双主动桥隔离双向DC-DC变换器（一）摘要、引言

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。

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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/

用于高频链路功率变换系统的双主动桥隔离双向DC-DC变换器概述

摘要高频链路（Hign-Frequency-Link,HFL）功率转换系统在不以效率、成本和可靠性为代价的前提下，以其高功率密度、低重量和低噪声的特点越来越受到学术界和工业界的关注。在HFLPCS（Hign-Frequency-Link Power-Conversion Systems，HFLPCS）中，双主动桥（Dual Active Bridge，DAB）隔离双向直流变换器（Isolated Bidirectional DC-DC Converter，IBDC）作为核心电路。本文概述了DAB-IBDC用于高频链路功率变换系统。首先，介绍DAB-IBDC研究的必要性及发展历史。其次，回顾和分析了基本表征、控制策略、软开关解决方案和变体以及硬件设计和优化的研究课题。在此基础上，提出了几种典型的DAB-IBDC用于高频链路功率变换系统的应用方案。最后，提出了设计建议和未来趋势。作为高频链路功率变换系统的核心电路，DAB-IBDC具有广阔的应用前景。随着近年来固态半导体、磁性和电容材料以及微电子技术的发展，DAB-IBDC在高频链路功率变换系统中的大规模实际应用有望实现。

关键词 双向变换器，直流-直流变换，双有源桥，效率，高频链路，隔离变换器，纳米晶磁性材料，功率转换，功率密度，宽禁带半导体。

I 引言

现在，功率转换系统（PCS）主要采用线性频率（Line-frequency，LF）变压器来实现电流隔离和电压匹配[1]-[5]。分布式发电和储能的迅速发展导致PCS作为一个持久的关键接口越来越受欢迎[6]-[10]。然而，线性频率变压器笨重且损耗和噪声大的特性阻碍了功率变换系统的效率和功率密度。

近年来，使用高频（Hign-frequency，HF）变压器代替传统的线性频率变压器被认为是下一代电力转换的发展趋势。50Hz 线频变压器和20kHz 高频变压器的对比如图 1所示。高频变压器的优点是体积小、重量轻、损耗少。而基于高频变压器的高频链路功率变换系统也可以避免线频变压器的铁芯饱和引起的电压和电流波形失真。此外，当开关频率在20kHz以上时，功率变换系统的噪声可以大大降低。尤其是在功率变换系统快速扩展的背景下，高频链路功率变换系统具有广泛的应用前景。

在高频链路功率变换系统的研究中，隔离型双向DC-DC变换器通常是关键电路。一般来说，所有的IBDC都可以从传统的单向隔离型DC-DC变换器（Isolated Unidirectional DC-DC Converters，IUDC）演变而来。例如：反激式IUDC可组成双反激式IBDC，半桥或推挽IUDC可以组成双半桥或双推挽IBDC，全桥IUDC可以组成双主动桥I BDC。事实上，除了由同一类型的IUDC组成的IBDC之外，不同类型的IUDC也可以组成IBDC，例如半桥IUDC和推挽IUDC可以组成半桥推挽IBDC，因为半桥和推挽结构可以承受高低压，因此，这种类型的IBDC可以用于宽电压范围和双向潮流的应用。类似于电力电子学中传统的直流-直流变换器的分类，本文根据开关管的数量对IBDC拓扑进行了分类，如表一所示。最简单的IBDC拓扑结构是双开关结构，如：双反激IBDC、双Cuk IBDC和Zeta-Sepic IBDC[11]-[14]。三开关拓扑的典型模型是正反激IBDC[15]。四开关拓扑结构主要包括双推挽IBDC、正激推挽IBDC、反激推挽和双半桥IBDC[16]-[24]。五开关拓扑的典型模型是全桥正激IBDC[25]。六开关拓扑的典型模型是半全桥IBDC[26]。八开关拓扑主要是双主动桥IBDC（DAB-IBDC）[27]-[29]。

总的来说，用于高频链路功率变换系统的IBDC拓扑是多种多样的。但是，一般来说，当开关的额定电压和电流相同时，IBDC的传输功率与开关的数量成正比，如四开关IBDC的功率容量是双开关IBDC的两倍，但是是八开关IBDC的一半，因此DAB-IBDC具有最大的功率容量。从滤波器的角度来看，正向变换器的输出脉动频率为开关频率，而推挽、半桥和全桥变换器的输出脉动频率为双开关频率，因此，在相同的输出电压下，DAB-IBDC的滤波器也很小。此外，DAB-IBDC具有易于实现软交换、双向功率传输能力、模块化和对称结构等优点，因此，近年来，它们越来越受到人们的关注。2007年，文献[30]和[31]提出DAB-IBDC将作为下一代高频链路功率变换系统的核心电路。这些观点也得到了大多数研究人员的认可。图 2给出了DAB-IBDC的拓扑结构，该拓扑由两个全桥变换器、两个直流电容器、一个辅助电感和一个高频变压器组成。高频变压器提供所需的电流隔离和两个电压电平之间的电压匹配。辅助电感作为瞬时储能装置。

事实上，DAB-IBDCs是在20世纪90年代初提出的[32]-[34]。然而，由于功率器件的性能限制，DAB-IBDCs的功率损耗较高，效率不被接受。因此，DAB-IBDC没有达到一个新的发展阶段，相关的研究文献很少[35]-[37]。近年来，新的功率器件和磁性材料（特别是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的功率器件和铁基纳米晶体软磁材料）的发展使DAB-IBDC在从功率变换系统中消除笨重和沉重的线频变压器是可行的[38]，[39]。因此，DAB-IBDC重新获得了众多研究者的关注。

到目前为止，关于DAB-IBDC的研究主要集中在以下几个方面：基本特征，控制策略，软开关解决方案和变体，以及硬件设计和优化。鉴于这一研究现状，本文将给出关于DAB-IBDC的概述。在此基础上，将讨论DAB-IBDC在高频链路功率变换系统中的典型应用以及未来的发展趋势。

本文按照如下进行组织。第二节介绍了DAB-IBDC的基本特征研究。第三节分析了控制策略中具有代表性的部分，它们是DAB-IBDC的控制方法中研究最广泛的部分。第四节讨论了软开关解决方案和变体。第五节讨论了硬件的设计和优化。第六节分析了DAB-IBDC在高频链路功率变换系统中的几种典型应用方案。最后，第七节讨论了设计建议和未来趋势。

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