摘要：传统的DC/DC变换器均为非隔离型能量单向流动，通过对无无功环流双向隔离型DC/DC变换器的研究发现电路中 含有谐振电流且电压波形不稳定，针对这一问题，在无无功环流的双向隔离型DC/DC变换器的电路拓扑中增加了 CLLC来 进行改进，提出了一种CLLC无无功环流的双向隔离型DC/DC变换器。通过MATLAB/Sinuilink仿真环境下搭建相应的电 路模型，并对其仿真结果进行分析研究，证明了CLLC无无功环流双向隔离型DC/DC变换器具有纹波小，电压稳定性强的 优点。

关键词：双向隔离DC/DC变换器；CLLC；无功环流

0 引言

随着世界经济的发展，人类对环境的要求也越来越 高，传统的燃油汽车将被新能源电动汽车逐渐取代，在这 个过程中新能源电动汽车充电设备的更新改进势在必行。 目前电动汽车与电网之间的联系都是电网单向给电动汽 车充电能量无法反馈。这种传统的建模方式比较简单，且有很大的缺陷。当在用电高峰期时，由于电网负荷大会对 电网造成很大的影响。近年来很多学者对电动汽车的储 能特性进行了大量研究，验证了电动汽车可以通过双向充 电器与电网进行能量双向流动，电动汽车可以参与电网调 度，对电网进行削峰填谷[1]。电动汽车的双向充电器的内 部结构是双向DC/DC变换器。单向DC/DC变换器只能 实现能量的单向流动，要实现能M的双向流动可以将两个单向的DC/DC变换器以反方向同时并联在一起接在电路中。这样即可实现能量的双向流动。这种两个DC/DC并联结构也是典型的一机两用设备的传统结构。

在传统电路中能量实现双向流动，但是此种实现能量双向流动的设备体积大，器件多安全性能和稳定性较差， 在此基础上形成了一种有开关管控制的能量双向流动的 DC/DC变换器，相较于传统双向DC/DC变换器其体积 小、稳定性能高，此双向全桥全控型DC/DC变换器应用范 围广泛，如在电子电器、航空航天以及新能源等领域需要 功率双向流动的系统中。

1 电路拓扑的选择

对于双向全桥DC/DC变换器结构上可以分为双向 隔离式DC/DC变换器和双向非隔离式DC/DC变换器 两种。两种变换器各有优缺点，双向非隔离式DC/DC 变换器主要用于输人输出电压差较小的应用场合，且 在输人侧电压和输出侧电压不稳定，对系统产生影响， 存在一定的安全隐患；双向隔离式DC/DC变换器用变 压器将变换器的前级和后级隔离，这样不但可以消除 两侧产生的干扰，而且对于系统的安全性和可靠性也 有了很大的提高。

1.1 非隔离型DC/DC变换器电路拓扑

非隔离式双向DC/DC变换器电路的每个部件都是直 接相连.没有额外的能量损失，工作效率高。非隔离双向 DC/DC电路结构主要有BUCK(降压斩波电路）电路、升 压斩波电路（BOOST)电路、升降压斩波电路（BUCK- BOOST)电路、CUK电路、Sepic和Zeta等电路[2]。

1.2 CLLC无无功功率双向隔离型DC/DC变换器拓扑 的选择

1)传统的双向隔离型DC/DC变换器

隔离型双向DC/DC变换器相较于非隔离型双向DC/DC 变换器在结构上增加了一个高频变压器。变压器的两侧可 以是全桥式、双向反激拓扑、双推挽拓扑、双半桥拓扑等。

以上几种拓扑传递相同功率的开关器件应力较大，且 对支撑电容要求较高，对于高电压、大功率的场合均不适 用。鉴于以上问题，针对髙电压、大功率的相关需求，经常采用双有源全桥（dual active bridge.DAB)拓扑。

电路如图1所示，由输人电压U1,、输出电压U2、输人电容C1、输出电容C2、全桥H1、全桥2，电感L和高频变压器T组成。

该拓扑的优点是通过高频隔离变压器将前级与后级隔离由此电路可靠性更高；同时由于电路能实现软开关，系统损耗也会更低。传统DAB结构简单，可应用的控制方法较多，鲁棒性好。

2)CLLC双向隔离 DC/DC变换器

为消除DAB中存在的无功环流在电路中产生的影响，国内外学者对DAB控制策略进行了大量研究。文献[3]采用单侧双移相策略提高了电路中的有功功率，同时减小了电路中的无功功率。文献[4]采用双侧双移相控制策略来减小开关器件的电流应力相应降低电路的无功功率，但方法较为复杂。同时大量学者为了更进一步提高变换器效率，研究了双向LLC谐振变换器，文献[5]通过对LLC参数的设计来减小电路中的无功功率。对于以上DAB电路拓扑的改进，虽提高了电路的效率却未能解决变换器的环流问题。有学者提出了一种新型的拓扑如图2所示。

通过大量学者的研究分析可知LLC谐振变换器应用范围广，在业界内其电路拓扑被广泛接受，但其也有相应的优缺点。对LLC谐振变换器与CLLC谐振变换器进行对比可知在DC/DC电路拓扑中LLC谐振变换器能实现零电压开通和零电流关断，而且无反向恢复问题以及开关管损耗小，适合于高频、大功率场合设计要求，但不适用于输入电压范围宽的场合6。对于CLLC谐振变换器来说，其在LLC的基础上正向运行时第二谐振频率点直流增益1，同时反向运行时增益>1，其更适合BUCK-BOOST的工作环境，适合输入电压范围宽的场合。从以上对比可以看出在电网与电动汽车之间，由于电压范围比较宽，可以发现CLLC的电路拓扑更适合。

但是在上述无无功环流电路拓扑中虽很好的吸收了无功环流问题但并未提到电路中谐振如何降低，这会影响电路的稳定性。通过LLC谐振变换器与CLLC谐振变换器的优缺点以及对消除无功环流的拓扑分析，本文提出了一种新的CLLC双向隔离DC/DC电路拓扑如图3所示。

2 工作原理分析

2.1 无无功环流双向全桥DC/DC变换器的工作过程

传统DAB中存在的无功环流，会导致电路中很多不利因素如变压器的设计，因为电路工作时的实际电流会大于所设计的值，因此会对开关器件造成损耗从而降低其效率。无无功环流双向全桥DC/DC变换器采用一种没有无功环流的电流源型拓扑(图2)设计了一个RCD回路。且有吸收漏感能量，降低电容放电速度，降低由吸收回路造成的电路损耗，故障时吸收主回路电感中未释放的能量的作用[8]。

由图2可知，当H。开关管桥对角线导通时，此时负载能量由输入电压U，和电感提供，二极管D导通。当后级开关管的上面两个开关或下面两个开关同时导通或关断时，二极管D关断，电压U，对电感L充电，变压器电压为0。

2.2 CLLC新型无无功环流的双向隔离型DC/DC变换器工作原理

图3是CLLC无无功环流的双向隔离型DC/DC变换器电路拓扑图，由2个全桥，2个串联谐振电容、2个串联谐振电感，1个高频变压器、1个吸收回路，输入电压电容和输出电压电容构成。

基于基波分析法搭建谐振变换器的等效电路模型中所有条件及器件均为理想器件，搭建的基波等效电路如图4所示，其中R。为等效电阻。

式中：n为变压器变比；Vout、Iout和Pout分别为输出电压、输出电流和输出功率[10]。

根据双向DC/DC变换器的基波等效电路，得到变换器的传递函数为：

归一化频率为fn=fs/fr。双向DC/DC变换器的品质因数为Q=zr/Re。

将传递函数进行整理后得到：

当DC/DC变换器发生谐振时，令式(5)的虚部为0，得到Im(H(jws))=0，整理并化简得到变换器的串联谐振频率为:

当hl=1时，DC/DC变换器增益恒为1，与负载无关， 此时谐振特性与LLC谐振变换器相同。当h=l=1时， 得到增益M和归一化频率wn、品质因数Q。wn当一定时Q，与M成反比。谐振频率点处增益为1。随着开关频率 wn增大，增益M减小。随着负载增大，品质因数Q增大， 增益M减小。

3 变换器的控制分析

许多文献对于双向隔离型DC/DC变换器的控制策略进行了大量的研究，主要将变换器的控制策略分为开环控制和闭环控制两大类，其划分原理是根据电路拓扑中是否有反馈量[11]。开环控制是电路拓扑中无反馈量，其结构简单，但是负载扰动对系统影响较大，电压不稳定。为保证双向DC/DC变换器的性能，通常采用闭环控制的控制策略，所谓闭环控制是其电路拓扑中将电压或电流作为反馈量来对系统进行控制[12]。

在DC/DC变换器拓扑中桥臂开关管互补导通(若开关管1、4导通则开关管2、3关断，相反开关管1、4关断则开关管2、3导通)，对角线开关管同时导通，占空比为满占空比[13]。本文变换器拓扑电路控制策略采用电压电流双闭环调制方式，即电流作为内环，输出电压作外环，电压电流双闭环系统动态性能好。电压电流双闭环控制框图如图6所示，电压环的输出值作为电流环的指令值，电流环的输出作为H，桥的移相角指令，通过改变脉冲进而控制H。桥滞后桥臂开关管的脉冲载波，控制输出电压[14]。

4 仿真及实验

仿真图形以及分析结果如图7~11所示。

图7〜11验证理论分析的正确性，本文通过在MAT- LAB/simulink中搭建的相关电路仿真模型，图7为仿真结果电压波动，电压波动误差小于1%，可以看出其电压稳定性[15]。图8为实验电路中开环电流稳定时间，在0.04s电流稳定，图9为闭环电流稳定时间，在0.009s电流稳定;图10为开环电压稳定时间，在0.05s时电压稳定，图11为闭环电压稳定时间，在0.02s时电压稳定。通过运行中电压电流的动态响应时间快慢对比可以看出改进后电压稳定性好，动态性优越的特点。

5 结论

本文针对无无功环流的双向隔离型DC/DC变换器的研究对其拓扑进行改进，分析了传统的DAB电路拓扑后深入研究无无功环流的双向隔离型DC/DC变换器，在原有的拓扑上提出了CLLC无无功环流的双向隔离型DC/DC变换器，其优点是电压稳定性强，电压电流动态响应快速。本文通过对CLLC无无功环流的双向隔离型DC/DC变换器工作原理的详细分析，应用简单的控制策略，针对电压稳定性和电压电流的动态响应速度，在原有的电路拓扑中增加了CLLC方案,最后通过MATLAB/simulink仿真验证了所提拓扑的优越性。

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