1．目的及意义

随着人类社会的飞速发展，我们队自然资源需求量与日俱增，从工业生产到交通出行，无不需要大量的煤和石油等不可再生能源，这些能源首先会造成大量的污染不谈，其储量还在逐年减少，于是人类的目光便不可避免的投向太阳能、风能等清洁能源。但是这些能源有其先天不足，可再生能源发电发电具有间歇性和不稳定性，这可能导致电力供需之间的不匹配。为了克服这种不匹配，需要在系统中加入蓄电池等储能装置来平衡功率以保证供电质量，这便要求蓄电池与母线间能够实现功率的双向流动，即当可再生能源发出的电能剩余时可对蓄电池充电，或当电能供应不足时从蓄电池中获取能量。在接入可再生能源的直流微网中，往往使用一个双向的DC/DC变换器来充当储能装置与母线间的接口，并要求其具有电气隔离、高效率、高可靠性等特点。除此之外，双向DC/DC变换器还在电能质量调节、超导储能系统、不间断电源等领域有着广阔的应用前景。

双向DC/DC 变换器是一种能够根据需要调节能量双向传输的直流变换器。双向变换指DC/DC 变换器的双象限运行, 变换器的输出状态可在V-I平面的一、二象限内变化。即它的输入、输出电压极性不变, 但输入、输出电流的方向可以改变。随着科技的发展和生产的需要, 对双向DC/DC变换器的需求也日益增多, 其主要应用于航空航天电源系统、舰载电源、直流电机驱动系统、蓄电池储能、直流不停电电源系统、电动汽车等车载电源、混合能源动力汽车等场合。与传统的使用两个单向DC/DC变换器来达到能量双向传输目的的方案相比, 双向DC/DC变换器使用同一个变换器来实现能量的双向传输, 因而使用的器件数目得以减少, 而且可以更高效地进行两个方向功率变换的切换。这类变换器具有高转换效率、高功率密度、功率双向流动、动态性能好、体积小、成本低等优势。此外, 在低压大电流场合, 一般双向DC/DC变换器更有可能在现成的电路上使用同步整流器工作方式, 以利于降低通态损耗。

目前，许多关于双向DC/DC变换器的研究都着眼于软开关的实现以消除开关损耗、降低EMI、提高开关频率以提升功率密度等。DAB变换器因其易实现开关管ZVS的工作特性而备受关注，是目前应用最多的大功率双向DC/DC变换器。然而DAB变换器在输入输出电压不匹配时会产生较大的环流，随着负载的减轻ZVS的实现范围变小，开关管关断电流较大，这些都会增加损耗从而降低效率。谐振变换器是另一类常见的拥有自然软开关特性的DC/DC变换器，其中LLC谐振变换器具有优异的综合性能，而传统的LLC变换器同样能够实现双向运行，其正向运行时可在较宽的输入电压和全负载范围内实现初级侧逆变开关管的ZVS和次级侧整流二极管的软换流，可以达到很高的效率与功率密度，而其反向运行时只是类似于传统的全桥变换器，增益小于等于1，且只有在重载时才能实现ZVS。为解决这一问题，近年许多学者在传统LLC变换器的基础上增加谐振元件或辅助电路，组成新的谐振网络，以实现变换器的高效双向运行。CLLC型谐振变换器由LLC变换器在次级增加一个LC谐振网络构成，因而拥有对称的拓扑结构，虽然增加的谐振电感、电容对整个谐振网络的基本特性都产生了影响，但此变换器性能仍十分接近LLC变换器，且能保持双向运行的一致性，是一种极具优势与潜力的双向DC/DC变换器拓扑。

双向DC-DC 变换器的主要应用领域：1.太阳能电池阵列太阳能电池阵列系统的能源主要由太阳能电池阵列和蓄电池组成，如图2 所示，航天系统对电源的体积和重量有严格的要求，高功率密度的双向DC-DC 变换器成为电源系统关键性部件。为了发挥光伏电池的效能，太阳能电池阵列工作在最大功率跟踪点。当日光充足时，太阳能电池阵列除保证负载的正常供电外，将多余能量通过双向DC-DC 变换器储存到蓄电池中；当日光不足时，太阳能电池阵列不足以提供负载所需的电能，双向DC-DC 变换器工作在反向模式，由蓄电池向负载提供电能。2.不间断电电源（UPS）系统现在许多关键电子负载的供电需要具有UPS 电源系统。在UPS 系统中，通常有一个直流蓄电池单元在供电电源（如市电）正常供电时，直流母线通过DC-DC 变换器给蓄电池充电；当供电电源（如市电）断电时，由蓄电池DC-DC 放电单元给逆变器供电以提供负载能量，此系统中的蓄电池充电和放电单元即可用双向DC-DC 变换器来代替。3.燃料电池电源系统燃料电池广泛应用于电动汽车中，BDC 是燃料电池电源系统中的重要组成部分。由于燃料电池本身不能储存能量，需要有一个DC-DC 变换器来把能量存储于蓄电池中，蓄电池的电压为车载中常用的12V。在启动时，蓄电池的电压通DC-DC变换器被升压到288V，提供压缩机电机所需的驱动能量，给燃料电池创造启动条件。在正常运行后，该压缩机电机的能量可由燃料电池提供，同时燃料电池给蓄电池充电；在制动时，由逆变器带动的驱动电机的制动能量回馈到蓄电池中去，从而使得制动能量得到合理利用。可见，BDC 在燃料电池电源系统中起到了重要的作用。4.多端口混合供电系统近年来，可再生能源发电技术的迅速发展（如风力、太阳能、潮汛能、地热等），它们可以分别给负载供电；当多种可再生电源同时给负载供电时，就构成了一个多端口混合供电系统，如图3 所示。这些可再生能源发电后均变成直流电，经过直流变换后，再逆变成负载所需的AC 电源。在多端口混合供电系统中，多端口双向DC-DC 是该系统的重要组成部分，当AC 负载没有消耗能量或者发电的能量多于AC 负载所需的能量时，多种可再生能源所发的电通过多端口BDC 存储与蓄电池中；当AC 负载所需的能量超过了可再生能源的发电能量，蓄电池及时将能量回馈给电网，维持供电平衡。5.直流功率放大器直流功率放大器是双向DC-DC 变换器运用的一个重要领域，由于双向DC-DC 变换器在其输出既可以输出能量也可以吸收能量，这种优点相对于单向DC-DC 变换器来说，使用双向DC-DC 变换器的功率放大器具有更为快速的动态响应。

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2. 研究的基本内容与方案

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2.研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施
本毕业设计将要完成基于CLLC的双向DC/DC变换器的文献收集，CLLC变换器的基本拓扑结构、数学模型、工作特性、参数设计等的学习研究以及在Saber软件中实现CLLC双向DC/DC变换器控制系统的仿真等。
目前大量关于CLLC谐振变换器的研究都源于传统的LLC变换器，用于分析LLC变换器增益特性的基波等效法因其简单直观易用的特点同样被继承到了CLLC变换器的分析中。CLLC变换器同样也可以借鉴LLC变换器中更精确的模型来建模，本课程设计的目标就是充分学习CLLC双向DC-DC控制器的硬件电路并在Saber软件中实现CLLC的双向DC-DC硬件电路仿真。

此外，本课程设计也将对CLLC变换器在恒功率负载及轻载间歇工作模式下的运行特性进行研究。关于CLLC变换器在这些方面的研究目前还较少，但却和实际工程应用密切相关。
双向 DC-DC 变换器的原理：DC-DC 变换器的功能是将一种直流电源转变为具有不同输出特性的另一种直流电源，通常 DC-DC 变换器由于功率开关和二极管的单向导通特性，所以能量只能单向流动。但在很多存在储能系统的场合，需要双向DC-DC 变换器，使得在能量缺乏时，从电网吸收能量进行储存，而在能量富余时，将储存的多余能量输送至电网。因此在新能源发电、分布式能源系统、储能系统、电动汽车等新兴电力领域中，大功率双向DC-DC变换器具有十分广阔的发展需求和应用前景。

双向 DC-DC 变换器的输入、输出的电压极性不变，输入、输出的电流方向可以根据要求进行改变，从而实现能量的双向流动。双向DC-DC变换器的在功能上相当于两个单向 DC-DC变换器组成的“非”（即任意时刻只有一个工作）系统，结构上相比单向系统可以大幅度减轻系统的体积和成本。理论上讲，如果将单向DC-DC变换器中的单向开关用双向开关替代，则所有的单向结构均可变为双向结构，实现能量的双向流动。图1-3为单向DC-DC到双向DC-DC典型结构。