图1 PWM载波调制技术原理
Fig.1 Principle of PWM carrier modulation technology
摘要 针对不同的变换器之间进行信息交互较为困难的问题，该文提出一种基于双DC-DC变换器实时双向能量信息协同传输方法。通过对变换器的功率控制环中叠加所需要传输的二进制数据信息序列，将其耦合到驱动变换器开关管的脉冲宽度调制（PWM）信号中，利用变换器输出侧的电压纹波和输入侧电流纹波作为天然信息载体，构建双纹波传输数据信息通道；提出一种纹波峰值检测（RPD）的解调方法，通过实时追踪纹波峰值变化特征，有效增强了数据信息解调的准确性；进一步地，为了促进信息传输的多元化，完成了实时双向传输相同和不同信息的实验验证。首先，解释PWM门极驱动信号与纹波频率之间的关联性；其次，阐述电压与电流纹波作为通信载体进行实时双向传输数据的可行性；然后，给出基于二进制频移键控（2FSK）的载波调制以及新的解调方法；最后，搭建实验平台进行验证，结果表明，所提方法的实时双向传输速率可以达到10 kbit/s，且发送与解调得到的信息之间延迟40 ms，验证了该方法的有效性和可靠性。
关键词：双纹波通信 实时双向传输 纹波峰值检测 能量信息协同传输 DC-DC变换器
在“互联网+”环境下，能量流、信息流与业务流之间的交互日益深化[1-3]。电力电子变换器的能量信息协同传输能够同步实现电能变换和信息传输，无需额外通信硬件，实现电能与信息的深度融合，满足未来电力系统集成化、智能化和安全化的发展需求，显著提升电力电子装置的数字化和智能化水平[4-7]。
DC-DC变换器的核心功能在于对输出电压进行精准调节与稳定控制，确保其输出电压平均值稳定于目标值[8-11]。因此，输出电压的频率特性、幅值特征及相位关系这3个自由度可被有效利用，作为能量信息协同传输过程中数据信息承载的物理载体[12-13]。目前，该研究领域相关文献主要包括以下五个方面。
（1）数据信息调制策略研究。在电力电子变换器能量信息协同传输领域，信息调制策略主要分为功率/数据单载波调制与功率/数据双载波调制。其中，单载波调制技术凭借其较高的通信速率优势，在数据快速传输场景中展现出显著的应用价值，但该技术存在发送信号强度调节能力受限的局限性，直接导致其有效传输距离相对较短[14]；相较而言，双载波调制技术是采用功率与数据独立载波通道设计，不仅实现了更远的通信距离覆盖，同时在数据调制方式上也呈现出更强的灵活性与适应性[15]。
（2）数据通信速率优化方法研究。针对能量信息协同传输中的通信效率提升问题，从不同技术路径进行研究，文献[16]以直流微电网系统的电压协同层为研究对象，明确提出了数据通信速率需不低于8 kbit/s、最大通信延时需控制在100 ms以内的性能指标要求。文献[17]是基于差分相移键控调制技术，引入直接序列扩频方法以增强抗干扰能力，但该方案通过扩展频带宽度换取可靠性提升，导致频带利用率下降，进而限制了通信速率的进一步提升。文献[18]则提出基于多进制正交幅度调制的交错并联DC-DC变换器能量信息一体化方案，通过高阶调制技术提高单位频带的传输容量，但是信息解调端的计算量较复杂，可能会导致接受信息不准确。
（3）数据信息传输稳定性与抗干扰性提升研究。文献[19]提出基于频移键控的调制方法，在确保电能质量符合标准的前提下，将电力电子变换器作为通信媒介实现数据传输，但该方法在信号解调过程中易受相位反转现象干扰，导致原始数据难以被精确识别。文献[20]提出一种差分相移键控调制方法，通过检测相邻数据符号间的相位差完成信息判别。文献[21]进一步提出跳频-差分相移键控复合调制方案，通过设计频率切换的过渡阶段，有效地抑制了相位切换过程中产生的电压波动现象，从而显著地提升了能量信息协同传输系统的稳定性，然而，该方案在应用于多进制信息传输场景时，对过渡阶段频率参数的选择提出了更为严苛的技术要求。
（4）电力电子变换器能量信息协同传输的应用场景拓展研究。文献[22]提出了一种利用新型多线圈磁耦合机构实现能量传输系统和信息传输系统分离设计的新方案。文献[23]对传统电能路由器进行创新，通过重新设计其物理架构、链路机制及网络层级，赋予其能量与信息协同处理的能力，从而使其能够更加智慧地融入能源互联网体系中。文献[24-25]将功率数据时分复用传输方法应用到电池管理系统和光伏系统，并实现了光伏系统输出功率的最大化。文献[26]提出一种电动汽车系统能量信息一体化方法，简化了系统结构，有效地降低了专用通信线路的部署成本。
（5）电能变换与数据信息传输的内在关联分析。现有的研究从系统层面揭示了电能变换与数据传输之间的本质联系，文献[27-28]对电力电子变换过程中蕴含的信息特性进行分析，并针对基于功率/数据单载波和双载波调制的能量信息一体化方法进行实验验证，为深化理解能量流与信息流的耦合关系提供了重要支撑。
以上能量信息协同传输方法均采用单向传输的方式，严重制约了信息的传输速率和灵活性。本文针对性地提出一种基于双DC-DC变换器实时双向能量信息协同传输方法，所提方法通过调制电力电子变换器的开关频率，完成了在变换器开关管的脉宽调制（Pulse Width Modulation, PWM）驱动信号中叠加具体的数据信息，所叠加的数据信息将会体现在变换器输出的电压纹波和输入的电流纹波频率成分中，通过纹波进行实时双向数据信息的传输，随后在接收端对纹波分别进行解调，来完成数据信息接收。与现有的电力线载波通信方法相比，该方法的优势在于不需要添加额外的通信芯片和耦合器，减少了对额外通信线路和硬件的需求，从而降低了系统的复杂性和成本；与现有的能量信息协同传输方法相比，该方法的优势在于不改变拓扑结构，还增强了数据信息传输方向的灵活性和可靠性。
本方法不仅为双变换器的智能化控制提供了新的方法，也为将来多变换器的集成化控制提供了新的思路，同时也为新能源发电、智能电网、电动汽车等领域的高效、可靠、智能运行提供了有力支持。通过深入研究双变换器甚至是多变换器实时双向能量信息协同传输方法，可以推动电力电子技术向更加智能化、高效化和集成化的方向发展。
现代电力电子变换器通过功率半导体开关器件与储能元件的协同工作，实现电能的高效转换。其核心控制策略普遍采用脉冲宽度调制技术，该方法通过生成占空比可调的高频矩形波信号作为开关器件的驱动指令，实现对输出电能参数的灵活调节。传统的（PWM）原理如图1a所示，图1a中，vtir(t)和vc(t)分别为功率三角载波和功率调制波，将三角载波和调制波进行比较得到占空比可调的PWM信号w(t)，得到的PWM波形如图1b所示。图1b中，D为占空比，Ts为PWM波形的信号周期。
图1 PWM载波调制技术原理
Fig.1 Principle of PWM carrier modulation technology
对PWM信号w(t)进行傅里叶变换可以得到
（1）
（2）
（3）
（4）
式中，a0、an、bn分别为傅里叶变换的系数；f和j分别为PWM信号的频率和相位；n为谐波次数；V为PWM信号高电平的幅值。由式（1）～式（4）可以看出，w(t)主要由占空比、频率和相位所决定。
传统功率变换技术主要依赖PWM信号的占空比调节实现控制目标，而现代信息调制理论进一步挖掘了PWM波形的多维调控潜力，除占空比外，PWM信号还包含频率和相位两个独立控制维度。在维持输出电压稳定的应用场景中，占空比需保持恒定，用以稳定功率传输，此时频率和相位参数便成为可供利用的信息调制自由度。
基于上述分析，本文创新性地提出载波频率复合调制架构：在保持载波与调制波幅值恒定的前提下，通过改变载波频率实现PWM信号频率的同步调整。理论上，只要确保每个开关周期内占空比恒定，输出电压即可保持稳定。在该调制方式下，PWM驱动信号不仅控制开关器件的通断状态，更在输出纹波中嵌入与PWM频率同步的数据信息，形成包含基带数据的特征频率成分。这种将功率转换与信息传输相融合的技术方案，突破了传统变换器的功能边界，实现了能量流与信息流的同步传输。
在构建的双DC-DC变换器实时双向能量信息协同传输系统中，通信效能本质上受限于变换器输出纹波构成的物理信道特性。具体而言，当开关电路处于工作状态时，其输出的电压纹波和输入的电流纹波自然形成通信载波，这种载波特性由变换器拓扑结构和运行参数决定。通过巧妙调控开关器件的门极驱动信号频率，可将数字信息编码至纹波的频率特征中。这种调制方式实现了双重功能，一方面既维持了功率转换的基本需求；另一方面又利用纹波创建了数字信息承载通道。从信息理论角度看，只要确保开关周期内能量传输的稳定性，变换器的纹波即可作为调制载体，在变换器之间建立可靠的数字通信链路。
同步整流Buck变换器等效模型如图2所示，这里以同步整流Buck变换器为例，针对变换器的电压和电流纹波进行分析。
图2 同步整流Buck变换器等效模型
Fig.2 Equivalent model of synchronous rectifier Buck converter
图2等效模型中，Vin为等效模型输入电压，Vout为输出电压，RL为电感等效电阻，iL为电感电流，L为滤波电感，C为滤波电容，R为负载电阻，Iload为流过负载电阻的电流。在实际应用中，Buck变换器的输出电压纹波主要由电感L、电容C和负载电流Iload所决定。Buck变换器的工作周期可以分为开和关两个状态，在开关打开的阶段，假设开关开启的时间为DT，T为开关周期，可以得到电感电流的增加量为
（5）
同样地，开关关闭的时间为(1-D)T，也可以得到电感电流的减少量为
（6）
这样在一个完整的开关周期内，电感电流总的变化量为
（7）
同时，在开关周期内，电容C的电压变化为
（8）
结合电感电流的时变特性与输出电压的稳态特性，以及电感伏秒平衡原理和基尔霍夫电压定律，Buck变换器输出的电压纹波Vripple可表示为
（9）
式中，fsw为变换器的开关频率。
同样地，对于Buck变换器输出的电流纹波，主要是由于电感L充放电而引起的输出电流的波动。类似地，分析开关导通和关断期间电感电流iL的变化，可以得到Buck变换器输出的电流纹波分析表达式为
（10）
式（10）揭示了电感量、开关频率及占空比等参数对电流纹波幅值的影响状况。
上述分析表明，Buck变换器的输出纹波特性与输入电压、占空比、储能元件参数及开关频率存在强耦合关系。通过优化选择电感、电容及负载匹配，可有效抑制纹波幅值，并在此前提下将基带数据调制至纹波载体。具体实现时，PWM控制信号不仅决定开关器件的通断状态，其频率成分更被编码为数据信息的载体，在数据传输过程中，发送端通过调制PWM信号频率，使纹波携带特定频率特征的数据信息。接收端则通过解调纹波频率成分，还原正反向传输的数据流，从而形成闭环通信链路。
在电力电子装置实现电能形态转换的过程中，首先，输入端原始的连续模拟电能信号，通过功率开关器件的周期性开关动作，被离散化为高频脉冲序列。这些数字脉冲在流经电感和电容组成的储能网络时，通过滤波机制重构为平滑的模拟波形，最终向负载提供电能输出，该能量转换过程本质上是模拟-数字-模拟的复合变换。其次，为提升系统综合性能，创新性地将现代数字通信领域的调制技术融入变换器的控制策略，使功率传输过程中的电压/电流纹波特征承载信息，这种复合调制方式使得电能转换过程兼具功率传输和信息传递的双重功能。最后，在接收端通过双重信号处理机制实现信息解调，利用滤波电路分离出特定频段的纹波信号，随后采用数字信号处理方法解调得到纹波特征中嵌入的原始信息。该技术突破传统电力电子变换器的功能边界，在高效电能转换的同时，开辟出并行的信息传输通道，展现出能量与信息融合传输的创新应用潜力。
当前，电力电子变换器的数据调制技术主要分化为两类，其区分依据在于功率传输与数据通信是否共用同一载波信号，由此形成单载波调制与双载波调制两大技术路线。
单载波调制方案采用功率与数据共载波架构，其显著优势在于能实现较高的通信速率，这得益于载波频率通常设定在较高频段。然而，该方案要求数据信息必须选择不同于功率调制的自由度进行嵌入，这在一定程度上限制了调制方法的选择空间。值得注意的是，此类调制方案仅针对载波频率进行操控，无法调节幅度参数，因此其有效作用范围主要局限于短距离通信场景。双载波调制方案则采用功率与数据独立载波架构，为确保数据信号有效耦合至功率载波，要求功率载波频率至少为数据载波的5倍，这种频率配比客观上制约了数据传输速率。尽管数据信号以微小扰动形式叠加在功率波形上，但由于其振幅有限且每个数据周期内的平均扰动趋近于零，因此对输出电能质量的影响微乎其微。该方案依托低频独立数据载波，不仅增强了远距离传输的适应性，而且因数据频段远离开关噪声区域，显著提升了通信链路的抗干扰能力。
以功率PWM和数据二进制频移键控（Binary Frequency Shift Keying, 2FSK）调制方案为例，其原理如图3所示，两者分别独立地调整矩形波序列的占空比与频率，彼此间没有相互影响或干扰，具有实现便捷、通信速度快等显著优势。
图3 2FSK调制原理框图
Fig.3 2FSK modulation principle block diagram
在常规电力电子变换器的单纯功率转换模式下，其开关器件以固定频率f1运行。而当变换器采用实时双向能量信息协同传输模式时，基带数据信号通过采用二进制频移键控调制策略，并通过数据信号动态调节开关频率：当原始数据码元为1时，PWM驱动信号频率切换至f2；当码元为0时，维持基础频率f1。这种调制方式使得载波信号呈现双频率成分f1和f2，区别于传统单频率f1功率转换的频谱特征。在调制过程中，将包含数据信息的调制波与载波进行实时比较，生成融合数据特征的PWM门极控制信号。该控制信号不仅保持功率转换功能，更通过频率维度的变化承载数字信息，驱动开关器件按数据编码规律进行导通和关断，从而实现功率流与信息流的同步传输。这种复合调制技术突破了传统变换器单一功率转换的功能局限，构建了能量传输与数据通信的集成通道。
在数字通信系统中，解调作为调制过程的逆运算，其核心功能是从已调信号中精确提取原始基带数据。依据是否需要同步载波信息，解调技术可分为相干解调和非相干解调两大分支。本文提出一种基于纹波峰值检测（Ripple Peak Detection, RPD）的解调方案如图4所示，实现方法如下：首先为了获取变换器输出纹波中包含的数据信息，根据带通滤波器特性，可以对纹波信号进行带通滤波，滤除与数据表征无关的杂波频率成分，以增强特征提取的可靠性，再通过信号调理电路对纹波幅度进行放大处理；接着将信号输入ADC中进行频率计算，利用ADC采样得到滤波器输出纹波中最大值点所出现的时间差倒数计算出频率；最后，利用数字信号处理器（Digital Signal Processor, DSP）对采样点最大值与频率进行阈值判断，将频率与阈值进行比对，从而还原出不同频率所承载的原始数据信息。
图4 RPD解调过程
Fig.4 RPD demodulation process
所提解调方法相比于传统的离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform, DFT）法和快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）法相比数据存储量和运算量极小，不仅节省了控制器存储资源和运算资源，也提高了控制器的运算速度，因此所提方法具有更高的解调速度，更低的数据信息解调延时，该方法主要是通过纹波的尖峰值来实现数据信息解码，为电力电子变换器的数据解调提供了新的实现方案。
DSP判决采样如图5所示，在2FSK数据调制方法下，RPD解调方法是在控制器中利用三个ADC判决采样点a1、a2、a3进行最大值点判决，当a2＞a1且a2＞a3时，记录此时的a2点为最大值，记为X1；接着ADC持续采样，当再次出现a2＞a1且a2＞a3时，记录此次的a2为X2。然后对得到的两次最大值之间的时间差取倒数，即可计算出当前的频率值，根据两次最大值点之间的采样次数或定时中断次数进行阈值判断，得到2FSK数据信息解调表达式为
（11）
式中，e2fsk为解调得到的原始数据；fold为上一次两个峰值间的频率值；fnew为当前的频率值；fth1～fth6为不同数值的阈值频率。
图5 DSP判决采样
Fig.5 DSP decision sampling
实验原理主要由两个同步整流Buck变换器构建，双变换器实时双向传输能量信息实验原理如图6所示。前端单元为同步整流Buck1变换器，后端单元为同步整流Buck2变换器，二者构成双向数据通信系统。该实验系统的调制控制核心采用STM32F103C8T6微控制器，生成占空比恒定且承载数据编码的互补PWM矩形波，作为双变换器的驱动信号。在数据解调环节，首先通过SPA1030模数转换芯片对纹波进行量化采样，将模拟信号转换为数字序列。随后将数字信号输入TMS320F28335数字信号处理器，执行频率特征提取和阈值判决。通过计算纹波频率并匹配预设阈值，最终还原出原始发送的数据信息。该实验完整地验证了基于双纹波通道的实时双向数据传输效果，为双变换器实时双向能量信息协同传输方法提供了实验支撑。实验平台如图7所示，具体实验参数见表1。
图6 双变换器实时双向传输能量信息实验原理
Fig.6 Schematic of the experimental principle for real-time bidirectional energy information transmission with dual transformers
图7 实时双向传输能量信息实验平台
Fig.7 Real-time bidirectional energy and information transmission experimental platform
表1 双变换器实时双向传输数据信息实验参数
Tab.1 Experimental parameters for real-time bidirectional data transmission with dual transformers
参 数数 值 Buck1直流输入电压V1/V48 Buck1输入侧电解电容C1/mF2 200 Buck1占空比D10.5 Buck1功率电感L1/mH1 Buck1输出侧电解电容C2/mF2 200 Buck1输出侧电流采样电阻Rsi/W0.2 Buck2前端功率电感L2/mH680 Buck2输入侧电解电容C3/mF2 200 Buck2占空比D20.5 Buck2功率电感L3/mH1 Buck2直流输出电压V2/V12 线路电阻RLine/W0.4 负载电阻RLoad/W50 码元传输速率RB/kB10 信息传输速率Rb/(kbit/s)10
进一步地，在双变换器协同传输实验中，为拓展信息传输的灵活性与信息传输的多元性，可根据数据传输内容的关联性创新性地构建了两种不同的传输模式。
当双向传输需要传递相同控制指令或同步传输参数时，采用该模式即可实现。在所搭建的实验平台中，同步整流Buck1和Buck2变换器均采用相同的驱动方式，这里所传输的数据信息也一致。图8为两个变换器相同的上、下管互补驱动信号，图9为两个变换器携带的数据信息和PWM驱动脉冲信号；其中，在利用单载波2FSK调制实现能量信息协同传输时，传输相同信息是通过自定义的两个载波频率所对应数据信息中的0和1，这里50 kHz频率代表数据0，100 kHz频率代表数据1。图9中，CH1为所传输相同的原始数据信息10101010，每个码元信息的长度为100 ms，CH2为两个变换器的PWM驱动信号。码元传输速率RB和信息传输速率Rb表达式分别为
（12）
（13）
式中，TB为每个码元的长度；M为码元进制数。
图8 相同信息互补PWM驱动信号
Fig.8 Same information complementary PWM drive signal
图9 调制相同数据信息实验波形
Fig.9 Modulation of the same data information experimental waveforms
为了提取纹波中携带的数据信息，先通过滤波调理电路板对两个不同的纹波分别进行滤波和放大处理，经过滤波以后，得到只包含表征数据信息的50 kHz、100 kHz纹波，纹波未放大之前，纹波数值约为240 mV，但仍满足电能质量要求（纹波峰值小于输出电压的5%），接着将纹波幅值大小控制在0～3 V之间，以满足DSP输入要求，其次将两个数据纹波也分别输入至ADC模块中进行模数转换，并在DSP控制器中进行阈值计算，当出现最大值点时，进行高、低电平的翻转。实时双向传输相同数据信息如图10所示。图10a中，CH1为输入到ADC模块的电压纹波信号，CH2为最大值点GPIO电平翻转情况；图10b中，CH1为输入到ADC模块的电流纹波信号，CH2为也是最大值点GPIO电平翻转情况；当GPIO电平翻转时，DSP控制器内部定时器开始计数，对中断次数设置阈值，即可实现数据解调。
图10 实时双向传输相同数据信息
Fig.10 Real-time bidirectional transmission of identical data information
实时双向传输相同的原始数据与解调数据对比波形分别如图10c、图10d所示，CH1为原始数据波形，CH2为解调数据波形。由图可见，两个波形之间存在一定延时，延时时间在可接受范围内，该延时主要由于实验过程中信号调理和解调部分存在一定的数字系统延时。
与双向传输相同信息相比，双向传输不同信息主要针对差异化的数据信息传输需求，扩展了信息传输的灵活性和多元化。与前者相同的是，在调制方法上仍然采用2FSK，传输不同数据信息也是通过自定义的两个不同的载波频率50 kHz和100 kHz，50 kHz频率代表数据0，100 kHz频率代表数据1。两个变换器的PWM脉冲驱动信号如图11所示，调制的不同数据信息实验波形如图12所示。图12a中，CH1为后传的原始数据信息10010110，图12b中，CH1为前传的原始数据信息11011011，且每个码元信息的长度同样为100 ms，两个变换器的PWM驱动信号分别为图12a的CH2和图12b的CH2。双向传输不同信息的传输速率跟相同信息一样，这里不再赘述。
图11 不同信息互补PWM驱动信号
Fig.11 Differential information complementary PWM drive signal
图12 调制不同数据信息实验波形
Fig.12 Modulate different data information experimental waveforms
与之相同的，这里为了解调得到纹波中携带不同的数据信息，也是通过滤波调理电路板对两个不同的纹波分别进行滤波和放大处理，因为实验结构不变，输出电压不变，变的仅是传输信息，所以纹波未进行放大之前，数值同样约为240 mV，也仍满足电能质量要求，图13a为电压纹波最大值点与GPIO电平翻转关系，CH1为ADC模块输入的包含数据的纹波，CH2为阈值翻转的电平。这里是对数据纹波每两个最大值点之间进行中断设置并计算阈值，来对数据进行解调。如图13b所示，对电流纹波进行类似地实验处理，CH1为ADC采集的电流纹波，CH2为最大值翻转得到的电平。图13c、图13d分别为电压纹波后传和电流纹波前传原始数据与解调数据的对比，CH1为原始数据，CH2为解调得到的数据。解调两个纹波得到的数据信息延时约为40 ms，与实时双向传输相同信息一致。这里的延迟时间也主要由数字系统延时引起的，在可接受的范围内。
图13 实时双向传输不同数据信息
Fig.13 Real-time bidirectional demodulation data
综上所述，图8～图13完整地展示了双变换器系统实现实时双向相同和不同数据传输的全过程。实验结果表明，无论是传输相同数据还是不同数据，前端与后端变换器均能准确解调接收信号，实现无误码通信。系统通信速率达到10 kbit/s，验证了所提实时双向能量信息协同传输方法的实时性和可 靠性。
针对当前能量信息协同传输在传输方向和灵活性上存在的不足，本文提出了基于双DC-DC变换器实时双向能量信息协同传输方法，得出以下结论，首先提出的纹波峰值检测解调方法，有效地克服了时变纹波特征对解调精度的干扰，通过实时追踪纹波峰值变化，显著地提升了信号解调可靠性；其次构建了载波频率调制的数据编码策略，将数字信息映射至纹波频率特征，既维持了功率传输的稳定性，又创建了独立于传统通信链路的信息传输通道；最后为应对信息传输的灵活性与应用场景的多样性，根据数据传输内容的关联性，创新性地构建两种传输方式，通过灵活配置数据内容类型，不仅增强了通信架构的适应性，更为复杂的电力电子系统提供了多维度的信息交互解决方案。实验结果表明，实时同步双向传输速率为10 kbit/s，充分验证了该方案的技术可行性。
该方法无需改造现有变换器拓扑结构，不仅突破了传统功率变换器的功能边界，更为分布式电力电子系统的智能化发展提供了新型通信架构，在新能源汽车、智能电网等领域展现出广阔的应用前景。
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Abstract As a key equipment, such as distributed power generation, active distribution network, power energy conversion, etc., the information interaction ability of power electronic converters determines the level of information intelligence of the system as a whole. Power electronic converters can simultaneously transmit information during energy conversion and transmission, that is, superimpose the data to be transmitted on the converter's power control loop. An innovative energy information collaborative transmission method leverages the electrical characteristics of the power converter to achieve deep integration of energy and information flows, overcoming the limitations of the single-function capabilities of traditional power electronic devices. To address the universal unidirectional communication constraint between dual converters and the demand for real-time bidirectional data interaction in application scenarios such as electric vehicle cluster charging, a real-time bidirectional energy-information collaborative transmission method based on dual DC-DC converters is proposed.
First, the coupling relationship between the PWM drive signal and the carrier frequency that controls the switching device of the power electronic converter is introduced, and the composite modulation strategy is explained. The binary data to be transmitted is superimposed on the PWM drive signal by modulating the carrier frequency, so that the converter ripple contains a frequency component that encodes the data.
Secondly, a dual-DC-DC converter real-time bidirectional energy-information collaborative transmission system is constructed, and a dual-channel architecture for voltage, current, and ripple is introduced to enable bidirectional data transmission via real-time synchronous control at the microsecond level. At the same time, the factors affecting the converter's voltage and current ripple characteristics are analyzed in detail.
Subsequently, to address the dynamic coding problem of ripple frequency, modulation and demodulation techniques in modern digital communication are integrated into the converter control strategy. On the one hand, the power/data single-carrier and power/data dual-carrier information modulation methods are introduced, which primarily embed the transmitted digital information in the converter's gate PWM control signal via 2FSK modulation. This information-modulation method enables the power-conversion process to perform dual functions: power transmission and information transmission. On the other hand, a demodulation method based on ripple peak detection (RPD) is proposed, which decodes data using the collected ripple peak value.
Finally, by constructing an experimental dual DC-DC converter platform, real-time bidirectional transmission of both identical and different information is demonstrated. By flexibly configuring the data content type, not only is the adaptability of the communication architecture enhanced, but also a multi-dimensional information interaction solution is provided for more complex power electronic systems. The results show that the proposed method achieves a real-time bidirectional transmission rate of 10 kbit/s, with a delay between the transmitted and demodulated information of 40 ms.
keywords：Dual ripple communication, real-time bidirectional transmission, ripple peak detection, energy information collaborative transmission, DC-DC converter
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.250637
中图分类号：TM46
国家自然科学基金项目（51307076）和辽宁省科技厅博士科研启动计划项目（2021-BS-273）资助。
收稿日期 2025-04-16
改稿日期 2025-07-21
李国华 男，1981年生，教授，博士生导师，研究方向为电力系统电能质量分析与治理。E-mail: dkliguohua@163.com
张文兴 男，1999年生，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。E-mail: wenxing08188@163.com（通信作者）
（编辑 陈 诚）