双向DC-DC变换器拓扑结构综述

陈亚爱， 梁新宇， 周京华

(北方工业大学 北京市变频技术工程技术研究中心，北京　100144)

0　引　言

单向DC-DC变换器只能将能量由一个方向向另一个方向传输，而双向DC-DC变换器(Bidirectional DC-DC Converter，简称BDC)可实现能量的双向传输[1]。随着时代进步和科技的发展，BDC在新能源、航天航空、交通、通讯以及工业控制等领域得到了广泛应用。早在20世纪80年代初，为了减轻人造卫星太阳能电源系统的体积和重量，美国学者提出用双向Buck/Boost变换器代替蓄电池充电器和放电器，并使之进入实用阶段；1994年F.Caricchi等研制成功电动车驱动用20 kW水冷式BDC，同时，香港大学陈清泉教授(C.C.Chan)也开展了电动车用BDC的研究及试验工作；1998年美国弗吉尼亚大学李泽元教授(F.C.Lee)开始从事与燃料电池配套的BDC研究工作。三十多年来，国内外众多专家学者在BDC方面取得了大量的研究成果，文献[2]主要对非隔离型BDC拓扑结构进行了深入的理论分析；文献[3]在双向全桥变换器的基础上提出了一种新型谐振式BDC的拓扑结构，并通过搭建实验平台验证了其具有较高的转换效率；文献[4]研究了一种基于谐振的双向DC-DC软开关拓扑结构。由于BDC拓扑结构具有多样性，为便于系统地研究，本文将对各种BDC工作原理进行深入分析，在此基础上重新进行分类，指出它们具有的特点和适用范围，为进一步研究新型拓扑和工程应用提供参考。

1　双向DC/DC变换器拓扑结构分类

从已发表的业界研究成果表明，BDC的种类繁多，若按有无隔离功能分类可分为非隔离型和隔离型两类，非隔离型BDC有双向Buck/Boost、双向Buck-Boost、双向Cuk和双向Zeta-Sepic变换器。隔离型BDC又可按传统隔离型和按输入端电路类型分类，按传统隔离型分类的BDC有双向反激、双向正激、双向推挽、双向半桥和双向全桥变换器五种类型；按输入端电路类型分类有电压源型和电流源型BDC[5-7]。若按基本单元拓展分类，相对应的拓扑结构有：串联型、并联型、组合型和复合型BDC，BDC拓扑结构分类示意图如图1所示。

图1　双向DC-DC变换器拓扑结构分类示意图

2　非隔离型和隔离型拓扑结构

2.1　非隔离型双向DC-DC变换器

2.1.1双向Buck/Boost变换器

双向Buck/Boost变换器是在单向Buck或Boost变换器基础上构成的，即在原功率管和二极管两端反并联一二极管和一功率管如图2所示，它有三种工作模式[8]：Boost模式(电感电流如图3(a)图所示)、Buck模式(电感电流如图3(b)图所示)、交替工作模式(电感电流稳态波形处于正负交替状态如图3(c)图所示)。表1列出了变换器工作三种工作模式下元器件的运行状态。

双向Buck/Boost变换器拓扑结构和控制策略相对简单，所需器件少，转换效率高等优点，文献[9]通过实验验证了该变换器具有较高的转换效率，Boost模式下转换效率可达90%，Buck模式下可达94%。但由于变换器固有结构限制，输入输出电压转换比较小，因此，只适用于小功率、无需电气隔离的场合。

图2　双向Buck/Boost变换器拓扑结构

图3　双向Buck/Boost变换器电感电流波形

tS1S2D1D2UgS1UgS2LiLBoost0～ton导通截止截止截止10充电正模式ton～T关断截止截止续流00或1放电正Buck0～ton截止导通截止截止01充电负模式ton～T截止关断续流截止0或10放电负交替0～t1导通截止续流截止10放电负工作t1～Ton导通截止截止截止10充电正模式Ton～t2截止导通截止续流01放电正t2～T截止导通截止截止01充电负

2.1.2双向Buck-Boost变换器

图4　双向Buck-Boost变换器拓扑结构

双向Buck-Boost变换器是在单向Buck-Boost变换器原功率管上反并联一二极管、原二极管上反并联一功率管后构成的，拓扑结构如图4所示，它也有三种工作模式，若规定电流从U1侧流向U2侧是正向传输模式，电感电流始终为正，反之为反向传输模式，为了保证电流的双向传输，S1和S2不能同时导通，还有一种是交替工作模式，在一个周期内电流交替地在U1和U2之间流动，此时的开关模态与双向Buck/Boost变换器相同，平均能量传输方向取决于iL的平均值，当iL平均值为正时，为正向传输，反之为反向传输。

较之双向Buck/Boost变换器，双向Buck-Boost变换器在同一传输方向中既能实现升压也能实现降压，调压范围较宽，拓扑结构简单，控制与驱动电路易于设计，适用于小功率场合。若应用在电动车电机驱动系统中，因其调压范围宽，当电源端电压大范围波动时，能保持输出端电压为最高电压，有利于保证电动汽车的动力性能[10-11]，具有平衡电压的作用。

2.1.3双向Cuk变换器

图5　双向Cuk变换器拓扑结构

双向Cuk变换器是在单向Cuk变换器原功率管S1上反并联一个二极管D1、原二极管D2上反并联一个功率管S2后构成的，其拓扑结构如图5所示，它也有三种工作模式：正向传输模式、反向传输模式和交替工作模式，表2列出了双向Cuk变换器正向和反向传输模式及元器件的工作状态。交替工作模式时，在一个开关周期内，功率管和二极管依次流过电流，平均能量传输方向取决于iL1和iL2的平均值，若平均值为正则传输方向是从U1侧到U2侧，若平均值为负则传输方向相反。

表2　双向Cuk变换器双向传输工作模式元器件工作状态

双向Cuk变换器的输入和输出端均有电感元件，能减小电流纹波，但其拓扑结构中没有前向通路，能量只能先通过电容C3再传输到负载，因此增加了电路的复杂程度，能量传输效率低，不宜在大功率场合应用[12]。

2.1.4双向Zeta-Sepic变换器

图6　双向Zeta-Sepic变换器拓扑结构

单向Zeta、Sepic变换器输入与输出的极性相同，由于Zeta构成BDC的拓扑结构与Sepic构成的BDC完全相同，故称之为双向Zeta-Sepic变换器，其拓扑结构如图6所示，正向传输时等同于Zeta变换器，反向传输时等同于Sepic变换器，与双向Cuk变换器一样，在交替工作模式中，能量传输方向由两个电感的平均电流决定。双向Zeta-Sepic变换器拓扑结构相对复杂，能量传输效率较低，适用于小功率场合[13]。

非隔离型BDC无电气隔离，拓扑结构简单，易于设计，具有较高的转换效率，适用于小功率场合，为了方便对比四种BDC的异同点，表3列出了典型非隔离性BDC的特点。

2.2　隔离型双向DC-DC变换器

2.2.1传统隔离型双向DC-DC变换器

1)双向正激变换器

双向正激变换器是在单向正激变换器一次侧功率管两端并联二极管、二次侧两个二极管两端分别并联功率管后构成的，拓扑结构如图7所示，可工作在正向传输、反向传输和交替传输模式，在该拓扑结构中S1、S2及S3均工作在PWM控制模式下，S1、S2同时导通和关断，并与S3互补工作。在单向正激变换器中，电流可工作在连续或断续状态下，而在双向正激变换器中，电流下降到零后便会形成反向电流，因此在交替工作模式中不存在电流断续工作状态。双向正激变换器工作原理简单，其控制和驱动电路易于设计，适用于中小功率场合，但所用的变压器处于单向励磁状态，利用率较低。

图7　双向正激变换器拓扑结构

表3　典型非隔离型双向DC-DC变换器特点

2)双向反激变换器

图8　双向反激变换器拓扑结构

双向反激变换器是在单向反激变换器一次侧功率管上反并联一二极管、二次侧二极管上反并联一功率管后构成的，拓扑结构如图8所示，可工作在正向传输、反向传输和交替传输模式，同双向正激变换器一样，在交替模式下也不存在电流断续模式。表4列出了双向反激变换器正向传输模式下元器件工作状态。

表4　双向反激变换器元器件工作状态

双向反激变换器具有电气隔离、拓扑结构简单、成本低、双向传输等优点，适合于小功率场合，但相比于双向正激变换器，其变压器既要储能，又要实现电气隔离，因此功率器件可能承受较大的电压、电流应力[14]，且变压器漏感上的能量不能通过线圈传输到二次侧，这些能量产生的电流会与功率管电容发生谐振，产生电压尖刺，可能会击穿功率管[15]。

3)双向推挽变换器

在单向推挽变换器二次侧二极管两端分别反并联功率管就构成图9所示的双向推挽变换器，它能实现能量的双向传输和电感电流的交替工作，表5列出了正向传输时一个周期内的4个开关模态。双向推挽变换器的变压器也存在漏感，功率管承受较大的电压和电流应力，不适用在环境恶劣的高压场所，但其功率等级较双向反激变换器高一些。

文献[16]提出了一种应用于四象限运行的直流电动机系统的双向推挽变换电路，特别适用于需要立即制动电机的行业，搭建了5 W的实验样机，并通过实验验证了仿真结果的正确性与合理性。

图9　双向推挽变换器拓扑结构

开关模态1开关模态2开关模态3开关模态4t0～tonton～T/2T/2～T/2+tonT/2+ton～TS1导通截止截止截止S2截止截止导通截止S3导通导通截止导通S4截止导通导通导通D1截止截止截止截止D2截止截止截止截止D3导通导通截止导通D4截止导通导通导通iL增加下降增加下降

4)双向半桥变换器

图10　双向半桥变换器拓扑结构

图11　双向半桥变换器正向传输工作波形

在半桥变换器二次侧两个二极管上分别反并联功率管就构成了双向半桥变换器如图10所示，也有三种工作模式，图11所示为该变换器正向传输时功率管工作波形和电感电流波形，此时功率管均工作在PWM控制模式下，并采用移相控制[17]，S1、S2和S3、S4的驱动信号互补并留有死区区间，在一个周期内，双向半桥变换器共有12个工作模态，表6列出了变换器正向传输时半个周期内元器件的工作状态。由于交替工作模式控制复杂，因此在实际场合中不常应用此工作模式。

表6　双向半桥变换器正向传输元器件工作状态

双向半桥变换器拓扑结构简单，所需元器件较少，适用于中小功率场合，并能通过移相控制在不需要辅助元器件的情况下，实现所有的开关器件的零电压开通，在一定程度上减少了开关损耗，但该拓扑所用的变压器处于单向励磁状态，变压器利用率较低，由于变换器是在移相控制模式下，因此不适用于调压范围较大的应用场合[18]。

5)双向全桥变换器

图12　双向全桥变换器拓扑结构

图13　双向全桥变换器功率管开通规律和电感电流波形

在单向全桥变换器二次侧四个二极管上反并联四个功率管就构成了双向全桥变换器如图12所示，其功率管的开通规律和电感电流波形如图13所示，由图可见，在t=t1～T/2期间，S1、S4、S5和S8导通，电流线性增长，在t=T/2～t2期间，S1关断，S3开通，电感电流下降，由于D3和S4的续流作用，没有电流流过S3，二次侧S5、S6、S7、S8均为开通状态，由于D5～D8的续流作用，没有电流流过二次侧功率管，同理在t=t2～T期间，工作原理和t=t1～T/2期间类似，不再赘述。

较之双向半桥变换器，双向全桥变换器结构复杂，所需器件较多，增加了产品的体积和设计成本，但功率器件的电压、电流应力较小，适用于功率等级较高的场合，若在双向全桥变换电路中加入钳位电路，则可保证功率管全部工作在软开关状态。

2.2.2电压源型和电流源型双向DC-DC变换器

1)电压源型双向DC-DC变换器

图14　电压源型双向DC-DC变换器通用结构

电压源型BDC通用结构如图14所示，在变压器两端各有一高频整流/逆变单元，以实现能量双向传输。

由于电压源型BDC的输入端不存在电感结构而只有储能电容，故不适用于输入端需较小电流纹波的场合，而适用于输入端需较小电压纹波场合。常见的电压源型BDC如上一小节所述的双向全桥变换器。

图15　电流源型双向DC-DC变换器通用结构

2)电流源型双向DC-DC变换器

图16　一次侧推挽，二次侧半桥式拓扑结构

电流源型BDC通用结构如图15所示，它的输入端有电感元件，能够对输入电流进行滤波，适用于输入端电流纹波要求较高的场合。较为常见的电流源型BDC如图16所示，该拓扑结构一次侧为电流源型推挽电路，二次侧为半桥电路，常应用在中、小功率级的场合，其控制方法成熟，稳定性高，但推挽电路对变压器的设计制造工艺有着较高的要求，所以这种拓扑结构的设计也存在一定的难度[19]。

表7列出了隔离型BDC与非隔离型BDC的优缺点及适用场合，两者在拓扑结构上的主要区别在于有无隔离变压器，由于变压器的一次侧和二次侧的匝比可以设计，合理选取匝比可使变换器在较好的条件下工作，有宽的调压范围，但由于变压器的引入，增大了设备体积，降低了转换效率。

表7　隔离型与非隔离型BDC特点

3　基本单元拓展构成的拓扑结构

3.1　串联型双向DC-DC变换器

图18　串联型双向Buck-Boost变换器

图17串联型拓扑结构通用表现形式

串联型拓扑结构是由多个基本变换单元串联组成的，其通用表现形式如图17所示，它能够解决传统BDC普遍存在的开关管应力大和开关损耗严重等问题，适合在大功率、高增益场合。具有代表性的拓扑结构如图18所示的正极性输出双向Buck-Boost变换器[20-21]，也称串联型双向Buck-Boost变换器[22]，表8列出了其工作模式和功率管的工作状态。

相比于双向Buck-Boost变换器，串联型双向Buck-Boost变换器输入输出为同极性，更适用于电动车电机驱动系统，但它使用的开关和二极管器件较多，且升压模式下必须同时导通两个功率管，功率管不能工作在软开关模式下，开关通态损耗较大。

表8　串联型双向Buck-Boost变换器双向传输功率管工作状态

3.2　并联型双向DC-DC变换器

图19　并联型拓扑结构通用表现形式

并联型拓扑结构是由多个基本变换单元并联组成的，其通用表现形式如图19所示，这种结构的功率等级较高，但随着并联单元数量的增多，设计成本以及体积也会随之增加，控制方法也会越来越困难。图20所示的非隔离型三相双向Buck/Boost变换器主电路拓扑结构，它是由相移为120°的三个单相双向Buck/Boost变换器并联组成，该拓扑采用了多重化技术，降低了输出电流纹波，减少了电路器件的电流应力[23]，其功率等级可达到几十千瓦，甚至上百千瓦[24]。

图20　三相Buck/Boost双向变换器拓扑结构

3.3　组合型双向DC-DC变换器

组合型拓扑结构通用表现形式如图21所示，其中Cell1为非隔离型BDC，Cell2和Cell3组合为隔离型BDC。

图22　组合型双向DC-DC变换器拓扑结构

图21 组合型拓扑结构通用表现形式

在非隔离型BDC中，由于Buck-Boost的电感在两个功率管中间，其输入输出电流纹波较大，不适用于组合型拓扑结构，双向Cuk变换器的输入和输出均为电流源型，电流纹波较小，适用于组合型拓扑结构。双向Cuk和双向半桥变换器可组成为图22所示的组合型BDC，它能减小功率器件的电压、电流应力，同时也可降低变换器的损耗，提高输入输出转换比和转换效率，具有更好的工作特性，适用于大功率场合[25]。

3.4　复合型双向DC-DC变换器

图23　复合型拓扑结构通用表现形式

图24　多输入双向DC-DC变换器拓扑结构

复合型双向DC-DC变换器能将不同等级的输入源接入到同一条直流母线上，其通用表现形式如图23所示，该结构可提高输入输出电压变换比，但控制方法是这一类型拓扑结构的难点。

一种常见的复合型BDC拓扑结构如图24所示，它是基于双向半桥拓扑的隔离型多输入双向DC-DC变换器[26-28]，其中L1为变压器漏感，U1和U2为两个电压等级的输入源，U1可通过双向Buck/Boost电路对U2进行充、放电[29-30]，能量也可通过变压器进行双向传输，其优点为输入端可以接入电压脉动较小的燃料电池或蓄电池，并能实现软开关技术等[31]。

4　结束语

目前双向DC-DC变换器的应用已逐渐发展成熟，但在实际应用中依然存在功率器件的电压、电流应力较高，元器件较多，开关损耗大，体积较大，适应性不强，易引入干扰等问题。为解决上述问题，双向DC-DC变换器拓扑结构可采用新型材料器件，如通过使用碳化硅电力电子器件来降低导通电阻和减小开关损耗；新型拓扑结构应向着复合性、灵活性和多样性方向发展，以更好地应对实际应用中复杂化和多元化的需求，相应的控制策略也应不断完善，这也使得双向DC-DC变换器具有更广阔的应用前景。

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