探索双向变换器的工作原理及其电路设计

在信息系统中，例如数据中心，遇到电力中断时，系统通常需要在几分钟内持续运行，随后由备用电源，如发电机，恢复供电。高效的DC-DC转换器在这种情况下扮演着电池备份系统（BBU）的接口角色。此时，为了维护设备的运转，通常会使用电池组，其上的压降需要通过电源转换接口来调整，以保持适当的总线电压。此外，电池组还需供电以补偿事件后的能量损耗。如果单一的双向DC-DC转换器可以同时承担电池充电和总线接口的功能，那么它将在成本和尺寸上带来显著的优势。

双向DC-DC变换器不仅能够从输入端向输出端传输功率，还能从输出端回流至输入端。这种变换器的输出状态可以在电压-电流（Vo-Io）平面的第一和第二象限内变化，即使在输入和输出端口互换的情况下仍能完成电压变换功能。这样的双向功能实际上等同于将两个单向DC-DC变换器结合在一起，使得在需要双向能量流动的场合能大幅降低系统的体积、重量和成本，这使得双向DC-DC变换器具有重要的研究和应用价值。

双向DC-DC变换器，也被称为双向直流-直流变换器，是一种能够实现直流能量双向流动的设备，主要被应用在混合动力汽车和直流不间断供电系统中。这种变换器采用经典的BUCK/BOOST电路拓扑结构，具备升压和降压的双向变换功能。当能量从C1流向C2时，变换器处于BOOST模式，实现升压；而当能量从C2流向C1时，则工作在BUCK模式，实现降压。这种转换器能够将耗散的能量回收至系统中，实现电池测试和充电能量的循环利用，从而降低了因充放电转换效率损失所引起的功耗。

在实际应用中，也可以通过将两台单向DC-DC变换器进行反并联连接来实现能量的双向传输。传统的单向变换器主要的功率传输路径上需要二极管，这意味着能量流向依然是单向的。然而，这种连接方式通常会导致系统的体积和重量增加，效率降低，成本上升。因此，最佳的解决方案是通过一台变换器，将单向开关和二极管改为双向开关，并配合合理的控制策略，从而实现能量的双向流动。

例如，假设一个两相交错并联Buck变换器在理想状态下运行，忽略所有元件的寄生参数。如果两相的电感和占空比相等，驱动信号的相位差为180°，输入电压为Udc，蓄电池端电压为Ub，其拓扑结构如所示。类似于传统的Buck变换器，两相交错并联的Buck变换器有连续导通模式（CCM）和断续导通模式（DCM）两种工作模式。在DCM模式下，变换器的负载能力减弱，两相电感电流可能归零，因此在工程应用中通常要求变换器工作在CCM模式下。在一个开关周期T内，两相交错并联Buck变换器的工作模态分为四个阶段。