引言

雙向DC/DC變換是目前電能應用中使用越來越廣泛的一種技術。雙向DC/DC電路可實現(xiàn)電能的雙向傳輸,在直流電機驅動、航空航天電源、不間斷電源、太陽能風能發(fā)電、燃料電池領域有著極其廣泛的應用。

目前,針對雙向DC/DC性能及其影響因素的研究較少,本文以Buck-Boost雙向DC/DC主拓撲為變換器核心,首先對該變換器的功率損耗進行分析,其次進行理論仿真,最后設計了一個由單片機控制的雙向DC/DC變換器進行實驗驗證,通過研究驅動脈沖信號占空比和頻率、輸出電流等對電路效率和性能的影響,以確定雙向DC/DC變換器的最佳工作電壓范圍,達到提高雙向DC/DC變換器性能的目的。

1雙向DC/DC變換器的電路結構及工作原理

圖1為雙向DC/DC變換電路,采用Buck-Boost主拓撲結構。該變換電路經同步整流電路演變而來,由升壓電路和降壓電路反并聯(lián)而成,將普通的Buck電路的二極管換成MOSFET,并在兩端口并接大容量的濾波電容。

升壓模式下,PWM信號高電平期間開關管Ol導通,Dl二極管截止。電源Vl對電感L進行充電,電感以磁能的形式存儲電能。在輸出端口,負載由C2存儲的電能維持供電。在電感飽和之前,PWM脈沖的低電平使開關管Ol關斷,此時Dl轉入導通狀態(tài),電感電壓和電源電壓Vl疊加在一起共同向負載和電容輸出電能。

降壓模式下,D2二極管處于截止狀態(tài),PWM信號高電平期間開關管O2導通,電源V2對電感L進行充電,電感以磁能的形式存儲電能。電感充電儲能的同時向負載供電,并產生一定大小的電壓降,負載獲取到的電壓低于輸入端口V2電壓,從而實現(xiàn)DC/DC降壓變換。

2雙向DC/DC變換器的損耗分析

影響該變換器效率的主要因素有:開關損耗、控制電路功率損耗、電感磁芯損耗和線圈損耗、電容ESR損耗、電路板走線損耗和輔助電源損耗等。其中,部分損耗可通過選取適當的元器件參數減小,而部分損耗會受變換器工作狀態(tài)、占空比、輸出電流和開關頻率的影響。

2.1M0SFET損耗分析

MOSFET損耗分為動態(tài)損耗和靜態(tài)損耗兩部分。靜態(tài)損耗是由MOSFET導通時的導通電阻所產生,計算公式如下:

式中,IMOS為流過MOS管漏源極的電流有效值:Rdson為MOS管最大溫度時的導通電阻。

動態(tài)損耗是由開通和關斷時對MOSFET管中寄生的三個電容的充放電所產生,包括開關損耗、驅動損耗、輸出電容損耗。

開關損耗為:

驅動損耗為:

輸出電容損耗為:

式中,Vfn、Io為輸入電壓和輸出電流:7i、7+為MOS管導通時的上升時間和關斷時的下降時間:7s為開關周期:VDi為驅動電壓:0r為總的門極所需電荷量:Coss為MOS管輸出電容值。

綜上所述,為了減小靜態(tài)損耗,應選擇低導通電阻的MOS管:為了減少動態(tài)損耗,應選擇低寄生參數的MOSFET,同時應合理選擇開關元件的開關頻率,以降低MOS管損耗。

2.2電感損耗分析

電感損耗包括銅損和鐵損。銅損計算公式如下:

式中,ILims為電感電流的有效值:RLDCR為電感線圈阻抗。

鐵芯損耗與溫度、磁感應強度等因素有關,因此沒有具體公式,一般可在磁芯數據手冊中找到對應曲線,根據工作頻率等已知條件查找對應的損耗值。

2.3電容損耗分析

電容損耗主要是由紋波電流流過電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）所產生,因此應選擇ESR較小的電容。

2.3.1輸入電容損耗

式中,RCinESR為輸入電容ESR:Ii為輸入電流有效值:AIL為電感0≤t≤D7sD7s≤t≤7s電流紋波:D為開關管導通占空比。

2.3.2輸出電容損耗

式中,RCoutESR為輸出電容ESR。

2.4電路整體損耗分析

綜前所述,電路總損耗為:

則電路整體效率為:

綜上所述,影響該變換器效率的主要因素有:開關損耗、控制電路功率損耗、電感磁芯損耗和線圈損耗、電容ESR損耗。由上述分析可以看出,損耗除與器件參數有關外,還受驅動脈沖占空比及頻率、輸出電流的影響。

3雙向DC/DC變換器的參數選取

結合目前常見DC/DC變換器的工作條件,本系統(tǒng)工作參數設定為:開關頻率40kHz,升壓模式下,輸入電壓最高為25V,降壓模式下,輸入電壓最高為50V,兩種模式下輸出電流最大均為1A。

3.1升壓模式下電感的選取

電感L的選取主要與輸入電壓、占空比、輸出電流和開關頻率有關,由于雙向DC/DC變換電路采用MOS管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的續(xù)流二極管,電感不存在斷流模式,因此電感按公式（9）估算:

電感L的最低要求是使電路不達到飽和狀態(tài),電感量較大時,電路紋波較小:但電感量過大則會導致帶負載能力下降,銅耗增加?？紤]到實際實驗中可能會有參數的變化,L不應取值過大,最終取500μH。

3.2升降壓模式下電容的選取

由于本電路輸入輸出呈對偶狀態(tài),因此需要在輸入端和輸出端同時接入濾波電容,其作用是濾除MOSFET開關工作所產生的大部分紋波。濾除紋波的效果與電容的容量呈正比,本電路選用了幾個容量不等的大容量電容并聯(lián)作為濾波電容,其中有2200μF、1000μF和470μF,以達到比較好的濾波效果。同時考慮到電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）造成的損耗,還應在濾波電容兩端并聯(lián)ESR較小的高頻電解電容。

4實驗驗證及對雙向DC/DC的性能分析

實際焊接制作上述雙向DC/DC變換器,主控芯片采用STM32型單片機,產生兩路PWM控制信號,用于驅動半橋驅動器IR2110和大功率MOSFET（型號為CSD18532KCS）。在升降壓模式下設置3組實驗,將理論計算效率與實際測量效率曲線進行對比。

4.1升壓模式曲線

升壓模式曲線如圖2所示。

結果表明,當占空比小于50%時,電路效率基本保持不變:當占空比大于50%后,隨著占空比的升高,該電路的效率呈現(xiàn)緩慢上升趨勢:而當占空比大于80%后,電路效率下降明顯。隨著輸出電流的升高,電路效率緩慢下降,這是由于電流增大后,元器件的損耗也增大,造成了效率降低。隨著開關頻率的變化,電路效率呈下降趨勢,低開關頻率會使整個開關電源的效率變高,因為在每一次開關變換時濾波器件的能量損耗變小,但整個開關電源的體積會變大:高的開關頻率會使開關電源所用器件的體積減小,而開關頻率的變高也使整個電路的損耗變大、效率降低。

4.2降壓模式曲線

降壓模式曲線如圖3所示。

結果表明,隨著占空比的升高,該電路效率呈現(xiàn)上升趨勢,當占空比小于50%時,電路效率普遍較低:隨著輸出電流的升高,該電路效率基本保持不變,說明在降壓模式下,輸出電流對電流效率影響較小:隨著開關頻率的升高,電路效率呈現(xiàn)下降趨勢。

綜上所述,雙向DC/DC工作在升壓模式下,占空比不宜過高,應在80%以下,其次隨著輸出電流的增大,電路效率緩慢降低,最后開關頻率不宜過高,應在80kHz以下。雙向DC/DC工作在降壓模式下,占空比不宜過低,應在50%以上,其次輸出電流對電路效率影響較小,最后開關頻率不宜過高,應在100kHz以下。

5結論

本文進行雙向DC/DC性能研究的系統(tǒng)電路以M0sFET大功率開關管為核心,采用單片機控制方式,極大地方便了實驗過程中三方面因素對DC/DC雙向變換電路性能及參數影響的測試及研究,通過實驗驗證了占空比、輸出電流和開關頻率對電路效率的影響,確定了雙向DC/DC變換器應用中較為理想的工作范圍,具有一定的借鑒和指導意義。