Bidirectional Buck-Boost DC-DC converter with five bridge arms

Yuan Yisheng; Liu Wei

doi:10.16081/j.epae.202409016

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Bidirectional Buck-Boost DC-DC converter with five bridge arms

POWER ELECTRONICS APPLICATION | 更新时间：2026-06-29

- Bidirectional Buck-Boost DC-DC converter with five bridge arms
- Electric Power Automation Equipment Vol. 46, Issue 7, Pages: 183-190(2026)
- 作者机构：
  
  华东交通大学电气与自动化工程学院，江西南昌 330013
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  the National Natural Science Foundation of China(52067007);the Key Project of Jiangxi Pro-vince Natural Science Foundation(20232ACB204024)
- DOI：10.16081/j.epae.202409016
  CLC： TM46
- Received：05 January 2024，
  
  Revised：2024-06-05，
  
  Online First：18 September 2024，
  
  Published：10 July 2026
- 稿件说明：
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袁义生,刘伟.一种双向升降压五桥臂DC-DC变换器[J].电力自动化设备,2026,46(07):183-190.

Yuan Yisheng,Liu Wei.Bidirectional Buck-Boost DC-DC converter with five bridge arms[J].Electric Power Automation Equipment,2026,46(07):183-190.
袁义生,刘伟.一种双向升降压五桥臂DC-DC变换器[J].电力自动化设备,2026,46(07):183-190. DOI： 10.16081/j.epae.202409016.

Yuan Yisheng,Liu Wei.Bidirectional Buck-Boost DC-DC converter with five bridge arms[J].Electric Power Automation Equipment,2026,46(07):183-190. DOI： 10.16081/j.epae.202409016.

摘要

为了提升宽电池电压下双向DC-DC变换器的工作效率，提出一种双向都可以升降压工作的DC-DC变换器。该变换器仅在传统的LLC谐振型双向DC-DC变换器上增加一组Boost桥臂，通过提出的调制方法，形成了多种工作模式，拓宽了电压增益范围，并减小了开关频率工作范围，简化了磁性元件的设计。变换器采用脉冲宽度调制-脉冲频率调制，电池放电时有中、高2种电压增益模式，对电池充电时有低、中、高3种电压增益模式，所有模式中均可实现全负载范围内的软开关状态。对各模式的工作原理、增益公式推导进行了详细的描述。最后以对40~120 V蓄电池充放电应用为对象，给出变换器设计和控制方法，并搭建了相应参数的实验样机。实验结果验证了该变换器分析的有效性和正确性。

Abstract

In order to enhance the operational efficiency of bidirectional DC-DC converter under wide battery voltage，a bidirectional DC-DC converter capable of Buck-Boost conversion is proposed. The structure of the converter only adds a set of Boost bridge arms to the traditional LLC resonant bidirectional DC-DC conver-ter. Through the proposed modulation method，multiple operating modes are formed，the voltage gain range is expanded，the operating range of switching frequency is reduced，and the design of magnetic components is simplified. Through the pulse width modulation-pulse frequency modulation（PWM-PFM） method，the converter can operate in medium and high voltage gain modes when the battery is discharged，and operate in low，medium and high voltage gain modes when the battery is charged. In all above modes，the soft switching state within the full load range can be achieved. The operational principles of each mode and the derivation of the gain formula are provided. The design and control method of the converter is provided for the application of battery charging and discharging with 40-120 V voltage，and an experimental prototype based on the corresponding parameters is built. Experimental results verify the effectiveness and correctness of the proposed converter analysis.

关键词

Keywords

references

Chub A ， Vinnikov D ， Kosenkoi R ， et al . Bidirectional DC-DC converter for modular residential battery energy storage sys-tems ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2020 ， 67 （ 3 ）： 1944 - 1955 .

张钟艺，金涛，肖晓森，等 . 一种新型双向三电平倍流LCL-T谐振直流变换器［J］. 电力自动化设备， 2023 ， 43 （ 2 ）： 96 - 103，111 .

Zhang Zhongyi ， Jin Tao ， Xiao Xiaosen ， et al . Novel bidirectional three-level double-current LCL-T resonant DC converter ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2023 ， 43 （ 2 ）： 96 - 103，111 .

洪芦诚，徐佳裕，唐润悦，等 . 三相LCL型逆变器序阻抗简化建模方法及并网稳定性分析［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 7 ）： 150 - 157 .

Hong Lucheng ， Xu Jiayu ， Tang Runyue ， et al . Simplified mode-ling method of sequence impedance and grid-connected stabi-lity analysis for three-phase LCL inverter ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 7 ）： 150 - 157 .

朱晓荣，杜策，李宇航，等 . 直流微电网风储惯量协调控制策略［J］. 电力自动化设备， 2024 ， 44 （ 11 ）： 103 - 110 .

Zhu Xiaorong ， Du Ce ， LI Yuhang ， et al . Coordinated control strategy of wind-storage inertia for DC microgrid ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2024 ， 44 （ 11 ）： 103 - 110 .

Yan Zhixing ， Li Jie ， Xu Shikaiet al . Ripple-free bidirectional DC-DC converter with wide ZVS range for battery charging／discharging system ［J］. IEEE Transactions on Industrial Elec-tronics ， 2023 ， 70 （ 10 ）： 9992 - 10002 .

Wang Z ， Wang P ， Li B ， et al . A bidirectional DC-DC conver-ter with high voltage conversion ratio and zero ripple current for battery energy storage system ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 7 ）： 8012 - 8027 .

曾进辉，张长威，曹斌，等 . 基于移相控制统一模型的双有源桥DC-DC变换器基波环流优化控制策略［J］. 电力自动化设备， 2024 ， 44 （ 4 ）： 74 - 81 .

Zeng Jinhui ， Zhang Changwei ， Cao Bin ， et al . Fundamental-wave optimal control strategy of circulation of DAB DC-DC conver-ter based on unified model of phase shift control ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2024 ， 44 （ 4 ）： 74 - 81 .

Chen G ， Chen Z ， Chen Y ， et al . Asymmetric phase-shift modu-lation strategy of DAB converters for improved light-load effi-ciency ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2022 ， 37 （ 8 ）： 9104 - 9113 .

杨维满，王富强，李锦键，等 . 多电平级联H桥逆变器通用型离散模型及分岔与混沌行为特性分析［J］. 电力自动化设备， 2024 ， 44 （ 8 ）： 145 - 152 .

Yang Weiman ， Wang Fuqiang ， Li Jinjian ， et al . General discrete model and analysis of bifurcation and chaotic behavior in multi-level cascaded H-bridge inverter ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2024 ， 44 （ 8 ）： 145 - 152 .

Choi D ， Lee M ， Kim T ， et al . Offset current modulation technique for wide ZVS range in dual active bridge（DAB） DC-DC converter ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2024 ， 71 （ 8 ）： 8741 - 8751 .

杨博，葛琼璇，赵鲁，等 . 双向全桥串联谐振DC／DC变换器回流功率特性优化［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 23 ）： 6990 - 6999，7112 .

Yang Bo ， Ge Qiongxuan ， Zhao Lu ， et al . The backflow power optimization of dual bridge series resonant DC／DC converter ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 23 ）： 6990 - 6999，7112 .

袁义生，易尘宇，赖立 . 一种多模式复合调制的L-R型LCC谐振变换器［J］. 电力自动化设备， 2022 ， 42 （ 2 ）： 141 - 147 .

Yuan Yisheng ， Yi Chenyu ， Lai Li . Multi-mode compound modu-lation L-R LCC resonant converter ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2022 ， 42 （ 2 ）： 141 - 147 .

Min J ， Ordonez M . Bidirectional resonant CLLC charger for wide battery voltage range：asymmetric parameters methodology ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 6 ）： 6662 - 6673 .

Zhang Y ， Qiu K ， Xie J ， et al . The model of bidirectional CLLC resonant converter with variable frequency and single phase shifted control ［C］∥ 2024 IEEE 10th International Power Elec-tronics and Motion Control Conference . Chengdu，China ： IEEE ， 2024 ： 4643 - 4648 .

赵清林，刘威，袁精，等 . 一种宽电压范围输出的多谐振变换器［J］. 电机与控制学报， 2020 ， 24 （ 10 ）： 77 - 86 .

Zhao Qinglin ， Liu Wei ， Yuan Jing ， et al . One kind of multi-resonant converter with wide-voltage range output ［J］. Electric Machines and Control ， 2020 ， 24 （ 10 ）： 77 - 86 .

Khan S ， Sha D ， Jia X ， et al . Resonant LLC DC-DC converter employing fixed switching frequency based on dual-transformer with wide input-voltage range ［J］. IEEE Transactions on Po-wer Electronics ， 2021 ， 36 （ 1 ）： 607 - 616 .

Reddy R M ， Das M . Reconfigurable resonant DC-DC bidirec-tional converter for wide output voltage applications ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2024 ， 60 （ 1 ）： 573 - 583 .

Kim D K ， Moon S ， Yeon C O ， et al ． High-efficiency LLC resonant converter with high voltage gain using an auxiliary LC resonant circuit ［J］. IEEE Transactions on Power Elec-tronics ， 2016 ， 31 （ 10 ）： 6901 - 6909 ．

Jeong Y ， Moon G W ， Kim J K . Analysis on half-bridge LLC resonant converter by using variable inductance for high effici-ency and power density server power supply ［C］∥ 2017 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition（APEC） . Tampa，FL，USA ： IEEE ， 2017 ： 170 - 177 .

Shu D ， Wang H . An ultrawide output range LLC resonant con-verter based on adjustable turns ratio transformer and recon-figurable bridge ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electro-nics ， 2021 ， 68 （ 8 ）： 7115 - 7124 .

Wang H ， Shang M ， Shu D . Design considerations of efficiency enhanced LLC PEV charger using reconfigurable transformer ［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology ， 2019 ， 68 （ 9 ）： 8642 - 865 .

Wei Y ， Luo Q ， Mantooth H A . An LLC converter with multiple operation modes for wide voltage gain range application ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2021 ， 68 （ 11 ）： 11111 - 11124 .

Zhang Y ， Zhang D ， Li J ， et al . Bidirectional LCLL resonant converter with wide output voltage range ［J］. IEEE Transac-tions on Power Electronics ， 2020 ， 35 （ 11 ）： 11813 - 11826 .

Reddy R M ， Das M . Reconfigurable Resonant DC-DC bidirec-tional converter for wide output voltage applications ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2024 ， 60 （ 1 ）： 573 - 583 .

Wu H ， Zhan X ， Xing Y . Interleaved LLC resonant converter with hybrid rectifier and variable frequency plus phase-shift control for wide output voltage range applications ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2017 ， 32 （ 6 ）： 4246 - 4257 .

Kim J W . Mixed resonant frequency control improving light-load efficiency of full-bridge LLC converter ［J］. IEEE Transac-tions on Power Electronics ， 2024 ， 39 （ 8 ）： 9089 - 9094 .

袁义生，陶滔滔，彭能，等 . 一种多模式宽输出三桥臂DC-DC变换器［J］. 电机与控制学报， 2024 ， 28 （ 4 ）： 81 - 91，110 .

Yuan Yisheng ， Tao Taotao ， Peng Neng ， et al . Multi-mode three-bridge DC-DC converter for wide voltage output range ［J］. Elec-tric Machines and Control ， 2024 ， 28 （ 4 ）： 81 - 91，110 .

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