双向 DC － DC 变换器凭借其独特的电路拓扑优势，不仅能够实现能量的双向流动，还具备效率高、体积小以及稳定性强等显著优点。这些优势使得双向 DC － DC 变换器在众多领域得到了广泛应用，尤其是在应急电源、航空太阳能、电动汽车供电系统等领域的应用愈发普遍。
船舶作为重要的海上交通运输工具，其航行条件较为恶劣，时常面临电力系统故障的挑战。为确保船舶在供电系统出现故障时仍能正常运作，通常会额外配备应急电源装置。一旦船舶发生故障导致电力系统失灵，应急电源将提供短时的电力供应，从而保障船舶的安全运行以及工作人员的人身安全。
本文聚焦于船舶应急电源展开深入研究，采用双向 DC － DC 全桥变换器作为主拓扑，精心设计了一种适用于船舶的应急电源，取得了良好的效果。
1 船舶应急电源
船舶应急电源系统是船舶供电系统的关键组成部分，其主要功能是在主电源因客观原因无法供电时，为船舶上的应急负载提供电力。根据功率大小，船舶应急电源可分为大型发电机组应急电源和小型蓄电池组备用应急电源，本文所研究的即为蓄电池应急电源。
基于双向 DC － DC 变换器的船舶应急电源系统框图如图 1 所示。大型应急电源由应急发电机、AC/DC 变换器和负载构成；小型应急电源则由应急蓄电池组、双向 DC － DC 变换器和应急负载组成。
2 双向 DC － DC 变换器
船舶电源系统中的双向 DC － DC 变换器，是一种能量能够双向流动、电压极性保持不变的直流转直流变换器，其结构如图 2 所示。
U1 和 U2 是双向 DC － DC 变换器的两个端口，两端极性相同，均为上正下负，I1、I2 分别为 U1 和 U2 端的输入电流。该变换器能够实现能量的双向传输：当能量从 U1 传递到 U2 端时，能量为正向传输，电流方向为 I1 ＜ 0，I2 ＞ 0；当能量从 U2 传递到 U1 端时，能量为反向传输，电流方向为 I1 ＞ 0，I2 ＜ 0。
双向 DC － DC 变换器根据其工作象限，可分为电压型、电流型以及四象限双向变换器；根据 U1 和 U2 两端是否有隔离，又可分为隔离型和非隔离型两种。非隔离型双向变换器一般通过在单项变换器中的二极管两端反并联开关管，或是在开关管两端反并联二极管来实现能量的双向传输。而隔离型双向 DC － DC 变换器则是在两个端口加上变压器等隔离器件，通过磁耦合实现输入输出的电气隔离，从而提高了系统的安全性。
3 双向全桥 DCDC 变换器
3.1 电路拓扑
本文船舶应急电源中的双向 DC － DC 变换器采用的是隔离型双向全桥 DC － DC 变换器。这是双向 DC － DC 变换器中常用的一种电路拓扑，原副边均采用全桥结构，中间通过变压器进行隔离。与其他拓扑相比，全桥双向 DC － DC 变换器的开关管应力较小，能够进行较大功率的传输，非常适用于船舶应急电源的应用场合。
隔离型的双向全桥 DC － DC 变换器的拓扑结构如图 3 所示。该变换器由左右两个全桥、变压器、谐振电感等组成。其中 Vln 和 Vbat 为变换器的两个端口，左侧直流母线侧为电压型全桥结构，右侧电池组侧为电流型全桥结构，直流母线与电池组之间可以实现能量的双向流动，进行充电和放电。Lr1、Lr2 分别为原副边的变压器等效漏感与外部串联电感之和，C1 是滤波稳压电容，L2 在充电模式时充当滤波电感的作用，在放电模式时充当储能电感的作用。
由于双向 DC － DC 变换器含有 8 个开关管，开关管的开关损耗需要格外关注，否则将对变换器的效率产生较大影响。变换器中的 Lr1、Lr2 与开关管的寄生电容构成谐振回路，为开关管的零电压开关创造了条件，实现了开关器件的 ZVS 软开关，从而有效减小了变换器的开关损耗，降低了开关噪声，提高了 EMI 性能，为变换器提升开关频率、提高工作效率、减小尺寸创造了有利条件。
3.2 工作原理
双向 DC － DC 变换器具有充电模式和放电模式两种工作模式。其工作原理如下：当供电正常时，发电机发出的交流电经 AC － DC 变换器转变为直流母线电压，为负载供电，同时经过双向 DC － DC 变换器为电池组充电，直至充满。当电池组充满电时，双向 DC － DC 停止工作，不再进行功率转换；当船舶遇到故障，正常供电系统无法提供电能时，蓄电池将通过双向 DC － DC 变换器，将电池组中存储的电压转变为直流母线电压，通过直流母线给应急负载供电，满足负载的应急用电需求。
传统的应急电源直接在直流母线上并接备用蓄电池，导致蓄电池一直处于充电和放电状态。而本文通过双向 DC － DC 变换器实现了以下优点：一方面，可以维持船舶直流母线电压的恒定，使其不受电池组电压的影响；另一方面，可以对蓄电池进行灵活有效的充放电管理，优化电池的使用方式，提高电池组的使用寿命。
3.3 控制策略
为提高变换器的性能，采用 DSP 作为变换器的主控芯片，充分发挥 DSP 在数字信号处理以及开关器件驱动方面的优势。
在开关管的控制方面，采用移相 PWM 控制策略。以图 3 中左边的全桥为例，通过 DSP 控制 Q1 与 Q4 管之间的驱动信号，使两个开关管的驱动信号之间保持固定的移相角 α。在驱动信号的驱动下，Q1 和 Q4 会先后导通。
假设变换器左边全桥相对于右边全桥的移相角为，则双向全桥 DC － DC 变换器的输出电压的数学公式为：（此处原文未给出具体公式，可根据实际情况补充）。由公式可知，双向全桥 DCDC 变换器的输出电压与多个因素有关，并非仅取决于输入电压和占空比。
由相关公式可推导出变换器的输出功率公式，从该公式可以看出，功率传输的方向与移相角有关。当移相角为正时，左边全桥于右边全桥一个角度，能量由左边传向右边，为充电模式；反之则为放电模式。传输功率的大小也与移相角呈正相关关系，移相角越大，变换器所能传输的功率就越大。变换器通过 DSP 对移相角进行闭环调节，能够在额定功率下获得理想的输出电压。
4 实验验证
在充分利用实验室条件的基础上，搭建了双向全桥 DC － DC 变换器的实验平台，以直流电源和铅酸蓄电池作为变换器的两个端口。对一些主要的参数进行测量，并对一些重要的波形进行测试和分析，以验证变换器的工作性能。
图 4 为在充电模式下，额定功率 3 kW 时，工作频率为 100 kHz，采用移相 PWM 控制策略时测量的实验波形。
其中通道 1 和通道 2 分别为变换器的电感电流波形、电感两端电压波形。从图中可以发现，采用移相 PWM 控制策略能够较好地传输功率，同时波形干净，没有较大的毛刺，说明变换器的 EMI 性能较好。由于变换器采用的是完全对称器件，在放电模式下的波形与充电模式下的主要波形并无较大差异。
