双主动桥隔离双向DC-DC变换器（四） 软开关解决方案和变体
为了帮助自己和大家对双主动桥隔离双向DC-DC变换器有一个初步了解，将翻译一篇发表于IEEE on Power Electronics的高引用综述。无其他用途，仅学习交流用。
首先感谢原文作者给予的宝贵的学习机会。
原文名称：Overview of Dual-Active-Bridge Isolated Bidirectional DC–DC Converter for High-Frequency-Link Power-Conversion System https://ieeexplore.ieee.org/document/6658916
IV 软开关解决方案和变体
A 软开关解决方案
DAB-IBDCs具有易于实现软交换、双向功率传输能力、模块化对称结构等优点。因此，近年来，它们越来越受到人们的关注。然而，当变压器两侧的电压幅值不匹配时，循环电流大大增加，效率迅速下降[44]、[46]、[71]。此外，在轻载情况下，软开关范围减小[72]，[73]。为了解决这些问题，软开关解决方案是提高性能的一个研究方向，到目前为止，一般的研究思路集中在改进HF L谐振槽，以扩大DAB-IBDC的软开关范围。本节在文献中给出了三种典型的解决方案，以讨论DAB-IBDC的软开关解决方案。
图 9显示了基于DAB-IBDC的LC型谐振拓扑[74]。与传统的DAB-IBDC相比，该变换器具有更高的工作频率和效率，但额外的谐振元件也带来了额外的尺寸和成本。在文献[74]中，变换器的控制方法是固定频率的相移控制（两个完整桥中的所有开关都以50%的占空比驱动）。为了达到设计目的，采用了两种交流等效（带基本元件）电路分析方法。LC型谐振式DAB-IBDC与传统的串联谐振式单向全桥直流变换器有着相似之处，并且由于二次侧桥的存在，仍然具有一些独特的特性，例如双向潮流的能力。从软开关性能来看，一次侧开关的ZVS和二次侧开关的ZCS可以实现。
图 10显示了基于DAB-IBDC的CLLC型不对称谐振拓扑[75]。两个潮流方向都是在谐振以上的变频调制下调制的。逆变侧开关采用50%占空比驱动，整流侧采用附加谐振信号驱动。类似于上面的LC型变换器，逆变器开关的ZVS和整流开关的ZCS可以在电压增益的大变化下实现。
在此基础上，几篇文献还对对称谐振DAB-IBDC进行了分析。图11中示出了使用新的对称CLLC型谐振网络的DAB-IBDC[76]。潮流方向由开关操作级的位置决定。电源开关以50%的占空比驱动，并在逆变阶段向变压器产生交流电源。在整流阶段，所有开关都关闭，转移的功率由开关的反并联二极管整流。与上述CLLC型不对称变换器相似，在变频调制下，传输功率和输出电压也被调制。由于对称CLLC谐振网络具有逆变开关的ZVS能力和整流开关的软换向能力，该变换器可在大功率转换效率下工作[77]。并且功率转换操作及其效率与其他潮流方向完全相同。
表 2比较了不同的软开关解决方案。从表 2看，不同的拓扑结构，控制策略不同，也导致软开关性能不同。与传统的和LC型谐振DAB-IBDC相比，CLLC型谐振变换器采用频率调制，增加了控制难度，CLLC网络要求更高，这带来了更高的尺寸和成本。此外，从双向潮流的转换速度来看，CLLC型变换器的方向是由开关工作级的位置决定的，而传统的和LC型DAB-IBDCs是很容易由开关工作级的位置决定，通过相移控制控制相移角，因此相移控制的双向转换速度更快。然而，从软开关范围来看，CLLC型谐振变换器比传统的和LC型DAB-IBDC具有更宽的软开关范围，因此，它们更适合于电压和功率范围较宽的应用。此外，因为变压器的匝数和谐振网络的结构是不对称的，与对称谐振变换器相比，CLLC型不对称谐振变换器在正向和反向潮流方向上表现出不同的操作。
除了基于电压馈电变换器的代表性解决方案外，一些研究还讨论了基于电流馈电的DAB-IBDC的软开关解决方案。这里给出了一个典型的拓扑作为一个例子，如图 12所示。文献[78]提出了一种电流馈电谐振DAB-IBDC，它由两个E类谐振变换器组成。在从低压（Low Voltage，LV）侧到高压（High Voltage，HV）侧的功率传输过程中，通过关闭键k来引入一个额外的电容器Cadd。LV转换器晶体管被控制，转换器作为E类升压转换器工作[79]，而HV转换器晶体管不受控制，转换器作为由晶体管体二极管组成的E类整流器工作。通过控制脉冲频率变化来控制双向潮流。升压或降压操作依赖于开关对的控制脉冲之间的相互关系，开关对位于桥的对角位置。该变换器的主要优点是工作频率高，开关损耗为零。然而，变换器控制复杂，文献[78]中的实验效率不令人满意，需要对变换器的性能进行进一步的研究。
根据不同的应用，传统的DAB-IBDC也有许多变体[80]-[97]。这里给出两个变体作为典型的例子。
如图 13所示，提出了三相DAB-IBDC[32]、[86]-[90]。这种拓扑结构与单相DAB-IBDC的工作方式相同，不同的是单相变换器中的每个全桥都是以两级模式工作的，而在三相变换器中，采用控制相移的六步模式工作。表 3给出了两种转换器的比较，它们的传输功率为50kW，输入电压为200V，输出电压为2000V，开关频率为50kHz。由此可知，三相转换与单相变换器相比，三相具有略低的器件应力。同样的结论也可以从变压器视在功率（kVA）额定值中看到。此外，由于较高的纹波频率，且两个额外的相位臂使冗余操作成为可能，三相变换器大大减少了电容纹波电流。不过，三相DAB-IBDC最大的缺点是三相对称变压器的实际实现，每相具有相同的漏感[32]。此外，它需要更多的功率和磁器件，以增加大小和成本。所以推荐三相DABIBDC用于大功率应用。
此外，由于DC-DC变换器可以连接任意两个端口，所以很自然地会想到通过多个单独的直流-直流转换阶段将多个端口连接起来，其中来自所有端口的能量都能相互交换。图 14显示了在[91]-[97]中的一个三端口的DAB-IBDC。变压器不仅集中和交换来自所有端口的能量，而且在所有端口之间提供完全隔离，并匹配不同的端口电压电平。多端口DAB-IBDC的控制方法与双端口DAB-IBDC相同。当变压器两侧电压幅值不匹配时，电流应力和环流损耗也会变得更高。类似于双端口DAB-IBDC的研究，已经提出了许多变体，如半桥多端口型、电流馈电多端口型、三相多端口型等[95]-[97]。