适用于电动汽车和储能系统的5种双向DC-DC转换器拓扑结构

核心要点

• 隔离要求首先决定了拓扑结构类别，因为在进行任何其他比较之前，它会先排除基于变压器的方案或非隔离方案。
• 电压范围和轻载运行时间是双有源桥式变流器与CLLC之间的区别：前者具有更宽的电压范围，而后者则具有近乎恒定的电压比。
• 每种拓扑结构都有其自身的控制负担，因此在订购硬件之前，应先使用具备开关精确度的候选模型对控制器进行测试。

您选择的双向直流/直流转换器拓扑结构，将决定基于该拓扑构建的每台充电器或储能系统的效率、隔离性能及控制难度。

双向直流/直流转换器可在两个直流电压之间双向传输能量，因此一个功率级既能给电池充电，也能给电池放电。需要这种功能的电力电子设备数量庞大。截至2025年底，美国电网运营商运营的电池储能容量达43.6吉瓦，而每一组电池背后都连接着一个能够双向传输电流的转换器。

五种拓扑结构涵盖了大多数电动汽车充电桩、储能柜和直流微电网。它们在开关数量、电压范围以及控制问题的复杂程度方面各不相同。如果以相同的标准进行比较，您将能更快地做出选择。

隔离技术如何将双向DC/DC换流器 划分为两个产品系列

隔离式与非隔离式双向换流器 的主要区别在于高频变压器。隔离式设计在两侧之间设置了一个高频变压器，该变压器可阻断故障电流并设定较大的电压比。非隔离式设计则采用公共接地，元器件数量较少，且在相同功率下能量损耗更小。

以车载电动汽车充电器向住宅供电为例。电池组必须与电网侧保持电隔离，因此直流/直流转换级需要一个变压器。而连接到上游已实现隔离的直流母线的储能柜则没有这一要求，在此处添加变压器只会增加成本、重量和损耗。 

“先解决这个问题，因为在比较其他方面之前，这就能淘汰一半的候选人。”

通过比较5种双向DC/DC转换器拓扑结构，分析其各自的适用场景

其中三种电源转换器拓扑结构为非隔离型，两种为隔离型。每项内容都介绍了该电路的功率传输方式、适用场景以及在控制方面所需的工作量。

1. 半桥降压-升压转换器

半桥降压-升压转换器是最简单的双向电路，由两个开关和一个电感组成。它从总线向下转换以给电池充电，从电池向上转换以放电。两个方向都使用相同的两个开关和同一个电感，因此一个电流环路即可同时处理这两个方向。电池电压必须始终低于总线电压。

设想一个连接在750 V直流母线上的350 V电池组。该级工作占空比接近47%，元器件数量极少，且效率很高。这是具有固定电压关系的储能柜和直流微电网的默认配置。当两个电压值逐渐接近时，问题便会出现，因为占空比会达到极限，控制能力随之丧失。

2. 四开关降压-升压转换器

该四开关降压-升压转换器在单个电感器的两端各连接一个半桥，因此任一侧均可位于另一侧之上或之下。这样既去除了较简单级联结构中的电压顺序规则，又无需添加变压器。

在400 V母线上，电压在300 V至500 V之间波动的电池组是教科书中的典型案例，因为该电池组在每个周期内都会跨越母线电压。 其代价是需要使用四个开关，且电感电流始终流经两个串联器件，因此导通损耗高于双开关级。降压与升压工作模式之间的切换需要精心调制，否则每当电压相交时，电流都会出现明显的波动。

3. 交错式降压-升压转换器

交错式降压-升压转换器将多个半桥相并行运行，每个相在时间上相互错开，从而使各相分担电流。电池端子处的纹波部分相互抵消，从而减小了电感器和电容器的尺寸。

额定电流为 300 A 的三相版本，每相流过约 100 A 的电流，各相之间相位差为 120 度。这使其成为大电流储能柜和快速充电器输出级别的理想选择。在轻载时切除部分相位，可以弥补因额外开关而损失的部分效率。额外的工作在于电流平衡。 每相都需要独立的检测，如果控制器允许某相电流偏离，那么在总电流出现异常之前，该相的电感器就会过热。

4. 双有源桥式转换器

双有源桥式转换器通过一个高频变压器将两个全桥连接起来，并利用两者之间的相位差来控制功率。它能够实现电气隔离、双向对称工作，并且仅通过一个控制变量即可覆盖宽电压范围。

这一电压范围使其成为同时为 400 V 和 800 V 电池组供电的充电器的常见选择。其弱点在于轻载工况，此时桥式整流器会失去软开关特性，环流会升高。 要解决这一问题，需要采用额外的调制模式（例如双相移或三相移），并确保两个桥式电路之间的时序精准。OPAL-RT能够实时运行此类级别的开关精确模型，因此您的控制器在变压器绕组完成之前就能应对这些边界情况。

5. CLLC谐振转换器

CLLC谐振转换器在变压器的两侧各增加了一个匹配的谐振电路，并通过开关频率进行调节。器件在整个负载范围内都能实现软开关，因此接近谐振点时损耗非常低。

某所大学研发的一款原型机——一款25 kW的碳化硅设计——在放电时测得的峰值效率为98.8%。同一项研究发现，其总器件损耗低于双有源桥式电路。其局限在于增益范围。电池电压波动幅度较大时，会使频率远离谐振点，因此设计人员通常会调整直流链路电压，以使谐振电路保持在最佳工作点。该设计适用于电池工作窗口较窄的车载充电器和储能模块。

在购买硬件之前，如何选择双向拓扑结构

请按以下顺序选择拓扑结构：电压范围、隔离要求以及负载特性。隔离要求可将候选方案缩小到两到三个。随后，根据电压范围和轻载状态下的运行时间占比，可将双有源桥式拓扑与CLLC拓扑区分开来。通过这五个问题，大多数项目都能得到解决。

• 安全标准是否要求进行电隔离？
• 电池电压是否会超过总线电压？
• 单级必须承载多大的电流？
• 变流器在负载低于20%的情况下将运行多少小时？
• 您的控制硬件能否满足每种选项所需的时序要求？

一款适用于400 V和800 V混合车队的电动汽车充电器，其设计指向了双有源桥。一款电池储能产品，其电池组窗口较窄，其设计指向了CLLC。最后一个问题往往被团队忽略，而这正是导致进度延误的根源。

“纸面比较无法显示你自己的控制代码在每个电路中的运行情况。”

仅通过纸面比较无法显示您自己的控制代码在每种电路中的运行情况。OPAL-RT会将候选拓扑作为实时模型与同一控制器进行匹配，因此您可以对比实际测量结果，并一次性确定硬件方案。