一种可选电阻相移全桥变换器，实现高效SSB蓄电池充电，低功功和全软开关

2026-07-24 20:04:59

近年来，电力电子系统已从传统架构演变为智能、可持续的解决方案，推动了向新能源生产范式的转型[1]。作为现代交通系统的重要组成部分，电池充电器对电动汽车（EV）、电动飞机和电动船舶至关重要。典型的电池充电过程包括预充电阶段、恒流（CC）阶段、恒压（CV）阶段以及最终涓流充电阶段[2]。在CC阶段，固定充电电流将电池电压推高，直到达到边界条件。充电器随后进入CV级，保持输出电压稳定，电流逐渐缩小至接近零。在此期间，充电器必须承受较大的电压和电流波动，这需要对变换器进行细致设计和控制。
已有许多改进的电池充电效率方法被报道，大多聚焦于新的拓扑结构和参数优化。非隔离充电拓扑是早期行业的热门选择，因为它们提供低成本[3]。然而，这些系统缺乏电隔离会带来显著的不稳定性，甚至可能导致系统中断。因此，电隔离的高频隔离直流-直流转换器（HF-IDC）具有高功率密度和高转换效率，因此引起了广泛关注，并被广泛应用于电池充电系统[4]。在单向HF-IDC拓扑结构中，隔离相位移全桥（PSFB）变换器是最显著且使用最广泛的选项之一[5]。PSFB转换器特别适合电池充电应用，其特点是单向功率流、软切换能力、简单控制和高效率[6]。PSFB转换器在电池充电过程中的主要缺点是开关损耗和导电损耗较高，尤其是在CC和CV阶段。在变化范围较大的情况下，PSFB变换器会受到开关损耗和导通损耗的影响，这分别源于硬开关操作和无功功率[7]、[8]、[9]。
为了克服这些缺点，提出了许多改进方案。为了扩大软交换区域，采用了需要变频调制的辅助电路，并对控制施加额外磁负荷[10]。为了修改拓扑结构，采用了采用固有相位移调制但因开关增加而导致导通损耗增加的双桥拓扑[11]。因此，由频率调制控制的双桥式变换器不适合需要适应宽电压和电流范围的电池充电器。对PSFB拓扑本身的进一步优化已被研究，包括修改控制策略以最小化电流并扩大软开关范围[12]、[13]。研究重点在于轻负载控制，以提升效率而不增加硬件复杂度。此外，利用宽带隙器件的新颖SiC拓扑形式出现，进一步提升了功率密度和效率[14]。
尽管有这些进步，现有解决方案常常带来权衡。许多方法需要额外的辅助电路[15]、[16]，增加了系统复杂度和成本。为实现软切换设计的拓扑结构可能会引入新的导电损耗。此外，频率调制使磁性元件设计和控制器实现变得复杂。因此，在保持结构简单、经济且可靠的同时，实现宽域软交换和高效率仍是一项重大挑战。
基于上述限制，本文提出了一种独立的PSFB转换器，配备可重构的可选接通槽，用于电池CC和CV充电阶段。两级均可在无功功率和全软开关操作下实现，覆盖较宽的工作范围。通过在实验室原型上的实验测试，验证了所提方法的验证和充电过程的优化。实验结果证实了显著的效率，尤其是在轻负载条件下。