《Engineering Science and Technology, an International Journal》：A review of isolated bidirectional DC-DC converters for onboard EV chargers: topologies, trends, and technological suitability
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电动汽车（EV）的普及和车辆到电网（V2G）技术的日益采用，已确立了车载充电器（OBC）作为电网与EV电池系统之间的关键接口。在组成功率变换级中，隔离型双向DC-DC变换器至关重要，因为它必须同时提供电气隔离、支持双向能量流，并在涵盖400 V和800 V电池
电动汽车（EV）的普及和车辆到电网（V2G）技术的日益采用，已确立了车载充电器（OBC）作为电网与EV电池系统之间的关键接口。在组成功率变换级中，隔离型双向DC-DC变换器至关重要，因为它必须同时提供电气隔离、支持双向能量流，并在涵盖400 V和800 V电池架构的宽输出电压范围内保持高效率。研究人员对用于OBC应用的隔离型双向DC-DC变换器拓扑进行了系统综述，涵盖双有源桥（DAB）、电感-电感-电容（LLC）、电容-电感-电感-电容（CLLC）以及可重构和两级配置。每种拓扑都根据其工作原理、软开关能力、控制策略、电压增益灵活性以及V2G操作的适用性进行了分析。比较评估对用于扩展输出电压范围的设计策略进行了分类，包括可变直流母线控制、拓扑重构、两级级联架构和混合调制方案。还研究了宽禁带（WBG）半导体技术——特别是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）——在实现高频、高效变换器设计中的作用。讨论了关键设计要求、监管标准和近期行业趋势。研究结果表明，CLLC谐振变换器和可重构拓扑是下一代双向车载充电器（OBC）最有前景的选择。它们在效率、宽电压适应性以及与400 V和800 V电池平台的兼容性之间提供了出色的平衡。
1. Introduction
本文介绍了电动汽车（EV）的普及和车辆到电网（V2G）技术的日益采用，使车载充电器（OBC）成为电网与电池系统之间的关键接口。隔离型双向DC-DC变换器在功率变换中至关重要，需提供电气隔离、支持双向能量流，并在涵盖400 V和800 V电池架构的宽输出电压范围内保持高效率。本文对用于OBC的隔离型双向DC-DC变换器拓扑进行了系统综述，涵盖双有源桥（DAB）、电感-电感-电容（LLC）、电容-电感-电感-电容（CLLC）以及可重构和两级配置。本文贡献包括：双平台映射（400 V和800 V电池架构）、宽增益挑战分析（评估拓扑在宽输出电压范围下的效率）和技术策略综合（分类可变直流母线控制、拓扑重构、两级架构等策略）。
2. Bidirectional onboard chargers
2.1 System architectures and classifications
双向OBC的架构分为单相、模块化三相和直接三相三种。单相OBC常用于住宅充电（3.3–7.2 kW），结构简单；模块化三相OBC（>10 kW）可扩展，用于公共设施；直接三相OBC（>10 kW）紧凑高效，但存在电磁干扰（EMI）问题。现代OBC采用可重构架构，通过变压器副边或输出级的串并联切换支持400 V/800 V双电压平台。控制策略如双相移和三相移调制在DAB中扩展零电压开关（ZVS），混合调制提高谐振拓扑的增益灵活性和EMI性能。
2.2 Non-integrated OBCs
非集成OBC是独立模块，与牵引系统分开。单级OBC集成AC-DC和DC-DC功能，减少元件数，但面临宽电压范围调节困难和电网谐波管理挑战。两级OBC由前级功率因数校正（PFC）和后级隔离DC-DC组成，提供设计灵活性和独立控制，中间直流母线电容增加体积但实现模块化。两级架构在商用OBC中广泛采用，利用软开关和宽禁带（WBG）器件（如SiC和GaN）提高效率。
2.3 Integrated OBCs
集成OBC（iOBC）将充电功能与牵引系统或辅助电源模块（APM）合并，提高硬件利用率。利用电机绕组和逆变器实现双向能量流，减少元件冗余，但引入转矩产生、泄漏电流等安全挑战。集成分为非隔离和隔离拓扑，非隔离设计利用电机绕组作为滤波电感，隔离设计将电机绕组作为低频变压器。多相电机（如五相、六相）通过将充电电流映射到非转矩产生子空间，避免转矩生成。
3. DC-DC converters classification for OBCs
DC-DC变换器分为非隔离、隔离和隔离谐振三类。非隔离拓扑缺乏电气隔离，存在安全风险，很少用于商用OBC。隔离拓扑提供电气隔离，支持高频操作，减小磁性元件体积，但设计复杂。隔离谐振变换器利用谐振槽实现软开关（ZVS/ZCS），降低开关损耗和EMI，适合高频高效应用。CLLC谐振变换器由于对称增益特性，在双向OBC中广泛采用。
4. Review of major topologies and their advancements
4.1 Dual active bridge converters
DAB变换器具有对称结构和固有双向性，通过相移调制控制功率流。单相移（SPS）控制简单，但轻载和宽电压比时效率下降，循环电流增加。先进调制如三相移（TPS）可扩展ZVS范围，提高效率，但控制复杂。重配置拓扑如三电平DAB（R3L-DAB）和三相不对称DAB（TP-ADAB）通过串并联重构扩展电压范围，实现高功率密度。
4.2 LLC resonant converters
LLC谐振变换器在谐振频率附近效率高，但固有单向性，实现双向需要修改。采用脉冲频率调制（PFM）控制，但宽电池电压范围需偏离谐振频率，导致效率下降。混合调制（如PFM+PWM）和可重构硬件（如全桥-半桥切换）可扩展增益范围。LLC在单向OBC中应用广泛，如雪佛兰Volt第二代。
4.3 CLLC resonant converters
CLLC谐振变换器在变压器两侧对称设置谐振槽，实现双向对称增益特性，保持ZVS和ZCS。采用PFM或相移（PS）控制，但宽电压范围需混合调制（如PFM+PS）。设计上需精确调谐谐振槽，避免频率偏离导致效率下降。CLLC在双向OBC中表现优异，兼容400 V和800 V系统，峰值效率可达98.5%。
4.4 Other DC-DC converter architectures
可重构架构通过动态调整电路配置（如串并联切换）或控制策略，扩展电压范围，保持高效率。代表拓扑包括可重构LLC、可重构CLLC和混合调制可重构CLLC。两级DC-DC架构由隔离谐振级（如LLC或CLLC）后接非隔离级（如buck或boost）组成，实现精确调节，但全功率路由增加损耗。部分功率处理（PPP）和可重构两级架构可减轻损耗。
5. Comparative assessment
5.1 400V topologies
针对400 V系统，常用拓扑包括CLLC、DAB和LLC。CLLC通过可变直流母线控制和拓扑修改（如不对称设计）实现宽范围（200–450 V）高效运行。DAB通过高级调制（如TPS）和设计优化提高效率。两级架构（如CLLC加buck）实现高效率（>99%）和宽范围。部分拓扑可低至50 V以适应深度放电电池。
5.2 800V topologies
800 V系统需应对550–900 V宽范围，多电平DAB（如三电平NPC）和CLLC/LLC混合模式成为候选。采用SiC和GaN器件实现高频操作（>500 kHz）和高效率（>98%）。两级架构（如三相CLLC加四相交错buck）提供宽电压适应性和高功率密度，支持400 V/800 V通用设计。
6. Design requirements and recent trends in onboard EV chargers
6.1 Key design requirements
高效率和功率密度是核心要求，通过WBG器件（SiC和GaN）和软开关拓扑实现。安全隔离需符合IEC 61851、UL 2202等标准，确保电气隔离和故障保护。双向OBC需支持V2G，增加控制复杂度。WBG器件提高开关频率和热性能，但加剧EMI问题。高功率（22 kW）和800 V电池架构需三线制电源和更大电压增益，设计挑战包括绝缘和热管理。
6.2 Recent trends requirements
双向功率流是V2G的关键，需复杂控制。WBG器件（SiC和GaN）实现高频、高效、高功率密度。高功率和高电压发展（从3.3 kW到22 kW，从400 V到800 V）要求更高电压增益和绝缘设计，但可减少充电电流和线缆尺寸。
7. Summary
CLLC谐振变换器在研究和商用双向OBC中占主导地位，尤其适合400 V系统，凭借对称谐振槽实现全范围软开关。DAB适用于高功率400 V OBC，但需高级调制维持效率。LLC适用于单向或轻度双向400 V设计。800 V系统多采用多电平DAB（如三电平NPC）和CLLC/LLC混合模式，结合SiC和GaN器件。可重构和模块化结构支持400 V/800 V双电压平台，但模式切换控制有挑战。WBG器件是提升性能的关键。
8. Conclusion
DAB变换器对称结构适合高功率，但轻载效率下降；LLC在谐振频率附近高效，但双向性受限；CLLC谐振变换器因对称增益、软开关和功率密度成为双向OBC的理想选择。可重构和两级架构扩展电压范围，但增加元件和控制复杂度。未来研究应聚焦于可扩展、可重构架构，支持双电压平台和V2X操作，同时满足安全和EMC要求。
