高可扩展性的多级双向PFC降压转换器，具备双输出功能：适用于电动汽车充电应用的宽电压控制范围

《Journal of Energy Storage》：High scalable multi-level bidirectional PFC buck converter with dual output: Wide voltage control for EV charging application

电动汽车充电用双输出五级双向Buck PFC整流器研究。提出DOMLBB拓扑，通过五级输入电压实现低开关频率和宽输出电压调节，消除额外电压传感器需求，自平衡电容电压，支持单/双负载（36-800V） bidirectional power flow，实验验证200V DC恒压输出，THD低且成本低于传统方案。

　　随着电动汽车（EV）电池充电技术的不断发展，电力电子设备在提升效率与性能方面扮演着越来越重要的角色。特别是在交流到直流（AC-DC）转换系统中，如何优化功率因数校正（PFC）技术，成为当前研究的一个重点。本文探讨了一种新型的双输出五级（5-L）双向降压PFC整流器（DOMLBB PFC），旨在解决传统整流器在多负载情况下的谐波含量高、需要额外电压传感器、以及高开关频率带来的电磁干扰（EMI）问题。DOMLBB PFC的设计不仅提升了系统的整体效率，还增强了其在不同负载和电网条件下的适应能力，从而为未来的电力转换系统提供了更优的解决方案。

在传统的PFC整流器设计中，常见的有双阶段桥式集成DC-DC整流器、单向多级整流器（UMLRs）、双向多级整流器（BMLRs）以及无桥式整流器（BLRs）。这些设计虽然在提升功率质量与效率方面有一定的优势，但它们通常需要较高的开关频率，导致电流和电压的显著波动，并且需要复杂的输入/输出滤波装置来满足EMI标准。特别是对于低电压应用，传统的升压PFC整流器存在输出电压超过输入峰值电压的天然倾向，这在低电压电池系统中可能带来一定的风险。因此，针对低电压应用，降压PFC整流器成为更合适的选择，因为它们能够提供更宽泛的输出电压调节范围。然而，降压整流器在输出电压高于输入电压时，可能会出现死区问题，影响系统的稳定运行。

近年来，多级整流器（MLRs）因其能够实现接近单位功率因数（UPF）的特性，成为一种备受关注的解决方案。MLRs通过在电源端口生成多级电压，有效降低了对功率开关的电压和电流应力，从而提升了系统的整体性能。尽管MLRs具有诸多优点，但在实际应用中仍面临一些挑战。例如，一些多级整流器需要复杂的控制算法和多个输出电压传感器，以实现电容电压的平衡，这不仅增加了系统的复杂度，也提高了成本。此外，对于多负载情况，现有的多级整流器可能难以维持稳定的电容电压平衡，从而限制了其应用范围。

为了克服上述问题，本文提出了一种新型的双输出多级双向降压PFC整流器（DOMLBB PFC）。该设计利用了五级输入电压的概念，通过减少谐波含量并消除额外的输出电压传感器，显著降低了系统的复杂性。同时，DOMLBB PFC能够在连续导通模式（CCM）下运行，从而减少了对输入/输出滤波的需求。这种整流器不仅能够处理单个或多个负载，还能在较低的开关频率下实现高效的功率转换，这对于降低系统成本和提高可靠性具有重要意义。

DOMLBB PFC的一个显著优势在于其能够实现双向功率流动，这使得车辆到电网（V2G）等应用更加可行。通过这种双向流动，系统可以不仅作为整流器，还能作为多级逆变器，从而在不同应用场景中提供更高的灵活性。此外，该设计还具备自平衡电容电压的能力，这意味着不需要额外的平衡电路，简化了控制策略。这种自平衡特性使得DOMLBB PFC在处理多负载情况时更加稳定，同时降低了对控制系统的依赖，提高了系统的可靠性。

在设计过程中，DOMLBB PFC通过合理配置开关器件和电容，实现了五级输入电压的生成。这不仅有助于降低谐波含量，还能够提升系统的整体效率。为了实现这一目标，该设计采用了一种基于标准电平偏移的脉宽调制（PWM）方案，避免了其他多级整流器可能需要的复杂控制方法。这种控制方法不仅简化了系统结构，还提高了系统的可扩展性，使得DOMLBB PFC能够适用于各种不同的负载和电网条件。

DOMLBB PFC的另一个重要特点是其能够在较低的开关频率下运行。传统PFC整流器通常需要较高的开关频率，这不仅增加了开关损耗，还对系统的散热和可靠性提出了更高的要求。相比之下，DOMLBB PFC通过优化电路设计，能够在较低的开关频率下实现高效的功率转换，从而减少了对输入/输出滤波的需求。这种设计不仅降低了系统的复杂性，还提高了其在实际应用中的可行性。

此外，DOMLBB PFC还具备较低的总谐波失真（THD）和较高的功率因数，这使得它在电动汽车充电等高功率应用中表现出色。实验测试结果表明，DOMLBB PFC能够在广泛的负载和电网条件下稳定地提供200 V直流输出。这种稳定性不仅提高了系统的可靠性，还为未来的多级整流器技术发展提供了新的思路。

在多级整流器的研究中，一些重要的拓扑结构已经被提出，如飞行电容结构、中性点钳位（NPC）、级联H桥（CHB）和模块化多电平变换器（MMC）。其中，MMC因其高效的电压调节能力而受到关注，但其需要复杂的反馈控制系统和多个电压传感器，这在一定程度上限制了其应用范围。相比之下，CHB整流器因其模块化设计而具有较高的灵活性，但同样需要额外的传感器和控制算法来实现电容电压的平衡。NPC整流器虽然在某些方面表现出色，但其对功率开关的依赖性较高，容易导致开关故障，因此需要研究相应的故障检测方法。

对于多级整流器的应用，尤其是针对电动汽车充电，需要在多个方面进行优化。首先，要实现降压操作并提供广泛的输出电压范围，这需要设计合理的电路结构。其次，要在发电机端合成多级电压，以提升系统的整体性能。第三，要支持双向功率流动，以适应电动汽车的双向充放电需求。第四，要实现电容电压的简单平衡，避免复杂的控制策略。第五，要尽可能减少系统中的元件数量，以降低成本和提高可靠性。第六，要确保系统的广泛可扩展性，使其能够适应不同规模的负载和电网条件。

本文提出的DOMLBB PFC整流器在上述各个方面都表现出色。首先，它能够在降压模式下提供广泛的输出电压调节范围，满足不同电池系统的电压需求。其次，该设计能够合成五级输入电压，从而有效降低谐波含量，提高系统的功率质量。第三，DOMLBB PFC具备自平衡电容电压的能力，无需额外的平衡电路，简化了控制系统。第四，该整流器能够在连续导通模式下运行，从而减少了对输入/输出滤波的需求，提高了系统的可靠性。第五，DOMLBB PFC能够实现双向功率流动，使其不仅适用于电动汽车充电，还能用于其他需要双向操作的场景。第六，该设计能够在较低的开关频率下运行，从而降低了系统的复杂性和成本。

在实际应用中，DOMLBB PFC的性能表现尤为突出。实验测试结果表明，该整流器能够在广泛的负载和电网条件下稳定地提供200 V直流输出，且功率因数接近于1，总谐波失真（THD）较低。这些特性使得DOMLBB PFC在电动汽车充电等高功率应用中具有显著的优势。此外，该设计还能够处理单个或多个负载，无论是相同类型还是不同类型，都表现出良好的适应性。这种多负载处理能力使得DOMLBB PFC在实际应用中更加灵活，能够满足多样化的电力需求。

从成本分析的角度来看，DOMLBB PFC相较于其他传统拓扑结构具有明显的优势。通过减少对额外电压传感器和滤波元件的依赖，该设计能够显著降低系统的成本。此外，由于其能够以较低的开关频率运行，减少了对高频率开关器件的需求，进一步降低了成本。这种成本优势使得DOMLBB PFC在实际应用中更具可行性，特别是在需要大规模部署的电动汽车充电系统中。

综上所述，DOMLBB PFC作为一种新型的多级双向降压PFC整流器，具有诸多优势。它不仅能够有效降低谐波含量，还具备自平衡电容电压的能力，能够在较低的开关频率下运行，从而减少对滤波元件的需求。此外，该设计能够处理多负载情况，并支持双向功率流动，使其在电动汽车充电等应用场景中表现出色。通过实验测试，DOMLBB PFC在广泛的负载和电网条件下均能稳定运行，且功率因数接近于1，总谐波失真较低。这些特性使得DOMLBB PFC在提升多级整流器技术方面具有重要意义，为未来的电力转换系统提供了新的解决方案。