Ｓｕｒｖｅｙ
《电气自动化》２０１７年第３９卷第６期
双向ＤＣ－ＤＣ变换器拓扑结构综述
陈亚爱，梁新宇，周京华
００１４４）（北方工业大学北京市变频技术工程技术研究中心，北京 １
摘 要：基于国内外对双向ＤＣ－ＤＣ变换器的研究成果，简述了各种拓扑结构的基本组成，系统地分析了它们的工作原理，总结了优缺
点和异同点，进而对双向ＤＣ－ＤＣ变换器拓扑结构的分类方法重新进行了界定，为展开奠定了根基。然后指出了现有拓扑结构适用场合和存在的问题，并在此基础上为研究新型拓扑结构提出了建议，同时也为工程应用提供参考。
关键词：工作原理；双向ＤＣ－ＤＣ变换器；拓扑结构；分类；异同点ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－３８８６．２０１７．０６．００１
［中图分类号］ＴＭ４６ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１０００－３８８６（２０１７）０６－０００１－０６
ＳｕｍｍａｒｙｏｆＴｏｐｏｌｏｇｉｃａｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅＢｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＤＣ－ＤＣＣｏｎｖｅｒｔｅｒ
ＣｈｅｎＹａａｉ，ＬｉａｎｇＸｉｎｙｕ，ＺｈｏｕＪｉｎｇｈｕａ
（ＢｅｉｊｉｎｇＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ，
ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１４４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄｏｎｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｆｏｒｅｉｇｎｒｅｓｅａｒｃｈａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓｏｎｔｈｅｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＤＣ－ＤＣｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｃｒｉｂｅｓｂｒｉｅｆｌｙｂａｓｉｃ
ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｖａｒｉｏｕｓｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｉｒｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ，ａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｉｒａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓａｓｗｅｌｌａｓｓｉｍｉｌａｒｉｔｉｅｓａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ．Ｔｈｅｎ，ｉｔｒｅｄｅｆｉｎｅｓｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＤＣ－ＤＣｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｔｈｕｓｌａｙｉｎｇａｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｉｔｐｏｉｎｔｓｏｕｔｓｕｉｔａｂｌｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄ，ａｎｄｍａｋｅｓｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｓｔｕｄｙｏｎｎｅｗｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｔｈｕｓｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｅｘｉｓｔｉｎｇｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｐｒｏｖｉｄｉｎｇｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＤＣ－ＤＣｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｓｉｍｉｌａｒｉｔｉｅｓａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ
０ 引 言
单向ＤＣ－ＤＣ变换器只能将能量由一个方向向另一个方向传输，而双向ＤＣ－ＤＣ变换器（ＢｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＤＣ－ＤＣＣｏｎｖｅｒｔｅｒ，简称ＢＤＣ）可实现能量的双向传输
［１］
１ 双向ＤＣ／ＤＣ变换器拓扑结构分类
从已发表的业界研究成果表明，ＢＤＣ的种类繁多，若按有无隔离功能分类可分为非隔离型和隔离型两类，非隔离型ＢＤＣ有双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ、双向Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ、双向Ｃｕｋ和双向Ｚｅｔａ－Ｓｅｐｉｃ变换器。隔离型ＢＤＣ又可按传统隔离型和按输入端电路类型分ＤＣ有双向反激、双向正激、双向推挽、类，按传统隔离型分类的Ｂ双向半桥和双向全桥变换器五种类型；按输入端电路类型分类有
［５－７］
电压源型和电流源型ＢＤＣ。若按基本单元拓展分类，相对应
。随着时代进步和科技的发展，
ＢＤＣ在新能源、航天航空、交通、通讯以及工业控制等领域得到了广泛应用。早在２０世纪８０年代初，为了减轻人造卫星太阳能电源系统的体积和重量，美国学者提出用双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器代替蓄电池充电器和放电器，并使之进入实用阶段；１９９４年Ｆ．Ｃａｒｉｃｃｈｉ等研制成功电动车驱动用２０ｋＷ水冷式ＢＤＣ，同时，香港Ｃ．Ｃ．Ｃｈａｎ）也开展了电动车用ＢＤＣ的研究及大学陈清泉教授（
试验工作；１９９８年美国弗吉尼亚大学李泽元教授（Ｆ．Ｃ．Ｌｅｅ）开始从事与燃料电池配套的ＢＤＣ研究工作。三十多年来，国内外众多专家学者在ＢＤＣ方面取得了大量的研究成果，文献［２］主要对非隔离型ＢＤＣ拓扑结构进行了深入的理论分析；文献［３］在双向ＤＣ的拓扑结构，全桥变换器的基础上提出了一种新型谐振式Ｂ
并通过搭建实验平台验证了其具有较高的转换效率；文献［４］研究了一种基于谐振的双向ＤＣ－ＤＣ软开关拓扑结构。由于ＢＤＣ拓扑结构具有多样性，为便于系统地研究，本文将对各种ＢＤＣ工作原理进行深入分析，在此基础上重新进行分类，指出它们具有的特点和适用范围，为进一步研究新型拓扑和工程应用提供参考。
定稿日期：２０１７－０２－１６
基金项目：北京市自然科学基金（３１４２００８）
的拓扑结构有：串联型、并联型、组合型和复合型ＢＤＣ，ＢＤＣ拓扑结构分类示意图如图１所示。
２ 非隔离型和隔离型拓扑结构
２．１ 非隔离型双向ＤＣ－ＤＣ变换器
２．１．１ 双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器
双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器是在单向Ｂｕｃｋ或Ｂｏｏｓｔ变换器基础上构成的，即在原功率管和二极管两端反并联一二极管和一功率
８］
它有三种工作模式［：Ｂｏｏｓｔ模式（电感电流如图管如图２所示，
３（ａ）图所示）、Ｂｕｃｋ模式（电感电流如图３（ｂ）图所示）、交替工作模式（电感电流稳态波形处于正负交替状态如图３（ｃ）图所示）。表１列出了变换器工作三种工作模式下元器件的运行状态。
双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器拓扑结构和控制策略相对简单，所需器件少，转换效率高等优点，文献［９］通过实验验证了该变换器具有较高的转换效率，Ｂｏｏｓｔ模式下转换效率可达９０％，Ｂｕｃｋ模４％。但由于变换器固有结构限制，输入输出电压转式下可达９
ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ
１
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综述
Ｓｕｒｖｅｙ
２．１．２ 双向Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ变换器
双向Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ变换器是在单向Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ变换器原功率管上反并联一二极管、原二极管上反并联一功率管后构成的，拓扑结构如图４所示，它也有三种工作模式，若规定电流从
图４ 双向Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ变换器拓扑结构
Ｕ侧流向Ｕ侧是正向传输模式，电感电流始终为正，反之为反向１２传输模式，为了保证电流的双向传输，Ｓ和Ｓ不能同时导通，还有１２和Ｕ之间一种是交替工作模式，在一个周期内电流交替地在Ｕ１２ｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器相同，平均能量流动，此时的开关模态与双向Ｂ传输方向取决于ｉ的平均值，当ｉ平均值为正时，为正向传输，反ＬＬ之为反向传输。
图１ 双向ＤＣ－ＤＣ变换器拓扑结构分类示意图
较之双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器，双向Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ变换器在同一传输方向中既能实现升压也能实现降压，调压范围较宽，拓扑结构简单，控制与驱动电路易于设计，适用于小功率场合。若应用在电动车电机驱动系统中，因其调压范围宽，当电源端电压大范围波动时，能保持输出端电压为最高电压，有利于保证电动汽
１０－１１］
车的动力性能［，具有平衡电压的作用。
换比较小，因此，只适用于小功率、无需电气隔离的场合。
２．１．３ 双向Ｃｕｋ变换器
双向Ｃｕｋ变换器是在单向Ｃｕｋ变换器原功率管Ｓ上反并联１
图２ 双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器拓扑结构
一个二极管Ｄ、原１二极管Ｄ２上反并联一个功率管Ｓ２后构成的，其拓扑结构如图５所示，它也有三种工作
图５ 双向Ｃｕｋ变换器拓扑结构
模式：正向传输模式、反向传输模式和交替工作模式，表２列出了双向Ｃｕｋ变换器正向和反向传输模式及元器件的工作状态。交替工作模式时，在一个开关周期内，功率管和二极管依次流过电流，平均能量传输方向取决于ｉ和ｉ的平均值，若平均值为正则Ｌ１Ｌ２传输方向是从Ｕ侧到Ｕ侧，若平均值为负则传输方向相反。１２
表２ 双向Ｃｕｋ变换器双向传输工作模式元器件工作状态
Ｓ１
正向
导通关断截止截止
传输反向传输
Ｓ２截止截止导通关断
Ｄ１截止截止截止导通
Ｄ２截止导通截止截止
Ｌ１充电放电充电放电
Ｌ２充电放电充电放电
Ｃ３放电充电放电充电
图３ 双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器电感电流波形
表１双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器三种模式下元器件工作状态
ｔ
ｔＢｏｏｓｔ０～ｏｎ导通Ｔ关断模式ｔｏｎ～ｔＢｕｃｋ０～ｏｎ截止Ｔ截止模式ｔｏｎ～０～ｔ１导通
交替
ｔＴ１～ｏｎ导通工作
Ｔｔｏｎ～２截止模式
ｔ２～Ｔ截止
Ｓ１
Ｓ２截止
截止导通关断截止截止导通导通
Ｄ１截止截止截止续流续流截止截止截止
Ｄ２截止续流截止截止截止截止续流截止
Ｌ
１０充电００或１放电０１充电０或１０放电１０放电１０充电０１放电０１充电ＵｇＳ１
ＵｇＳ２
ｉＬ正
正负负负正正负
双向Ｃｕｋ变换器的输入和输出端均有电感元件，能减小电流纹波，但其拓扑结构中没有前向通路，能量只能先通过电容Ｃ再３传输到负载，因此增加了电路的复杂程度，能量传输效率低，不宜
１２］
在大功率场合应用［。
２．１．４ 双向Ｚｅｔａ－Ｓｅｐｉｃ变换器
单向Ｚｅｔａ、Ｓｅｐｉｃ变换器输入与输出的极性相同，由于Ｚｅｔａ构ＤＣ的拓扑结构与Ｓｅｐｉｃ构成的ＢＤＣ完全相同，故称之为双成Ｂ
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向Ｚｅｔａ－Ｓｅｐｉｃ变换器，其拓扑结构如图６所示，正向传输时等同于Ｚｅｔａ变换器，反向传输时等同于Ｓｅｐｉｃ变换器，与
图６ 双向Ｚｅｔａ－Ｓｅｐｉｃ变换器拓扑结构
联二极管、二次侧两个二极管两端分别并联功率管后构成的，拓扑结构如图７所示，可工作在正向传输、反向传输和交
图７ 双向正激变换器拓扑结构
ｕｋ变换器一样，在交替工作模式中，能量传输方向由两个双向Ｃ
ｅｔａ－Ｓｅｐｉｃ变换器拓扑结构相对复电感的平均电流决定。双向Ｚ
１３］
杂，能量传输效率较低，适用于小功率场合［。
、ＳＷＭ控制模替传输模式，在该拓扑结构中Ｓ１２及Ｓ３均工作在Ｐ式下，Ｓ、Ｓ同时导通和关断，并与Ｓ互补工作。在单向正激变换１２３器中，电流可工作在连续或断续状态下，而在双向正激变换器中，电流下降到零后便会形成反向电流，因此在交替工作模式中不存在电流断续工作状态。双向正激变换器工作原理简单，其控制和驱动电路易于设计，适用于中小功率场合，但所用的变压器处于单向励磁状态，利用率较低。
非隔离型ＢＤＣ无电气隔离，拓扑结构简单，易于设计，具有ＤＣ的较高的转换效率，适用于小功率场合，为了方便对比四种ＢＤＣ的特点。异同点，表３列出了典型非隔离性Ｂ
２．２ 隔离型双向ＤＣ－ＤＣ变换器
２．２．１ 传统隔离型双向ＤＣ－ＤＣ变换器
１）双向正激变换器
双向正激变换器是在单向正激变换器一次侧功率管两端并
表３ 典型非隔离型双向ＤＣ－ＤＣ变换器特点
优点
双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器
双向Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ变换器
双向Ｃｕｋ变换器ｅｔａ－Ｓｅｐｉｃ变双向Ｚ换器
缺点
适用场合
小功率、无需电气隔离和只需单向升降压的场合
适用在电动车领域，在短时间内容易实现升降压变换。适用在输入输出电感电流纹波要求较高的场合
结构简单，控制和驱动电路易于设计，只能进行单向升压或降压变换，输入或输出端转换效率高。存在电感，电流纹波较大。能进行单向升降压变换，驱动电路简单。
输入输出端由电感滤波，电流纹波较小。
较双向Ｃｕｋ变换器，输入输出极性相同。
输入输出极性相反，输入输出端无电感，输入输出电流纹波较大。
电路结构无前向通路，能量需先通过电容再到输出端，增加了拓扑的复杂程度，能量传输效率低，输入输出极性相反。
电路通路中增加了电容，能量需经过多次转换，
适用在输出端大电流场合
传输效率低，结构复杂。
１４］
，且变压器漏感上的能量不能通过线圈传输的电压、电流应力［
２）双向反激变换器
双向反激变换器是在单向反激变换器一次侧功率管上反并联一二极管、二次侧二极管上反并联一功率管后构成
图８ 双向反激变换器拓扑结构
到二次侧，这些能量产生的电流会与功率管电容发生谐振，产生
１５］
电压尖刺，可能会击穿功率管［。
３）双向推挽变换器
在单向推挽变换器二次侧二极管两端分别反并联功率管就构成图９所示的双向推挽变换器，它能实现能量的双向传输和电感电流的交替工作，表５列出了正向传输时一个周期内的４个开关模态。双向推挽变换器的变压器也存在漏感，功率管承受较大的电压和电流应力，不适用在环境恶劣的高压场所，但其功率等级较双向反激变换器高一些。
文献［１６］提出了一种应用于四象限运行的直流电动机系统的双向推挽变换电路，特别适用于需要立即制动电机的行业，搭Ｗ的实验样机，并通过实验验证了仿真结果的正确性与合建了５
Ｗｓ放电充电
的，拓扑结构如图８所示，可工作在正向传输、反向传输和交替传输模式，同双向正激变换器一样，在交替模式下也不存在电流断续模式。表４列出了双向反激变换器正向传输模式下元器件工作状态。
表４ 双向反激变换器元器件工作状态
Ｓ２
导通关断
截止截止
Ｄ１截止截止
Ｄ２截止导通
Ｗｐ充电放电
理性。
双向反激变换器具有电气隔离、拓扑结构简单、成本低、双向传输等优点，适合于小功率场合，但相比于双向正激变换器，其变压器既要储能，又要实现电气隔离，因此功率器件可能承受较大
图９ 双向推挽变换器拓扑结构
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表５ 双向推挽变换器正向传输开关模态
开关
模态１
ｔＳ１Ｓ２Ｓ３Ｓ４Ｄ１Ｄ２Ｄ３Ｄ４ｉＬ
０～ｔｏｎ导通
截止导通截止截止截止导通截止增加
开关模态２ｔＴ／２ｏｎ～截止截止导通导通截止截止导通导通下降
开关模态３Ｔ／２～Ｔ／２＋ｔｏｎ
截止
导通截止导通截止截止截止导通增加
开关模态４Ｔ／２＋ｔＴｏｎ～截止截止导通导通截止截止导通导通下降
实现所有的开关器件的零电压开通，在一定程度上减少了开关损耗，但该拓扑所用的变压器处于单向励磁状态，变压器利用率较低，由于变换器是在移相控制模式下，因此不适用于调压范围较
１８］
。大的应用场合［
５）双向全桥变换器在单向全桥变换器二次侧四个二极管上反并联四个功率管就构成了双向全桥变换器如图１２所示，其功率管的开通规律和电感电流波形如图１３所示，由图可见，在ｔ＝ｔＴ／２期间，１～Ｓ、Ｓ、Ｓ１４５和Ｓ８导通，电流线性增长，在ｔ＝Ｔ／２～ｔ２期间，Ｓ关断，Ｓ开１３通，电感电流下降，由于Ｄ３和Ｓ４的续流作用，没有电流流过Ｓ，二次３侧Ｓ、Ｓ、Ｓ、Ｓ５６７８均
图１３ 双向全桥变换器功率管开通规律和电感电流波形图１２ 双向全桥变换器拓扑结构
４）双向半桥变换器在半桥变换器二次侧两个二极管上分别反并联功率管就构成了双向半桥变换器如图１０所示，也有三种工作模式，图１１所示为该变换器正向传输时功率管工作波形和电感电流波形，此时功率管均工作在ＰＷＭ控制模式下，并采用
１７］
移相控制［，Ｓ、１
图１０ 双向半桥变换器拓扑结构
为开通状态，由于ＤＤ的续流作用，没有电流流过二次侧功率５～８管，同理在ｔ＝ｔＴ期间，工作原理和ｔ＝ｔＴ／２期间类似，不再２～１～赘述。
较之双向半桥变换器，双向全桥变换器结构复杂，所需器件较多，增加了产品的体积和设计成本，但功率器件的电压、电流应力较小，适用于功率等级较高的场合，若在双向全桥变换电路中加入钳位电路，则可保证功率管全部工作在软开关状态。２．２．２ 电压源型和电流源型双向ＤＣ－ＤＣ变换器
１）电压源型双向ＤＣ－ＤＣ变换器电压源型ＢＤＣ通用结４所示，在变压器两构如图１
端各有一高频整流／逆变单元，以实现能量双向传输。
由于电压源型ＢＤＣ的输入端不存在电感结构而
图１４ 电压源型双向ＤＣ－ＤＣ
变换器通用结构
Ｓ和Ｓ、Ｓ２３４的驱动信号互补并留有死区区间，在一个
周期内，双向半桥图１１ 双向半桥变换器正向传输工作波形变换器共有１２个工作模态，表６列出了变换器正向传输时半个周期内元器件的工作状态。由于交替工作模式控制复杂，因此在实际场合中不常应用此工作模式。
表６ 双向半桥变换器正向传输元器件工作状态
开关
模态１ｔＳ１Ｓ２Ｓ３Ｓ４Ｄ１Ｄ２Ｄ３Ｄ４
ｔｔ０～１导通
关断导通关断截止截止导通截止
开关模态２ｔｔ１～２关断关断导通关断截止截止导通截止
开关模态３ｔｔ２～３关断关断导通关断截止导通导通截止
开关模态４ｔｔ３～４关断导通导通关断截止截止导通截止
开关模态５ｔｔ４～５关断导通导通关断截止截止截止截止
开关模态６ｔｔ５～６关断导通关断关断截止截止截止截止
只有储能电容，故不适用于输入端需较小电流纹波的场合，而适用于输入端需较小电压纹波场合。常见的电压源型ＢＤＣ如上一小节所述的双向全桥变换器。
２）电流源型双向ＤＣ－ＤＣ变换器
电流源型ＢＤＣ通用结５所示，它的输入构如图１
端有电感元件，能够对输
图１５ 电流源型双向ＤＣ－ＤＣ
变换器通用结构
双向半桥变换器拓扑结构简单，所需元器件较少，适用于中小功率场合，并能通过移相控制在不需要辅助元器件的情况下，
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入电流进行滤波，适用于输入端电流纹波要求较高的场合。较为常见的电流源型
ＢＤＣ如图１６所图１６ 一次侧推挽，二次侧半桥式拓扑结构示，该拓扑结构一
次侧为电流源型推挽电路，二次侧为半桥电路，常应用在中、小功
率级的场合，其控制方法成熟，稳定性高，但推挽电路对变压器的设计制造工艺有着较高的要求，所以这种拓扑结构的设计也存在
１９］
一定的难度［。
表７列出了隔离型ＢＤＣ与非隔离型ＢＤＣ的优缺点及适用场合，两者在拓扑结构上的主要区别在于有无隔离变压器，由于变压器的一次侧和二次侧的匝比可以设计，合理选取匝比可使变换器在较好的条件下工作，有宽的调压范围，但由于变压器的引入，增大了设备体积，降低了转换效率。
表７ 隔离型与非隔离型ＢＤＣ特点
优点
ＤＣ隔离型Ｂ
抗干扰能力强；输入输出变换比大；有
电气隔离功能，安全性较高；电源异常后，对负载的损害较小。
缺点
适用场合
转换效率低；体积较大；设计成本较高；
需要电气隔离、高电压，大功率场合。
设计复杂程度大。
非隔离型ＢＤＣ
抗干扰能力弱；输入输出变换比小；无
转换效率高；体积较小；设计成本较低；
电气隔离功能，安全性较低；电源异常
易于设计。
后，对负载的损害较大。
无需电气隔离、小功率场合。
３ 基本单元拓展构成的拓扑结构
３．１ 串联型双向ＤＣ－ＤＣ变换器
串联型拓扑结构是由多个基本变换单元串联组成的，其通用表现形式如图１７所示，它能够解决传统ＢＤＣ普遍存在的开关管应力大和开关损耗严重等问题，适合在大
图１８ 串联型双向Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ变换器图１７ 串联型拓扑结构通用表现形式
元数量的增多，设计成本以及体积也会随之增加，控制方法也会越来越困难。图２０所示的非隔离型三ｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器主电路相双向Ｂ
拓扑结构，它是由相移为１２０°的三个单相双向Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ变换器并联组成，该拓扑采用了多重化技术，降低了输出电流纹波，减少了电路
２３］
器件的电流应力［，其功率等级可
图１９ 并联型拓扑结构
通用表现形式
达到几十千瓦，甚至上百千瓦
［２４］
。
功率、高增益场合。具有代表性的拓扑结构如图１８所示的正极
２０－２１］
性输出双向Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ变换器［，也称串联型双向Ｂｕｃｋ－２２］Ｂｏｏｓｔ变换器［，表８列出了其工作模式和功率管的工作状态。
ｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ变换器，串联型双向Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ变相比于双向Ｂ
换器输入输出为同极性，更适用于电动车电机驱动系统，但它使用的开关和二极管器件较多，且升压模式下必须同时导通两个功率管，功率管不能工作在软开关模式下，开关通态损耗较大。表８ 串联型双向Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ变换器双向传输功率管工作状态
正向传输
升压模式
Ｓ１Ｓ２Ｓ３Ｓ４
降压模式保持导通不工作不工作ＰＷＭ控制
升压模式ＰＷＭ控制不工作不工作保持截止
反向传输
降压模式不工作ＰＷＭ控制保持导通不工作
不工作保持截止ＰＷＭ控制不工作
图２０ 三相Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ双向变换器拓扑结构
３．３ 组合型双向ＤＣ－ＤＣ变换器
组合型拓扑结构通用表现形式如图２１所示，其中Ｃｅｌｌ１为非隔离型ＢＤＣ，Ｃｅｌｌ２和Ｃｅｌｌ３组合为隔离型ＢＤＣ。
在非隔离型ＢＤＣ中，由于Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ的电感在两个功率管
中间，其输入输出电流纹波较大，不适用于组合型拓扑结构，双向
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３．２ 并联型双向ＤＣ－ＤＣ变换器
并联型拓扑结构是由多个基本变换单元并联组成的，其通用９所示，这种结构的功率等级较高，但随着并联单表现形式如图１
图２１组合型拓扑结构通用表现形式
５
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Ｃｕｋ变换器的输入和输出均为电流源型，电流纹波较小，适用于组合型拓扑结构。双
图２２ 组合型双向ＤＣ－ＤＣ变换器拓扑结构
向Ｃｕｋ和双向半桥变换器可组成为图２２所示的组合型ＢＤＣ，它能减小功率器件的电压、电流应力，同时也可降低变换器的损耗，提高输入输出转换比和转换效率，具有更好的工作特性，适用于
２５］
。大功率场合［
３．４ 复合型双向ＤＣ－ＤＣ变换器
复合型双向ＤＣ－ＤＣ变换器能将不同等级的输入源接入到同一条直流母线上，其通用表现形式如图２３所示，该结构可提高输入输出
３ 复合型拓扑结构通用表现形式电压变换比，但控制方法图２
是这一类型拓扑结构的难点。
一种常见的复合型ＢＤＣ拓扑
４ 多输入双向ＤＣ－ＤＣ变换器拓扑结构结构如图２４所图２
示，它是基于双向
２６－２８］
半桥拓扑的隔离型多输入双向ＤＣ－ＤＣ变换器［，其中Ｌ为变１
压器漏感，ＵＵ１和Ｕ２为两个电压等级的输入源，１可通过双向
２９－３０］Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ电路对Ｕ进行充、放电［，能量也可通过变压器进２
行双向传输，其优点为输入端可以接入电压脉动较小的燃料电池
３１］或蓄电池，并能实现软开关技术等［。
４ 结束语
目前双向ＤＣ－ＤＣ变换器的应用已逐渐发展成熟，但在实际应用中依然存在功率器件的电压、电流应力较高，元器件较多，开关损耗大，体积较大，适应性不强，易引入干扰等问题。为解决上述问题，双向ＤＣ－ＤＣ变换器拓扑结构可采用新型材料器件，如通过使用碳化硅电力电子器件来降低导通电阻和减小开关损耗；新型拓扑结构应向着复合性、灵活性和多样性方向发展，以更好地应对实际应用中复杂化和多元化的需求，相应的控制策略也应不断完善，这也使得双向ＤＣ－ＤＣ变换器具有更广阔的应用前景。参考文献：
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