全新雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與分析

本文主要介紹全新雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與分析。這項(xiàng)全新的拓?fù)浼捌淇刂撇呗詮氐捉鉀Q了傳統(tǒng)雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器(電源容量及效率有限)中存在的電壓尖峰問題。該轉(zhuǎn)換器不僅可用作電池組和DC母線接口，而且還可雙向(電池充電方向和母線支持方向)高效工作。此外，本文還分析了電路及系統(tǒng)實(shí)施中每個(gè)區(qū)塊的工作原理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示雙向都能實(shí)現(xiàn)高效率。300W輸入(為電池充電)1500W輸出(支持母線)樣機(jī)為電池充電的效率高達(dá)92.9%(300W)，支持母線的效率達(dá)93.6%(1500W)。重新配置或并聯(lián)可輕松實(shí)現(xiàn)更高的功率級別。

介紹

作為電池制造工藝的一部分，電池單元或電池組必須通過測試，才能確保其能適當(dāng)保持電池容量和正常功能。實(shí)施這類測試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)方法包含電源電路和負(fù)載兩部分，其中電源電路可以正確的方式為電池充電，而負(fù)載則可用于在測試電池放電全過程。在該配置中，系統(tǒng)效率為0%，即用于測試電池的所有能量均已耗散。

使用雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器，可將耗散的能量返回系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)電池測試充電能量的循環(huán)利用。返回的能量隨后可用于測試后續(xù)的電池單元，所產(chǎn)生的功耗只來自于充放電電源轉(zhuǎn)換效率的損失，不會因放電的負(fù)載而產(chǎn)生功率損耗。

高效率DC-DC轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)應(yīng)用是作為電池備份系統(tǒng)(BBU)的接口。在發(fā)生電力故障時(shí)，諸如數(shù)據(jù)中心之類的信息系統(tǒng)通常需要在斷電幾分鐘后的一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)運(yùn)行，然后經(jīng)由備份電源(如發(fā)電機(jī))恢復(fù)供電。在此期間，一般采用電池組來維持設(shè)備的功能。電池組放電時(shí)，該電池組上會出現(xiàn)壓降，因而需要電源轉(zhuǎn)換接口來維持適當(dāng)?shù)哪妇€電壓。此外，電池組還需要電源來補(bǔ)充和維持事件后損耗的電量。如果在一個(gè)單體雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器中能實(shí)現(xiàn)電池充電和母線接口功能，就能獲得極大的成本及尺寸優(yōu)勢。

圖1：現(xiàn)有的隔離式雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)?

圖1是廣泛使用的現(xiàn)有隔離式雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)??？墒紫葘⑤斎隓C電壓逆變成AC電壓，然后再通過變壓器變壓并整流成輸出DC電壓。該拓?fù)洳贿m合大功率應(yīng)用，因?yàn)槁└袃δ芎头烹姇?dǎo)致開關(guān)MOSFET的高壓尖峰。為解決該問題，這一拓?fù)渑缮龃罅堪姹綶a – j]。但其中大部分拓?fù)涠际侵塾谕ㄟ^阻尼電路或鉗位電路來降低該電壓尖峰的應(yīng)用，這有一定的改善作用，但不能從根本上解決問題。

本文主要介紹全新雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與分析。它是雙向的，因此不需要其它的DC-DC轉(zhuǎn)換器或AC-DC轉(zhuǎn)換器來為電池充電。本文使用電池備份系統(tǒng)應(yīng)用來說明轉(zhuǎn)換器的工作原理。

全新高效率隔離式雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器

圖2顯示了這種全新隔離式雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它包含3個(gè)功能區(qū)塊：區(qū)塊1、區(qū)塊2和區(qū)塊3。區(qū)塊2不僅對輸入與輸出電壓具有隔離作用，而且還能在它們之間提供固定比率的電壓升降。它是雙向的，電流可雙向流動。區(qū)塊1和區(qū)塊3提供準(zhǔn)確的調(diào)壓，除輸入輸出電壓方向相反外，它們是功能相同的區(qū)塊。對于區(qū)塊1來說，電池位于輸出端。對于區(qū)塊3而言，母線位于輸出端。

區(qū)塊2

區(qū)塊2的功能是提供隔離以及固定比率電壓升降。通過在變壓器上增加一個(gè)小電容，這個(gè)小電容的自然諧振頻率和變壓器的漏感可提供零電流開關(guān)[k – l]。利用一次側(cè)電流的固有諧振頻率，MOSFET可在其諧振部分的過零點(diǎn)開關(guān)。當(dāng)諧振電流達(dá)到零時(shí)，S5、S6、S7和S8就會始終開啟和關(guān)閉。當(dāng)S5和S7開啟(t1至t2期間)時(shí)，一次側(cè)諧振電流IP以正弦波的形式流動，直至其達(dá)到零為止。然后，S6和S8會開啟，并且一次側(cè)諧振電流IP仍保持正弦波的形狀，以相反的方向流動，如t2至t3期間所示。如圖3所示，相同的開關(guān)序列可在兩個(gè)方向的運(yùn)行，因而該電路自然是雙向的。

這款轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)損耗接近于零，因而該轉(zhuǎn)換器能在極高的開關(guān)頻率下工作，頻率高達(dá)幾MHz，因而可實(shí)現(xiàn)超高的功率密度。此外，在二次側(cè)上實(shí)現(xiàn)完全零電流開關(guān)(ZCS)并在一次側(cè)實(shí)現(xiàn)部分ZCS(誤差是由磁化電流引起的，而且一次側(cè)上的零電壓開關(guān)(ZVS)已用于使開關(guān)損耗可忽略不計(jì))，還可實(shí)現(xiàn)極高的效率。

區(qū)塊2采用諧振來實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)，因此能有效解決開關(guān)MOSFET上的高壓尖峰問題。[a–j]中的其它拓?fù)渲荒茉诮档碗妷杭夥宸确矫嫣峁└倪M(jìn)。區(qū)塊2的諧振頻率可高達(dá)幾MHz。因此，區(qū)塊2能在極高效率的情況下，實(shí)現(xiàn)極高的功率密度。

區(qū)塊1/區(qū)塊3

區(qū)塊1/區(qū)模塊3能提供精確穩(wěn)壓的功能。它們具有相同的拓?fù)浞绞?，在系統(tǒng)層面提供雙向工作，因此方向是相反的。以區(qū)塊1為例，如圖4所示，第一階段S1和S4開啟，流經(jīng)電感IL的電流會以與VIN成正比的速度上升。隨后S3開啟、S4關(guān)閉，進(jìn)入第二階段;IL可能會是平直的，也可能會下降或上升，主要看輸入與輸出間的壓差。隨后，S2開啟、S1關(guān)閉，轉(zhuǎn)向第三階段;IL會以與VOUT成正比的速度下降。最后，S4開啟、S3關(guān)閉，進(jìn)入第四階段;很小負(fù)電流通過電感器。在這一轉(zhuǎn)換過程中，可將零電壓開關(guān)升降壓控制器用于實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換[m – n]。

由于采用ZVS開關(guān)，因而也能在區(qū)塊1/區(qū)塊3中實(shí)現(xiàn)高效率和高功率密度。

在本應(yīng)用中，該轉(zhuǎn)換器的簡單控制方法是：將區(qū)塊3的穩(wěn)壓VOUT設(shè)置為相對較低的母線電壓—低于大多數(shù)時(shí)候的額定母線電壓，但仍能支持母線負(fù)載。在該配置中，母線電壓大多數(shù)時(shí)間比區(qū)塊3的穩(wěn)壓VOUT高，因此區(qū)塊3只消耗無負(fù)載功率。同時(shí)，大多數(shù)時(shí)候，母線通過區(qū)塊1和區(qū)塊2為電池充電。母線電壓突然消失時(shí)，區(qū)塊3會立即加載工作，而且電流會流過區(qū)塊2和區(qū)塊3，支持母線。

該配置的優(yōu)勢在于可在雙向工作獲取高效率和高功率密度時(shí)，特別是這種母線電池接口應(yīng)用。

它需要為電池充放電模式提供不同功率級別。處于電池充電模式時(shí)，所需的功率級應(yīng)該比支持母線模式低很多。實(shí)際上，最好把充電功率限制在某個(gè)水平以下，以確保安全。在該配置中，區(qū)塊3的n可進(jìn)行并聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)該母線功率級，而區(qū)塊1的1或m(m可能明顯小于n)應(yīng)能足以提供充電功率。因此，盡管獨(dú)立的區(qū)塊1或區(qū)塊3不是雙向的，但它們一起工作，將涵蓋兩個(gè)方向，總體尺寸/功耗與區(qū)塊1的n接近。由于支持母線和充電電池的功率比很高，因而該配置的優(yōu)勢非常顯著。

圖2：全新隔離式雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器的拓?fù)?把圖中模塊改為區(qū)塊)

圖3：區(qū)塊2：一次及二次諧振電流的雙向流動：(a)充電電池方向;(b)支持母線的方向

圖4：區(qū)塊1：電流以ZVS間隔流經(jīng)電感

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將48V用作母線電壓，12V用作電池電壓。因此區(qū)塊2的轉(zhuǎn)換比例需設(shè)計(jì)為4:1。

當(dāng)VIN=48V，功率為300W，區(qū)塊2的模塊轉(zhuǎn)換比率為4:1時(shí)，負(fù)載超過50%后，測試的效率超過96%，峰值效率為96.2%。當(dāng)負(fù)載低于50%時(shí)，效率下降，但負(fù)載為10%時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)85.5%的效率。所有這些測試都是在室溫條件下進(jìn)行的。圖5(a)顯示了在不同輸入電壓和負(fù)載條件下的效率矩陣測試?？蓪⑤斎腚妷涸O(shè)計(jì)為26-55V，這樣6.5-13.75V的電池電壓就能反向支持母線。這一寬范圍可實(shí)現(xiàn)更多的電池配置，更為重要的是，有助于延續(xù)電池為母線提供支持的時(shí)間。

圖5(b)是區(qū)塊2模塊在支持母線方向的實(shí)驗(yàn)效率測試結(jié)果，本文將其定義為反向。本實(shí)驗(yàn)采用深循環(huán)船用鉛酸12V電池(部件號24DC-1，140分鐘的電池容量，寒冷及海洋情況下啟動電流超過500安培)通過區(qū)塊2模塊為母線提供支持。因?yàn)殡姵亟K端電壓隨著供電電流的上升而下降，因而VIN會從11.7V(IOUT =0.6A ? 4)降至10.9V(I OUT=6.3A ? 4)。峰值效率為96.9%。請注意，支持母線方向的效率甚至比電池充電方向的效率還要高，這對于該應(yīng)用而言非常有利，因?yàn)樵诜聪驐l件下，電池支持母線所需的功率級要比充電電池方向高很多。支持母線方向的更高效率將簡化高功率應(yīng)用的熱管理設(shè)計(jì)。

對于500W的區(qū)塊1/區(qū)塊3模塊，實(shí)驗(yàn)效率測試結(jié)果如圖6所示。峰值效率為97.3%。

這些模塊可通過控制電路使能功能，使得禁用的功耗明顯低于無負(fù)載功耗。在25°C溫度下，額定電壓為48V時(shí)，與500W區(qū)塊1模塊或區(qū)塊3模塊搭配使用的4:1轉(zhuǎn)換比率區(qū)塊2模塊，其典型禁用的功耗是0.04W無負(fù)載功耗是5.3W。

圖5：區(qū)塊2模塊(300W，4:1比例)在以下方向的效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果：(a)電池充電、(b)支持母線

圖6：區(qū)塊1/區(qū)塊3模塊(500W，室溫)的效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)實(shí)施

針對該應(yīng)用構(gòu)建了這一雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器的7×9英PCB樣機(jī)，如圖7所示，三個(gè)區(qū)塊3模塊(每個(gè)模塊500W)并聯(lián)，五個(gè)區(qū)塊2模塊(每個(gè)模塊300W)并聯(lián)。簡單并聯(lián)模塊并將其放在一起，該轉(zhuǎn)換器就可工作了。將區(qū)塊3模塊的穩(wěn)壓VOUT設(shè)置為相對較低母線的電壓，該電壓比大多數(shù)時(shí)候的額定母線電壓低，但仍足以支持母線負(fù)載。采用這種方式，無需增加系統(tǒng)控制電路。一旦處在支持母線模式下，所有五個(gè)區(qū)塊2模塊都可立即處理電源。該配置的不足之處是：所有模塊都時(shí)刻保持工作狀態(tài)，而且其中一些模塊在其大多數(shù)工作時(shí)間處于輕負(fù)載/空負(fù)載功耗狀態(tài)。

為節(jié)省這種輕負(fù)載/空負(fù)載功耗，可以在模塊不需要保持工作狀態(tài)時(shí)，將其禁用。一旦母線電壓消失，一些模塊需要從禁用模式恢復(fù)到啟用模式。在此期間，母線電壓由儲能電容提供支持。需確保為母線添加足夠的電容，以在模塊快速重啟的時(shí)間區(qū)間內(nèi)提供支持。該電路板中的系統(tǒng)級控制電路可用于禁用/啟用模塊，以消除不必要的功耗。

在電池充電方向，可以禁用區(qū)塊2的四個(gè)模塊，并可禁用區(qū)塊3的三個(gè)模塊，這可提供300W的電池充電電源。

在支持母線的方向，區(qū)塊1的模塊可以被禁用，這可提供1500W的支持母線電源。在這個(gè)配置中，該系統(tǒng)能夠以300W/25A為電池充電，以1500W/31A支持48V母線。憑借140分鐘的電池容量，它從完全放電到完全充滿電，所需時(shí)間為2.3小時(shí)，隨后它還能為母線(1500W負(fù)載)提供28分鐘的供電。重新配置或并聯(lián)可輕松實(shí)現(xiàn)更高的功率級別。

在正向和反向模式下，區(qū)塊1/區(qū)塊3模塊都保持97.3%效率，區(qū)塊2的模塊的效率可達(dá)96.2%。0.78W是區(qū)塊1/區(qū)塊3模塊的禁用功耗，0.04W是區(qū)塊2模塊的禁用功耗。因此在該電池充電模式下，峰值效率為：

而在支持母線模式下，峰值效率為：

結(jié)論

本文主要介紹全新雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與分析。它可用于雙向(電池充電方向和支持母線的方向)連接電池組和DC母線。此外，本文還分析了電路及系統(tǒng)實(shí)施中每個(gè)區(qū)塊的工作原理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法在兩個(gè)功率流向都實(shí)現(xiàn)高效率。我們?yōu)樵搼?yīng)用構(gòu)建了一款300W輸入(電池充電)1500W輸出(支持母線)雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器樣機(jī)。憑借140分鐘的鉛酸電池容量，它從完全放電到完全充滿電，所需充電時(shí)間為2.3小時(shí)，隨后它還能為母線(1500W負(fù)載)提供28分鐘的供電。利用電路板上的系統(tǒng)控制電路，該樣機(jī)能夠以92.9%的效率(300W)為電池充電，以93.6%的效率(1500W)為母線提供支持。重新配置或并聯(lián)可輕松實(shí)現(xiàn)更高的功率級別。