基于單端正激模型的雙向DC-DC變換器研究

階段2(反向放電)：續(xù)流管關(guān)斷、整流管導(dǎo)通。電感L將儲(chǔ)存的磁能轉(zhuǎn)化為電能與蓄電池一起向輸入側(cè)放電，電流流向如圖4(b)所示。

圖4 能量反向流動(dòng)時(shí)的電路工作狀態(tài)：

(a)續(xù)流;(b)負(fù)載向電源放電

經(jīng)過(guò)上面分析，當(dāng)主開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，假定變壓器次級(jí)電壓為U2，則流過(guò)電感L的電流iL線(xiàn)性增加，可以表示為：

(1)

當(dāng)主開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷時(shí)，續(xù)流管(或其體二極管)導(dǎo)通時(shí)，忽略正向管壓降，則電感L上的電壓等于等于輸出電壓Uo，電感L中的電流按下式衰減：

(2)

可見(jiàn)電感L的大小只是影響到diL/dt，即只影響到電感電流的峰—峰值，電感電流的平均值應(yīng)與輸出電流Io相等。

單端正激式變換器的輸出電壓Uo為：

(3)

當(dāng)輸入電壓及占空比固定時(shí)，輸出電壓與負(fù)載電流Io無(wú)關(guān)。

4 參數(shù)設(shè)計(jì)

綜合電源體積、系統(tǒng)效率、控制精度、器件耐壓等諸多因素的考慮[6-7]，選取的工作頻率f=50kHz，最大占空比Dmax=0.45。

雙向DC-DC變換器設(shè)計(jì)要求：輸入電壓Ui=48V;輸出電壓Uo=12V;輸出電流Io=30A;輸出電壓紋Vpp200mV;輸出濾波電感電流紋波Ipp400mA;變換效率η>80%。

4.1 高頻變壓器

變換器輸出功率：

Po=12×30=360W (4)

根據(jù)變換器輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系，考慮到二極管的正向壓降和繞組的壓降，假定輸出電流為30A時(shí)壓降之和為+20%，則輸出為12V的繞組直流電壓為Uo=12×(1+20%)=14.4V。

(5)

選用軟磁鐵氧體R2KBD—EI40型號(hào)，飽和磁芯Bs=5100Gs，取磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量為3300Gs，有效截面積Sc=1.2cm2，窗口面積Q=1.76 cm2，所以SQ=2.112cm4。取效率η=90%，磁芯鐵的填充系數(shù)Kc=1，磁芯銅的填充系數(shù)為Ku=0.4，電流密度j=500A/cm2，則

6)

說(shuō)明該磁芯有一定的余量。

高頻變壓器原邊繞組匝數(shù)：

(7)

則變壓器副邊繞組匝數(shù)N2=16/1.5=10.6，取N2=11匝。

對(duì)變壓器復(fù)位繞組進(jìn)行計(jì)算，首先根據(jù)變壓器伏妙積平衡的原則計(jì)算復(fù)位電壓：

Ur= Uin tonmax/ tffmin=48×0.45/0.55 39.27 (8)

然后可求得負(fù)責(zé)變壓器原邊磁通復(fù)位的第三繞組匝數(shù)N3為：

N3=U1×N1/ Ur 48×13/39.27 16匝

變壓器原副邊電流有效值分別為I2=30A，I1=(N2/N1)×I2=20.6A，I3=I1=20.6A。選取j=500A/cm2，線(xiàn)徑為1.6mm的導(dǎo)線(xiàn)、有效截面積為2mm2的銅導(dǎo)線(xiàn)，原副邊導(dǎo)線(xiàn)截面積為S1=0.0412cm2、S2=0.06cm2、S3=0.0412cm2，N1并繞根數(shù)為S1/ Sc=2.06，取2根，N2并繞根數(shù)為S2/ Sc=3，取3根，同樣N3并繞根數(shù)為2根。則窗口利用系數(shù)：

(10)

說(shuō)明繞組能夠繞下，變壓器共3個(gè)繞組，為了減小其漏感，可采取并繞的方式繞制。

4.2 輸出濾波電感

計(jì)算輸出濾波電感的電感量，應(yīng)首先確定流經(jīng)電感的電流ΔIL的大小。從電感線(xiàn)圈的外形尺寸、成本、過(guò)度響應(yīng)等方面考慮，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為更好地抑制輸出電流中的紋波含量，ΔIL取0.4A，約占輸出電流的5%，則輸出濾波電感大小為：

Lf=[U2min-(Uo+Uf)]/DIL□ton max (11)

U2min=(Uo+Uf)]T/ton max (12)

其中：Uf為變壓器二次側(cè)管壓降與輸出濾波電感電壓降的總和，在此取Uf為輸出電壓的10%，則

U2min=(Uo+Uf)]T/ton max (13)

Lf=396μF (14)

根據(jù)實(shí)際情形選取Lf為650μH。

4.3 輸出濾波電容

輸出電容的大小主要是由輸出紋波電壓抑制為幾mV而確定的，也就是由ΔIL以及輸出電容的等效串聯(lián)電阻ESR確定。在此輸出紋波電壓取為0.2V。其等效串聯(lián)電阻ESR為：

ESR=DUr/DIL=0.2/0.4=0.5Ws (15)

取輸出濾波電容大小為200μF/25V的無(wú)極性CBB電容。

4.4 功率開(kāi)關(guān)管

根據(jù)前面對(duì)變換器工作過(guò)程的分析可以知道，在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，其上承受的電壓最大：

(16)

(17)

考慮到磁化電流和紋波電流的斜率，Ic應(yīng)有10%的裕量，即為21.725A。為了可靠性及在調(diào)整電感量大小時(shí)有可能失控，實(shí)際選擇時(shí)應(yīng)為此電流值的兩倍。故可選擇摩托羅拉公司的MUR5020快恢復(fù)二極管，其工作正向平均電流為50A，反向電壓為200V，功率開(kāi)關(guān)管選擇IR公司的IRF540MOSFET。