应用相关产业高速发展，轨道交通行业作为传统的“电力驱动”行业之一，其发展也备受关注。轨道交通产业的细分应用领域之一——城市地铁，为市民出行提供舒适、便利。地铁紧急通风系统作为的车辆的重要组成部分，能在车辆发生故障时为乘客提供的较舒适环境，降低车辆故障带来的社会影响。现阶段，车辆一般采用独立的紧急通风逆变装置，通过从DC110 V控制蓄电池引入直流电源，通过逆变来实现此功能。此种方式存在设备体积大、成本高、电池缺乏有效隔离等问题。因此，业内急需寻找一种更轻便、更经济的方案来替代紧急通风逆变装置。具有双向能量流动能力的DC/DC 拓扑结构，正向工作时可从车载辅助变流器的3×AC380 V 取电，给蓄电池充电；反向工作时从蓄电池引入电源供辅助逆变器使用,辅助逆变器输出直接给紧急通风风机供电。一台双向DC/DC 变换器综合了传统意义上的车载充电机与紧急通风逆变器的功能有效的降低了整车重量、成本。因此，采用具有双向能力的DC/DC 拓扑，是解决以上问题的主要方向。

目前，隔离型双向DC/DC 变换器的研究主要集中在两个方面：基于移相全桥的双有源桥双向DC/DC 变换器，以及基于LLC 谐振软开关技术的双向DC/DC 变换器[1-7]。

双有源桥双向DC/DC 变换器（DAB）开关器件在变压器原、次边均采用H 桥布置，采用单移相、双移相及扩展移相控制方式，可以实现能量的双向流动。其优点在于可以不间断地实现能量的双向流动，对系统杂散参数要求不高；其缺点在于采用移相控制，控制复杂、关断损耗大。

谐振CLLC 双向DC/DC 变换器，其基本拓扑与DAB一样，开关器件在变压器两侧均采用H 桥布置，采用定频率、定脉宽控制实现双向能量控制。其优点在于系统全工况软开关工作，控制简单；其缺点在于系统对杂散参数敏感，参数设计难度较大。

1 典型双向DC/DC拓扑

双向DC/DC 变换器（Bi-directional DC-DC Converter，BDC）是能够在两个像限工作的直流变换器，如图1所示。它在输入、输出电压极性不变的同时，电流的方向可以根据能量的需要改变。根据变换器中是否有变压器，双向DC/DC 拓扑可以分为隔离型双向变换器和非隔离型双向变换器。常规的Buck、Boost等典型拓扑，即为非隔离型双向变换器。

图1 双向变换器运行

如图2 所示，隔离型双向DC/DC 拓扑的典型之一是所谓双有源桥DC/DC 变换器（DAB）。其来自于常规的移相全桥变换器。同样采用移相控制，实现能量的双向流动[8-11]。DAB 变换器存在环流损耗大，硬关断的问题。为此提出的单移相、双移相和扩展移相控制方式，虽然在一定程度上降低了开通损耗，但并没有解决硬关断的问题，同时还导致控制难度大幅增加的问题。

图2 DAB双向DC/DC变换器

推挽正激移相式变换器也是一种典型的隔离型双向DC/DC。其主要缺点是电压应力大、硬开关工作，不适用于大功率、高频工作系统中。如图3所示。

图3 推挽正激移相式变换器

2 CLLC工作特性分析

谐振CLLC 双向变换器，基于常规的LLC 谐振软开关变换器发展而来，是LLC 软开关技术在双向领域的应用。与常规的LLC谐振软开关系统一样，具有控制简单、全功率范围软开关能力。在实现能量的双向流通的同时，能够满足产品高频化、小型化的要求。但是，因需要考虑能量的双向流动，其对正、反两个方向的谐振参数均有特定的要求。因此，相较于常规的LLC 谐振软开关变换器，谐振CLLC 双向变换器更容易受到寄生参数的影响，对谐振参数的要求更苛刻[12]。

双向CLLC 变换器拓扑如图4 所示，主要波形如图5所示。图中，定义V1为高压侧（正向输入电压），V2为低压侧（反向输入电压）。M1～M8是8个开关管，分别构成两个全桥电路。两组全桥电路通过高频变压器联结。其中，谐振电感Lr、励磁电感Lm均集成在变压器中。Cp和Cs分别为高、低压侧的谐振电容。Cjp和Cjs分别为高、低压侧开关管的等效结电容。正向工作时，M1～M4作为开关管使用，M5～M8的驱动封锁作为整流二极管使用；反向工作时，则相反。正反两个方向工作时，电路均工作在谐振软开关工作状态下。开关管零电压开通近似零电流关断，整流二极管处于零电流关断状态。

图4 CLLC变换器原理

图5 主要波形

因电路的对称性，以正向工作时的状态，即能量从高压侧输入，从低压侧输出。分析电路的工作模态，为简单起见，做如下假设：电路已经处于稳定工作状态；忽略死区时间内原边电流的波动；M1～M4工作在开关管状态，M5～M8工作在二级管状态。

（1）模态一（tx1～t2）

M1和M4导通，当iLr＞iLm时，输入端向输出端传递能量。M5、M8的反并二极管导通，Co被充电。此时，电路中只有等效谐振电感Lr与等效谐振电容Cr参与谐振。此工作模态时的等效电路及主要工作波形，如图6 所示。图6（a）中的红色部分即为此模态下实际参与工作的等效电路。参与谐振的等效谐振电感为变压器原、次边电感之和；参与谐振的等效谐振电容为原电容与次边电容折算到原边的和。此时的谐振频率如式（1）所示。

图6 模态一

其谐振频率为：

式中：Cr1为等效谐振电容，

（2）模态二（t2～t3）

M1和M4持续导通，当iLr=iLm，输入端不向输出端传递能量。Co被脱开，对外放电。M5、M8的结电容，开始充电，M6、M7的结电容，开始放电。此工作模态时的等效电路及主要工作波形，如图7 所示。图7（a）中的红色部分即为此模态下实际参与工作的等效电路。参与谐振的等效谐振电感依然为变压器原、次边电感之和；参与谐振的等效谐振电容为原边电容、次边电容折算到原边的等效电容、M5～M8结电容折算到原边的等效电容的和。此时的谐振频率如式（2）所示。

图7 模态二

其谐振频率为：

式中：Cr2为等效谐振电容，

（3）模态三（t3～t4）

M1～M4均关断（死区），M1、M4的结电容，开始充充电，M2、M3的结电容，开始充放电。此工作模态时的等效电路及主要工作波形，如图8 所示。图8（a）中的红色部分即为此模态下实际参与工作的等效电路。参与谐振的等效谐振电感依然为变压器原、次边电感之和；参与谐振的等效谐振电容为原边电容、M1～M4开关管结电容、次边电容折算到原边的等效电容、M5～M8结电容折算到原边的等效电容的和。此时的谐振频率如式（3）所示。

图8 模态三

其谐振频率为：

式中：Cr3为等效谐振电容，

另外半个周期的工作模式与上述工作模态类似，此处不再赘述。

3 设计方法分析

3.1 增益分析

通过第2 节中的工作模态分析可知，只有在模态一的阶段，变换器存在能量传递。同时该模态下，参与谐振的元器件与常规LLC 谐振软开关拓扑比，只增加了一个次边谐振电容。该电容可以折算到原边。因此，CLLC拓扑在此阶段的状态与常规LLC 谐振拓扑一样，可以采用常规LLC 谐振拓扑的增益分析方法，分析研究CLLC拓扑的网络增益。

将次边谐振电容Cs和负载折算到原边，并从原边H 桥的两个中点看进去，模态一阶段的谐振网络等效电路如图9 所示。图中，N为变压器变比，为负载电阻。变换器增益定义为等效谐振电路的输出电压与输入电压之间比值的模。

图9 CLLC电路等效谐振电路

式中：λ为励磁电感Lm与谐振电感Lr的比值；kf为开关频率（fs）与第一阶段谐振频率（fr1）的比值；Q为品质因数，

变换器增益与频率比的关系如图10所示。图中圆圈处的多条曲线接近于1，说明此频率比下，变换器增益随参数偏差变化较小，可以认为恒定不变。因此，在考虑变换器器件参数差异的情况下尽量保证增益恒定，需要将开关频率设计为略小于谐振频率。

图10 增益与频率比关系

3.2 谐振参数匹配

与常规LLC 变换器相同的是，变换器正、反两个工作状态时，谐振参数可按下式确定。

与常规LLC 变换器不同的是，由于CLLC 变换器需要正反向工作，其谐振参数需具有对称性。即上式中的谐振参数Cr，Lr需根据变压器变比进行匹配。匹配方式如下：

（1）谐振电感匹配

式中：Lrp为原边漏感；Lrs为次边漏感；N为变压器变比。

实际应用中，谐振电感等价于变压器漏感。由于变压器自身的特性，工程化时谐振电感匹配不需要做特别处理。

（2）谐振电容匹配

CLLC变换器工作中，正反两个方向均需要隔直电容来保证变压器不存在偏磁。因此，电路中必须存在以上两个电容（Cp，Cs），工程化时谐振电容需要进行匹配性处理。

3.3 等效结电容匹配

CLLC变换器之所以能够提高工作频率，是因为其工作在软开关状态。要实现软开关，开关管结电容电压需要在开通前放电到0。以正向工作为例，需要满足以下条件。

式中：Imp为从高压侧看去的励磁电流；Td为正向工作时的死区时间。

反向工作时，由于对称性，励磁电流和电压存在以下关系：

式中：Ims为从低压侧看去的励磁电流。

若保持Cjp=Cjs不变，则有

式中：T′d为反向工作时的死区时间。

高频、大功率应用中，死区时间往往很小。正向工作时死区时间一般约在3 μs 左右，根据式（10），在考虑变比3左右的应用中，反向工作时死区时间约为300 ns，实际难以实现。

因此，工程上，若所有开关管的结电容均相等。则一方面，导致正反两个工作方向运行参数不对称，死区需要特殊设置，增加控制难度；另一方面，过小的死区时间不利于开关管选型和驱动的设计。因此，在时间应用中需按下式进行等效结电容匹配。

4 设计及验证

为了验证设计方案，采用以上设计方案同时考虑系统增益、谐振参数匹配和等效结电容匹配。搭建了一台20 kW 的双向CLLC 变换器。变换器基本性能要求如表1所示。

表1 20 kW双向CLLC变换器基本性能要求

如图11 蓝圈所示，开关管M1 关断时，流经开关管的电流维持在9 A 左右，实现了近似零电流关断；如红圈所示，开关管M1 开通时，其端电压已经下降到0，实现了零电压开通。

图11 正向工作波形

反向工作与正向工作时相同，均实现了零电压开通和近似零电流关断。如图12所示。正反两个方向的工作波形显示，根据以上提及的设计方法所设计的的谐振CLLC双向变换器，不但可以实现能量的双向流动，还可以在正反两个方向工作时均实现软开关。满足业界对双向DC/DC 变换器应用要求的同时，还能够提高变换器工作频率、降低设备重量，符合产业发展方向。

图12 反向工作波形

5 结束语

CLLC双向变换器不仅能够实现能量的双向流动，还能够实现完全的软开关化，同时有利于变换器频率的提升达到小型化的目的。本文分析了CLLC 双向变换器的工作模态，研究了不同模态下的等效谐振电路，提出了CLLC双向变换器的设计方法，指出了需要对谐振参数和等效结电容进行匹配性设计。实际验证了，采用该方法所设计的CLLC 双向变换器可以实现双向变换器正反两个方向软开关工作。因等效结电容不可忽略，变换器非传递能量的工作阶段（模态二、三）原边电流存在振荡，其是否会对变换器造成不良影响，是今后进一步研究的方向。