一种软开关双向DC-DC变换器的电路拓扑设计

双向型的DC-DC变换器已经越来越多的被应用在电动汽车的设计和研发过程中，这种新型的DC-DC变换器能够在电动汽车的运行过程中，高效完成电能转换工作。在今天的文章中，我们将会为各位工程师们分享一种软开关的双向DC-DC变换器的电路拓扑设计方案，希望能够为各位工程师的设计研发工作提供一定帮助。

在本方案中，我们所设计的这种双向DC-DC变换器拓扑结构其高压侧为270V，低压侧为24V。因此从功率的角度出发，采用全桥式双向DC-DC的拓扑结构作为研发基础是最好的选择，但考虑到该变换器高、低压侧电压等级相差很大，因此低压侧电压比较低。若采用全桥式双向DC-DC变换器，则低压侧有两个开关管或反并联二极管的通态压降，其占输入升压时或输出降压时电压的比例较大，使得变换器效率较低。因此低压侧采用全桥结构是不合适的，需要对其进行调整和改变。

图1

基于上述考虑，我们所设计的这种软开关双向型变换器的拓扑结构，如上图图1所示。使用该种拓扑结构的变换器，当处于降压工作状态下时，采用移相控制全桥功率变换，升压时采用带变压器隔离的Boost变换器，利用Boost变换器与推挽变换器的串联，通过一种控制策略去掉其中的冗余元件，其驱动电路无需隔离，控制电路简单可靠，可以进一步提升该种双向型变换器的工作效率。

降压变换工作过程

当这种具有软开关的双向型DC-DC变换器处于降压变换工作状态下时，其工作过程可以归纳为：首先，变换器CPU封锁VS1～VS4的驱动信号，使继电器K不动作，使饱和电抗器L2串入电路，阻断电容C2和C3并联（记做C2//C3）。下图中，图2所给出的是等效的电路拓扑。利用UC3875对VS5一VS8进行移相控制，输出由VS3，VS4的反并联体二极管VD3，VD4整流，L1作为输入滤波电感，从而实现了270V到24V的功率变换。利用变压器的漏感与C5、C7的谐振，实现了超前桥臂VS5，VS7的ZVS，通过串入L2和C2//C3，实现滞后桥臂VS6，VS8的ZCS。同时，C2//C3对降压电路的偏磁具有抑制作用。

图2

升压变换工作过程

在本方案中，我们所设计的这种具有软开关的双向型DC-DC变换器处于升压变换工作状态下时，其工作过程可以归纳为：首先，CPU封锁VS5～VS8的驱动信号，同时控制继电器K闭合，使L2、C3从电路中分离，此时C2用作抗偏磁仍保留在电路中。下图中，图3示出等效的电路拓扑。

在这里需要注意的是，为了更加简单的完成其电路设计工作，此时我们暂不考虑用来实现软开关的辅助电路。此时，输入电压UL先经过VS1，L1构成的Boost电路初次升压到一定的数值，再经过后级推挽变压器二次升压后，由VS5～VS8的反并联二极管VD5—VD8构成的桥式电路整流，从而实现了由24V到270V的升压功率变换。为了实现升压变换时开关管的软开关，在电路中接入了辅助电路，即如图3所示的耦合电感LI/L8、辅助开关管VS2和反馈二极管VDa，实现了升压开关管VS1的ZVT和VS3、VS4的零电压开通与零电流关断，同时VS2实现了零电流开通和近似零电压关断。

图3

升压电路主要参数设计

在本方案中，我们所设计的谐振电容cr，在整个升压电路中的重要作用是来使VS1实现零电压关断，因此Cr的选择应使uvs1上升的速度不要太快，否则不易实现零电压关断。通常采用下式计算：

Lr的设计

在本方案中，为了不影响电路的近似PWM工作方式，辅助电路的工作时间不易太长.一般不超过1/10%的工作周期，即0.1T。此时，Lr的选取应当满足下式要求：

满足上式的Lr即可实现VS1的ZVT。

n1的设计

在这种具有软开关的双向DC-DC变换器设计方案中，n1应当取较大值，电流iVDa则取的较小，则辅助电路传导损耗小，电磁干扰小。同时，因UVS2比较小，关断VS2时可近似看作零电压关断。

实验分析

在基于本方案所设计的双向型DC-DC变换器拓扑结构的基础上，我们针对升压变换而设计了一台试验用的样机，该样机的输入电压为24V，输出电压270V，额定功率为120W。下图中，图5所展示的即该样机的主要实验波形。下面我们来进行逐一的分析。

在下图中，图5（a）所展示的是该种采用新拓扑结构设计的软开关双向型DC-DC变换器升压管VS1的电流电压波形，可以看到，此时已经轻松的实现了零电压开通。图5（b）展示的是辅助开关管VS2零电流开通，近似零电压关断的波形。图5（c）为推挽管VS3完全实现零电压开通与零电流关断的波形，由于变压器漏感的存在，从Vs4关断到VS3导通前，漏感中的能量将通过VS3的体二极管续流，因此VS3在开通前有一个反向电流，与理想波形稍有不同。图5（d）为变压器次级电压波形。图5（e）给出变换器在不同负载下的效率曲线，最高可达93.8%。

（a）

（b）

（c）

（d）

（e）
图5

从图5所提供的实验波形图中可以看到，我们所设计的这种新型的软开关双向DC-DC变换器，能够在运行过程中实现高功率密度、高效率，因此非常适合电动汽车研发设计、航空航天等领域的选用。