一种Boost辅助多模式双向谐振DC–DC变换器用于宽电池电压范围应用

《Sensors》：A Boost-Assisted Multi-Mode Bidirectional Resonant DC–DC Converter for Wide-Battery-Voltage-Range Applications

　　

研究人员提出了一种面向宽范围应用的双向LC谐振DC–DC变换器。通过在常规结构的高压侧（HVS）引入辅助Boost桥臂并复用谐振电感Lr，所提变换器扩展了电压增益范围。采用PWM（脉冲宽度调制）与PFM（脉冲频率调制）结合的混合控制策略，变换器在电池放电时工作于两种增益模式（中增益与高增益），在电池充电时工作于三种增益模式（低增益、中增益与高增益）。该多模式机制有效拓宽了电压增益范围，缩小了开关频率变化区间，并简化了磁件设计。在测试的代表性工况下证实了ZCS（零电流开关）运行，显著降低了开关损耗。研究人员研制了额定功率750 W的实验样机，验证了其在40–120 V电池充放电需求下的性能。实验结果表明，所提拓扑与控制策略对高效宽范围功率变换应用具有有效性与合理性。

研究背景方面，双向DC–DC变换器（BDC）在微电网、混合储能与电动汽车中承担双向功率流调节，电池侧电压常跨40–120 V甚至更宽，而母线侧多为200/400/800 V，宽电压比使传统隔离双向拓扑面临挑战。常规双有源桥（DAB）在宽压变下环流大、电流应力高；双向LLC正向外增益大于1而反向退化为串谐增益小于1，且PFM（脉冲频率调制）导致开关频率漂移大、磁件难设计；CLLC虽修正反向增益却增加低压侧LC组、功率密度下降。已有改进可归为四类：调谐谐振腔参数、变比重构、拓扑重构、先进调制，但分别带来附加开关、铜损、模式跳变尖峰或控制复杂。为此，研究人员提出在HVS增设Boost桥臂、复用单个谐振电感L_r的五臂结构，使励磁电感L_m可取远大于L_r以抑制环流，并在五模式中的四者固定谐振频率f_s=f_r用PWM调增益，将宽增益与宽频扫解耦。

主要关键技术方法上，研究人员构建低压侧（LVS）全桥、HVS三臂（两谐振臂R₁/R₂加Boost臂S₇–S₈带串二极管的五臂拓扑），以1:K变压器隔离；在L_m>>L_r、器件理想假设下分放电DMG/DHG与充电CLG/CMG/CHG五模式推导电感电流i_Lr与谐振电容电压u_Cr时域表达式及增益G_DMG、G_DHG、G_CLG、G_CMG、G_CHG；采用电压外环电流内环双PI与u_con阈值切模，样机定K=2、L_r=15.8 μH、C_r=160 nF、f_r=100 kHz、750 W、母线200 V、电池40–120 V验证。

研究结果部分，拓扑与原理小节指出，HVS置L_r复用使磁件数减少，Boost臂串二极管降关断损且防反灌；放电DMG模式在U_L高时f_s=f_r由S₁/S₂占空比D_m调增益，分LC谐振—环流—断流死区三阶段且ZCS；DHG模式在U_L低时由S₉占空比D_h控L_r储能再谐振，增益>1。充电CLG模式等同半桥LLC走PFM，适合U_L低；CMG模式f_s=f_r由S₉/S₁₀占空比D_cm相移调增益；CHG模式U_L高时Boost臂S₇/S₈占空比D_ch储能再谐振，获最高增益。稳态增益分析小节由公式与图线表明，G_DMG∈[0,1]随D_m增而增、随Q增而减；G_DHG>1同趋势；G_CLG在f_n=1达峰；G_CMG同DMG；G_CHG随D_ch增大持续上升且在较大Q下仍保线性调节，样机选G_CHG=2.05、G_DHG=1.35、K=2满足G_F=4与G_R=0.65双向需求。设计准则小节给出K∈[1.95,2.07]取2，额定Q_o=0.4，L_r/C_r由额定功率与f_r算出，控制用双环PI（电流K_pi=16/K_ii=0.0001，电压K_pv=0.003/K_iv=0.0001）以u_con跨U_M/U_H阈值在PWM定频与PFM间切换。实验小节中，放电DMG@U_L=115 V、D_m=0.7与DHG@U_L=84 V、D_h=0.18均见i_Lr正弦或线性储能后谐振，开通电流近零实现ZCS；充电CLG@46 V/120 kHz有轻微环流，CMG@84 V/D_cm=0.8与CHG@127 V/D_ch=0.18亦ZCS，Boost臂关断电压应力470 V；模式切换DMG?DHG无过冲、电流脉宽30 ms，CLG→CMG→CHG电压过冲约10%、电流脉宽15%、稳定10 ms。效率上放电峰值95.3%@105 V额定、DHG峰值94.6%@94 V；充电CMG峰值95.4%、CLG适≤48 V轻载、CHG峰值94.4%适≥96 V，CHG损耗中变压器铜损占34.4%为主。

讨论与结论翻译部分，研究人员总结：所提双向DC–DC变换器适用于宽范围输出，放电两模式充电三模式；采用定频PWM为主、PFM为辅的混合调制简化磁件设计；代表性工况实验证实ZCS降低开关损。样机验证拓扑可行、宽增益能力、测试条件下ZCS及效率表现，并给出CHG模式简化损耗拆分。但全模式全范围器件应力与细粒度损耗刻画留待后续。该文发表于《Sensors》。