為了幫助自己和大家對雙主動橋隔離雙向DC-DC變換器有一個初步了解，將翻譯一篇發(fā)表于IEEE on Power Electronics的高引用綜述。無其他用途，僅學(xué)習(xí)交流用。

首先感謝原文作者給予的寶貴的學(xué)習(xí)機(jī)會。

原文名稱：Overview of Dual-Active-Bridge Isolated Bidirectional DC–DC Converter for High-Frequency-Link Power-Conversion System???? https://ieeexplore.ieee.org/document/6658916

V 硬件設(shè)計和優(yōu)化

硬件設(shè)計是DAB-IBDC的一個重要研究方向，它主要集中在參數(shù)、磁性元件（變壓器和電感）、功率器件和硬件結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計。

A 主要參數(shù)

文獻(xiàn)[98]分析了用于汽車應(yīng)用的低電壓和大電流DAB-IBDC的功率損耗模型，并提出了一些設(shè)計建議，以實(shí)現(xiàn)高效率。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[66]為現(xiàn)有的用于汽車應(yīng)用的DAB-IBDC原型開發(fā)了一種效率優(yōu)化的設(shè)計方法。設(shè)計過程指出，調(diào)制方案的優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)完全優(yōu)化的第一步。變壓器匝數(shù)比和輔助電感最優(yōu)硬件參數(shù)的計算是第二步。文獻(xiàn)[63]，[64]分析了采用DPS控制的DAB-IBDC的一般效率和電流-應(yīng)力優(yōu)化開關(guān)策略。所采用的方法對大電壓轉(zhuǎn)換比和輕負(fù)荷的運(yùn)行條件特別有效。但基于數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化方法的精度可能受到限制。文獻(xiàn)[99]提出了一種基于先進(jìn)元件的DAB-IBDC參數(shù)優(yōu)化方法，其中最優(yōu)參數(shù)集中在輔助電感和開關(guān)頻率上。通常，需要確定的DAB-IBDC的主要參數(shù)如下：輸入和輸出電壓、額定功率、變壓器匝數(shù)比、輔助電感（包括變壓器泄漏I）和開關(guān)頻率。

B 電磁元件

高頻變壓器是DAB-IBDC最關(guān)鍵的部件，直接影響其性能。文獻(xiàn)[100]通過對變壓器的近似集總參數(shù)建模和飽和行為的實(shí)驗(yàn)確定，分析了問題的性質(zhì)，提出了一種簡單的閉環(huán)控制算法，并對控制器參數(shù)進(jìn)行了在線整定，提高了變壓器的利用率。為了優(yōu)化變壓器的繞組配置，文獻(xiàn)[101]提出了一種粒子群優(yōu)化和差分進(jìn)化的混合方法。

除上述優(yōu)化外，變壓器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化也是一個研究方向。為了提高DAB-IBDC在輕載下的運(yùn)行性能，文獻(xiàn)[102]提出了一種具有雙漏電感和變頻的變壓器。所提出的雙漏電感變壓器具有繞組結(jié)構(gòu)，在低電流時產(chǎn)生高漏電感，在高電流時產(chǎn)生低漏電感。與文獻(xiàn)[102]相似，在文獻(xiàn)[103]中提出了一種自適應(yīng)電感作為主要的能量傳遞元件。輸出電流作為電感的偏置電流。因此，電感可以在輸出功率上自動優(yōu)化，以保持在輕負(fù)載下ZVS，并在重載情況下將導(dǎo)通損耗降到最低。

在文獻(xiàn)[104]中，通過在二次繞組頂部放置由標(biāo)準(zhǔn)3F3鐵氧體板制成的泄漏層來獲得輔助電感，以增加功率密度。文獻(xiàn)[105]使用兩個C芯對之間插入薄絕緣層的獨(dú)立繞組布局結(jié)構(gòu)來獲得輔助電感和高絕緣電壓。事實(shí)上，如圖 15所示。建議將輔助電感和變壓器集成到一個模塊中，以增加IBDC的功率密度和模塊化。

圖 15?磁元件優(yōu)化設(shè)計（a）輔助電感和變壓器（b）集成磁性模塊

通常，DAB-IBDC的高頻變壓器鐵芯主要由鐵氧體構(gòu)成。但鐵氧體具有低飽和磁通密度、磁導(dǎo)率和居里溫度，導(dǎo)致磁性元件體積相對較大，溫度性能差，運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定。此外，大功率鐵氧體的高生產(chǎn)難度提升了生產(chǎn)成本，并導(dǎo)致了高價格。先進(jìn)的磁性材料近年來越來越受到人們的關(guān)注，鐵基納米晶軟磁材料是最受關(guān)注的材料之一[99]。表 4顯示了鐵基納米晶和鐵氧體材料的粗略特性比較。與鐵氧體相比，鐵基納米晶材料一般具有更高的飽和磁通密度、磁導(dǎo)率、居里溫度和更低的鐵損耗，因此具有更好的性能HFL PCs的發(fā)展前景。文獻(xiàn)[106]討論了普通納米晶變壓器的優(yōu)化設(shè)計方法，其重點(diǎn)是核心尺寸優(yōu)化和漏感調(diào)諧以降低損耗。

表 4?鐵基納米晶和鐵氧體材料的特性比較

C 電力裝置

為了提高效率和功率密度的性能，許多文獻(xiàn)討論了寬禁帶（WBG）功率器件在DAB-IBDC中的應(yīng)用。

在文獻(xiàn)[107]中比較了基于Si和SiC?JFET器件的開關(guān)系列型高壓DAB-IBDCs。良好的材料特性，SiC-JFET和由此產(chǎn)生的高工作頻率形成了一個緊湊和低損耗系統(tǒng)。文獻(xiàn)[108]分析了基于增強(qiáng)模GaN-硅上晶體管的DAB-IBDC的性能。分析表明，GaN器件在一次橋上的性能優(yōu)于Si器件，在二次橋上，GaN器件的性能與Si器件基本相同。在文獻(xiàn)[109]中討論了基于SiC器件的DAB-IBDC的高頻設(shè)計考慮。樣品器件為1200-V/20-A SiC MOSFET與CREE公司生產(chǎn)的10-AJBS二極管共包裝。文獻(xiàn)[110]分析了基于SiC-雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（DMOS）和碳化硅-肖特基的DAB-IBDC的應(yīng)用性能特點(diǎn)及基本設(shè)計程序由ROHM公司提供的勢壘二極管樣品。文獻(xiàn)[111]對基于all-Si的和基于all-SiC 用于HFL PCS的電力裝置DAB-IBDC進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[99]提出了基于高效率和高密度SiC的DAB-IBDC優(yōu)化設(shè)計方法。分析表明，基于SiC的DAB-IBDC具有令人滿意的性能，有望應(yīng)用于下一代HFL PCS。

事實(shí)上，文獻(xiàn)[112]調(diào)查了PWM變換器關(guān)鍵元件的最新材料開發(fā)，并將采用三類元件的風(fēng)冷DAB-IBDC的功率密度進(jìn)行比較，即最先進(jìn)的組件、可用的先進(jìn)組件和未來的組件。三個DAB-IBDCs中使用的主要成分列于表 5。根據(jù)文獻(xiàn)[112]中的分析，具有未來組件的DAB-IBDC可以使現(xiàn)有先進(jìn)組件的DAB-IBDC的功率密度加倍。此外，文獻(xiàn)[30]中的損耗分析闡明，到2015年，具有成熟SiC功率器件的DAB-IBDC的效率可能達(dá)到99%。

表 5?文獻(xiàn)[112]三個DAB-IBDCS的組成部分

事實(shí)上，在寬禁帶半導(dǎo)體材料中，SiC和GaN已經(jīng)從材料進(jìn)入器件研究階段。與GaN相比，SiC具有更高的熱導(dǎo)率，容易形成單晶生產(chǎn)和價格較低，因此SiC功率器件在高溫和大功率應(yīng)用中具有更多的優(yōu)勢，這可能更有利于大功率DAB-IBDC的應(yīng)用[99]。

近年來，在Si襯底上發(fā)展GaN正成為一種趨勢，研究表明，在Si上生長的GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)在非常高壓的應(yīng)用中具有巨大的潛力，而一旦Si被應(yīng)用于此襯底已被去除，Si襯底的去除可以與器件的封裝集成，從而降低成本，提高性能[113]。

D 硬件結(jié)構(gòu)

硬件結(jié)構(gòu)對DAB-IBDC的功率密度有影響。到目前為止，DAB-IBDC原型機(jī)的冷卻方法主要是風(fēng)冷，硬件結(jié)構(gòu)通常有三種：平板與集成、立體與集成、模塊化與即插即用，例如文獻(xiàn)[110]和[111]中的原型和文獻(xiàn)[112]中的第一個原型是平面和集成結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[112]中的第二和第三個原型和文獻(xiàn)[55]中的原型是立體和集成結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[99]和[103]中的原型是模塊化和即插即用結(jié)構(gòu)。圖16提供了不同原型的照片。

事實(shí)上，平面結(jié)構(gòu)與立體結(jié)構(gòu)通常取決于特定的冷卻條件，這也進(jìn)一步關(guān)系到具體的應(yīng)用情況。但與集成結(jié)構(gòu)相比，模塊化結(jié)構(gòu)可以提供即插即用的能力和可能的高層容錯能力。因此，建議采用模塊化和即插即用結(jié)構(gòu)，以提高DAB-IBDC的功率密度、靈活性和可靠性，適用于HFL PCS。

圖 16?DAB-IBDC原型（a）扁平和一體化結(jié)構(gòu)（b）模塊化和即插即用結(jié)構(gòu)

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的双主动桥隔离双向DC-DC变换器（五）硬件设计和优化的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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