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(jí)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(cè)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(cè)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(cè)試電池放電全過程。在該配置中，系統(tǒng)效率為0%，即用于測(cè)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(cè)試充電能量的循環(huán)利用。返回的能量隨后可用于測(cè)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(huì)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(huì)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(shì)。

現(xiàn)有的隔離式雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋱D1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?chǔ)能和放電會(huì)導(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(duì)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(dòng)。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(duì)于區(qū)塊1來說，電池位于輸出端。對(duì)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(huì)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(dòng)，直至其達(dá)到零為止。然后，S6和S8會(huì)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(dòng)，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)浞绞剑谙到y(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(huì)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(huì)是平直的，也可能會(huì)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(huì)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(jiǎn)單控制方法是：將區(qū)塊3的穩(wěn)壓VOUT設(shè)置為相對(duì)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(huì)立即加載工作，而且電流會(huì)流過區(qū)塊2和區(qū)塊3，支持母線。

該配置的優(yōu)勢(shì)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(jí)別。處于電池充電模式時(shí)，所需的功率級(jí)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(jí)，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(shì)非常顯著。