基于單端正激模型的雙向DC-DC變換器研究

摘要：本文對(duì)基于單端正激變換器的隔離式雙向DC-DC變換器進(jìn)行了研究，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，可應(yīng)用于同步整流技術(shù)，具有高性能、成本低的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)對(duì)其拓?fù)涞姆治?，給出了各開關(guān)管工作時(shí)序，對(duì)正向和反向的工作原理進(jìn)行了說(shuō)明，結(jié)合參數(shù)設(shè)計(jì)要求，給出了電路各關(guān)鍵參數(shù)的選擇方法，為了使變換器能夠穩(wěn)定有效工作，采取正向電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)、反向電壓?jiǎn)伍]環(huán)控制的方式。最后通過(guò)試驗(yàn)，充分證明了該變換器的可行性和先進(jìn)性。

敘詞：雙向變換 DC-DC 正激 參數(shù)選型 雙閉環(huán)

Abstract：A kind of isolated bi-directional DC-DC converter based on the single-ended forward converter has been researched in this paper, which has the advantages of simple topology, low loss and high performance. This converter can also be used in the condition of synchronous rectification. Considering the characteristics of the circuit, driving signal waveforms of each switch are analyzed, while the working principle of both forward and reverse mode is introduced. Combining the requests of the system, the methods of choosing the key parameters are given. In order to ensure the efficiency and dynamic response, voltage and current dual-close loop control strategy is adopted in the forward conversion, while single voltage feedback is adopted in the reverse mode. The correctness and feasibility of this converter are verified through simulation tests.

Keyword：Bi-directional converter, DC-DC, Forward, Key parameters, Dual-close loop

1 引言

雙向DC-DC變換器是DC-DC變換器的雙象限運(yùn)行，它的輸入電壓、輸出電壓極性不變，輸入電流、輸出電流的方向可以改變[1]。雙向DC-DC變換器的構(gòu)成和單向直流變換器類似，可通過(guò)對(duì)單向直流變換器適當(dāng)?shù)母脑靵?lái)實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)采用兩套單向DC-DC變換器來(lái)達(dá)到能量雙向傳輸?shù)姆桨赶啾?，雙向DC-DC變換器應(yīng)用同一個(gè)變換器來(lái)控制能量的雙向傳輸，使用的總體器件數(shù)目少，且可以更加快速地進(jìn)行兩個(gè)方向功率變換的切換。再者，在低壓大電流場(chǎng)合，一般雙向DC-DC變換器，更有可能在現(xiàn)成的電路上使用同步整流器工作方式，有利于降低通態(tài)損耗?？傊p向DC-DC變換器具有高效率、體積小、動(dòng)態(tài)性能好和成本低等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于UPS系統(tǒng)、航天電源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)及蓄電池充放電等場(chǎng)合[2-3]。

本文對(duì)基于單端正激變換器拓?fù)?、帶同步整流技術(shù)的雙向DC-DC變換器進(jìn)行了研究，對(duì)其電路結(jié)構(gòu)、工作原理、控制方法進(jìn)行了分析，在設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件下給出了變換器參數(shù)選擇方法，最后通過(guò)仿真試驗(yàn)，充分證明了設(shè)計(jì)理論的可行性。

2 電路結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該變換器由變壓器T及其磁復(fù)位電路，主開關(guān)管Q1、整流管Q2和續(xù)流管Q3，輸出濾波環(huán)節(jié)L1、C2等部分組成。該拓?fù)溥m用于中、小功率場(chǎng)合，與同等功率等級(jí)的常見雙向DC-DC變換器相比，該拓?fù)渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、成本低、工作效率高、控制方法簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在工業(yè)應(yīng)用中有一定的優(yōu)勢(shì)。

圖1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 工作原理

為便于分析，可假設(shè)負(fù)載為可充放電的蓄電池。電路控制能量正向流動(dòng)時(shí)，主開關(guān)管Q1進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，控制傳輸能量的大小;變壓器付邊的整流管Q2和續(xù)流管Q3輪換投入工作以保證能量的正常傳輸。當(dāng)系統(tǒng)輸出的負(fù)載能量較大時(shí)，若任其流過(guò)Q2和Q3的體二極管，將產(chǎn)生很大導(dǎo)通損耗，降低系統(tǒng)效率并帶來(lái)散熱等問(wèn)題。因此，該拓?fù)洳捎昧送秸骷夹g(shù)，讓負(fù)載電流通過(guò)導(dǎo)通電阻較小的MOS管，以提高裝置的工作效率。另外，為防止整流管Q2和續(xù)流管Q3同時(shí)導(dǎo)通，造成變壓器付邊繞組的貫穿短路，兩管的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)信號(hào)還需加入一定的死區(qū)時(shí)間[4-5]。基于以上兩點(diǎn)，能量正向傳輸時(shí)，Q1、Q2和Q3的導(dǎo)通時(shí)序可分為如圖2所示的4個(gè)階段，電路工作過(guò)程可按照這4個(gè)階段分析。

圖2 Q1、Q2和Q3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序圖

階段A(能量正向流動(dòng))：主管Q1和整流管Q2導(dǎo)通。輸入電流I1流入變壓器原邊繞組的同名端，輸出電流I2流出變壓器付邊繞組的同名端。此時(shí)能量由輸入側(cè)向負(fù)載側(cè)傳輸?shù)姆绞酵瑐鹘y(tǒng)的正激變換器基本一致，其電流流向如圖3(a)所示，此過(guò)程到主管被觸發(fā)關(guān)斷時(shí)結(jié)束。

階段B(死去時(shí)間1)：主管Q1和整流管Q2關(guān)斷，續(xù)流管Q3仍未被觸發(fā)導(dǎo)通，但其體二極管已經(jīng)導(dǎo)通。由于變壓器漏感的限制，變壓器付邊電流I2a由I2逐漸減小，而續(xù)流管體二極管電流I2b則由零開始逐漸增大，即I2由整流之路向續(xù)流支路換流，電流方向如圖3(b)所示。

階段C(續(xù)流階段)：續(xù)流管Q3導(dǎo)通，I2經(jīng)由MOS管續(xù)流，導(dǎo)通損耗大為降低。此階段將持續(xù)到續(xù)流管Q3被觸發(fā)關(guān)斷時(shí)結(jié)束，電流流向如圖3(c)所示。

階段D(死去時(shí)間2)：續(xù)流管Q3關(guān)斷，但其體二極管仍導(dǎo)通。I2完全經(jīng)由該體二極管續(xù)流。此階段直至主管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)結(jié)束。電流方向如圖3(d)所示。至此，主電路的一個(gè)工作周期結(jié)束，當(dāng)電路下一次動(dòng)作時(shí)，主管Q1和整流管Q2又被觸發(fā)導(dǎo)通，電路重新進(jìn)入階段1時(shí)的工作狀態(tài)。

圖3 能量正向流動(dòng)時(shí)的電路工作狀態(tài)：(a)能量正向流動(dòng);(b)死區(qū)時(shí)間1;(c)續(xù)流階段;(d)死區(qū)時(shí)間2

電路控制能量反向流動(dòng)時(shí)，電路工作過(guò)程可以看作是與Boost電路基本一致，可分為兩個(gè)階段：

階段1(續(xù)流)：續(xù)流管導(dǎo)通、整流管關(guān)斷、蓄電池放電電流I2流過(guò)電感線圈L，電流線性增加，電能以磁能形式儲(chǔ)存在L中，電流流向如圖4(a)所示。