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  产品 方案

双向DC-DC转换器的设计与剖析

来 源:  时 间:2021-12-06

本文主要 先容 全新双向DC-DC转换器的设计与剖析 。这项全新的拓扑及其控制战略具有 处置 了传统双向DC-DC转换器(电源容量及效率有限)中存在的电压尖峰效果 。该转换器不只 可用作电池组和DC母线接口,而且还可双向(电池充电倾向 和母线支持倾向 )高效事情。此外,本文还剖析 了电路及系统 实验 中每个区块的事情原理。实验效果 显示双向都能完成 高效率。300W输入 (为电池充电)1500W输入 (支持母线)样机为电池充电的效率高达92.9%(300W),支持母线的效率达93.6%(1500W)。重新设置 或并联可轻松完成 更高的功率级别。


先容
作为电池制造工艺的一局限 ,电池单元或电池组必需 经过 实验 ,才干 确保其能适当维持 电池容量和正常成效 。实验 这类实验 系统 的尺度要领征求 电源电路和负载两局限 ,其中电源电路可以准确 的方式为电池充电,而负载则可用于在实验 电池放电全历程。在该设置 中,系统 效率为0%,即用于实验 电池的一切 能量均已耗散。
运用 双向DC-DC转换器,可将耗散的能量前往 系统 ,从而完成 电池实验 充电能量的循环运用 。前往 的能量随后可用于实验 后续的电池单元,所发作 的功耗只来自于充放电电源转换效率的损失,不会因放电的负载而发作 功率消耗 。
高效率DC-DC转换器的另一个运用 是作为电池备份系统 (BBU)的接口。在发作 电力缺点 时,诸如数据中央 之类的信息系统 通常需求 在断电几分钟后的一段时间 内一连 运转 ,然后经由备份电源(如发电机)恢复供电。在此时代 ,一样往常 接纳电池组来维持装备 的成效 。电池组放电时,该电池组上会泛起压降,所以 需求 电源转换接口来维持适当的母线电压。此外,电池组还需求 电源来增补和维持事务 后消耗 的电量。若是 在一个单体双向DC-DC转换器中能完成 电池充电和母线接口成效 ,就能取得 极大的本钱 及尺寸下风 。

1:现有的隔离式双向DC-DC转换器拓扑图1是普遍 运用 的现有隔离式双向DC-DC转换器

 

 

拓扑。可首先将输入 DC电压逆变AC电压,然后再经过 变压器变压并整流成输入 DC电压。该拓扑不适宜 大功率运用 ,因为 漏感储能和放电会招致 开关MOSFET的高压尖峰。为处置 该效果 ,这一拓扑派生出少量 版本[a – j]。但其中大局限 拓扑都是着眼于经过 阻尼电路或钳位电路来降低该电压尖峰的运用 ,这有一定的改善作用,但不行 从基础 上处置 效果 。
本文主要 先容 全新双向DC-DC转换器的设计与剖析 。它是双向的,是以 不需求 其它的DC-DC转换器或AC-DC转换器来为电池充电。本文运用 电池备份系统 运用 来说明 转换器的事情原理。
全新高效率隔离式双向DC-DC转换器
2显示了这种全新隔离式双向DC-DC转换器的拓扑结构 。它征求 3个成效 区块:区块1、区块2和区块3。区块2不只 对输入 与输入 电压具有隔离作用,而且还能在它们之间提供牢靠 比率的电压升降。它是双向的,电流可双向活动 。区块1和区块3提供准确 的调压,除输入 输入 电压倾向 相反外,它们是成效 相反 的区块。关于 区块1来说,电池位于输入 端。关于 区块3而言,母线位于输入 端。
区块2
区块2的成效 是提供隔离以及牢靠 比率电压升降。经过 在变压器上增添 一个小电容,这个小电容的自然谐振频率和变压器的漏感可提供零电流开关[k – l]。运用 一次侧电流的固有谐振频率,MOSFET可在其谐振局限 的过零点开关。当谐振电流抵达 零时,S5、S6、S7和S8就会一直 开启和封锁 。当S5和S7开启(t1至t2时代 )时,一次侧谐振电流IP以正弦波的方式 活动 ,直至其抵达 零为止。然后,S6和S8会开启,而且一次侧谐振电流IP仍维持 正弦波的外形 ,以相反的倾向 活动 ,如t2至t3时代 所示。如图3所示,相反 的开关序列可在两个倾向 的运转 ,所以 该电路自然是双向的。
这款转换器中的开关消耗 接近 于零,所以 该转换器能在极高的开关频率下事情,频率高达几MHz,所以 可完成 超高的功率密度。此外,在二次侧上完成 完全零电流开关(ZCS)并在一次侧完成 局限 ZCS(误差是由磁化电流惹起 的,而且一次侧上的零电压开关(ZVS)已用于使开关消耗 可疏忽 不计),还可完成 极高的效率。
区块2接纳谐振来完成 零电流开关,是以 能有用 处置 开关MOSFET上的高压尖峰效果 。[a–j]中的其它拓扑只能在降低电压尖峰幅度方面提供刷新 。区块2的谐振频率可高达几MHz。是以 ,区块2能在极高效率的情形 下,完成 极高的功率密度。
区块1/区块3
区块1/区模块3能提供准确 稳压的成效 。它们具有相反 的拓扑方式,在系统 层面提供双向事情,是以 倾向 是相反的。以区块1为例,如图4所示,第一阶段S1和S4开启,流经电感IL的电流会以与VIN成正比 的速率 上升。随后S3开启、S4封锁 ,进入第二阶段;IL能够 会是平直的,也能够 会下降或上升,主要 看输入 与输入 间的压差。随后,S2开启、S1封锁 ,转向第三阶段;IL会以与VOUT成正比 的速率 下降。最后 ,S4开启、S3封锁 ,进入第四阶段;很小负电流经过 电感器。在这一转换历程中,可将零电压开关升降压控制器用于完成 零电压转换[m – n]。
因为 接纳ZVS开关,所以 也能在区块1/区块3中完成 高效率和高功率密度。
在本运用 中,该转换器的简朴 控制要领是:将区块3的稳压VOUT设置为相对 较低的母线电压—低于大少数 时间 的额外 母线电压,但仍能支持母线负载。在该设置 中,母线电压大少数 时间 比区块3的稳压VOUT高,是以 区块3只消耗 无负载功率。同时,大少数 时间 ,母线经过 区块1和区块2为电池充电。母线电压突然 消逝 时,区块3会赶忙 加载事情,而且电流会流过区块2和区块3,支持母线。
该设置 的下风 在于可在双向事情获取高效率和高功率密度时,特殊 是这种母线电池接口运用 。
它需求 为电池充放电形式 提供分别 功率级别。处于电池充电形式 时,所需的功率级应当 比支持母线形式 低许多。理想 上,最好把充电功率限制在某个水平 以下,以确保喧嚣 。在该设置 中,区块3的n可举行 并联,以完成 该母线功率级,而区块1的1或m(m能够 显着 小于n)应能足以提供充电功率。是以 ,尽管 自力 的区块1或区块3不是双向的,但它们一同 事情,将涵盖两个倾向 ,总体尺寸/功耗与区块1的n接近 。因为 支持母线和充电电池的功率比很高,所以 该设置 的下风 很是清楚 。


2:全新隔离式双向DC-DC转换器的拓扑(把图中模块改为区块)

3:区块2:一次及二次谐振电流的双向活动 :(a)充电电池倾向 ;(b)支持母线的倾向

 

4:区块1:电流以ZVS距离 流经电感实验效果
48V用作母线电压,12V用作电池电压。是以 区块2的转换比例需设计为4:1。
VIN=48V,功率为300W,区块2的模块转换比率为4:1时,负载凌驾50%后,实验 的效率凌驾96%,峰值效率为96.2%。当负载低于50%时,效率下降,但负载为10%时仍能完成 85.5%的效率。一切 这些实验 都是在室温条件下举行 的。图5(a)显示了在分别 输入 电压和负载条件下的效率矩阵实验 。可将输入 电压设计为26-55V,这样6.5-13.75V的电池电压就能反向支持母线。这一宽规模可完成 更多的电池设置 ,更为主要 的是,有助于延续电池为母线提供支持的时间 。
5(b)是区块2模块在支持母线倾向 的实验效率实验 效果 ,本文将其界说为反向。本实验接纳深循环船用铅酸12V电池(部件号24DC-1,140分钟的电池容量,严寒 及陆地 情形 下启动电流凌驾500安培)经过 区块2模块为母线提供支持。因为 电池终端电压随着供电电流的上升而下降,所以 VIN会从11.7V(IOUT =0.6A • 4)降至10.9V(I OUT=6.3A • 4)。峰值效率为96.9%。请注重 ,支持母线倾向 的效率甚至比电池充电倾向 的效率还要高,这关于 该运用 而言很是有益 ,因为 在反向条件下,电池支持母线所需的功率级要比充电电池倾向 高许多。支持母线倾向 的更高效率将简化高功率运用 的热管理 设计。
关于 500W的区块1/区块3模块,实验效率实验 效果 如图6所示。峰值效率为97.3%。
这些模块可经过 控制电路使能成效 ,使得禁用的功耗显着 低于无负载功耗。在25°C温度下,额外 电压为48V时,与500W区块1模块或区块3模块搭配运用 的4:1转换比率区块2模块,其典型禁用的功耗是0.04W无负载功耗是5.3W。


 


 

模块(300W,4:1比例)在以下倾向 的效率实验效果 :(a)电池充电、(b)支持母线

6:区块1/区块3模块(500W,室温)的效率实验效果 系统 实验
针对该运用 构建了这一双向DC-DC转换器的7×9英PCB样机,如图7所示,三个区块3模块(每个模块500W)并联,五个区块2模块(每个模块300W)并联。



 

7:系统 实验 如图2中的拓扑所示,简朴 并联模块并将其放在一同 ,该转换器就可事情了。将区块3模块的稳压VOUT设置为相对 较低母线的电压,该电压比大少数 时间 的额外 母线电压低,但仍足以支持母线负载。接纳这种方式,无需增添 系统 控制电路。一旦处在支持母线形式 下,一切 五个区块2模块都可赶忙 处置赏罚 电源。该设置 的不及 之处是:一切 模块都时辰 维持 事情形状 ,而且其中一些模块在其大少数 事情时间 处于轻负载/空负载功耗形状 。
为浪费 这种轻负载/空负载功耗,可以在模块不需求 维持 事情形状 时,将其禁用。一旦母线电压消逝 ,一些模块需求 从禁用形式 恢复到启用形式 。在此时代 ,母线电压由储能电容提供支持。需确保为母线添加足够的电容,以在模块快速 重启的时间 区间内提供支持。该电路板中的系统 级控制电路可用于禁用/启用模块,以消弭 不需要 的功耗。
在电池充电倾向 ,可以禁用区块2的四个模块,并可禁用区块3的三个模块,这可提供300W的电池充电电源。
在支持母线的倾向 ,区块1的模块可以被禁用,这可提供1500W的支持母线电源。在这个设置 中,该系统 可以 以300W/25A为电池充电,以1500W/31A支持48V母线。依靠 140分钟的电池容量,它从完全放电到完全充溢 电,所需时间 为2.3小时,随后它还能为母线(1500W负载)提供28分钟的供电。重新设置 或并联可轻松完成 更高的功率级别。
在正向和反向形式 下,区块1/区块3模块都维持 97.3%效率,区块2的模块的效率可达96.2%。0.78W是区块1/区块3模块的禁劳累 耗,0.04W是区块2模块的禁劳累 耗。是以 在该电池充电形式 下,峰值效率为:

峰值效率为:
结论


本文主要 先容 全新双向DC-DC转换器的设计与剖析 。它可用于双向(电池充电倾向 和支持母线的倾向 )毗邻 电池组和DC母线。此外,本文还剖析 了电路及系统 实验 中每个区块的事情原理。实验效果 显示,该要领在两个功率流向都完成 高效率。色多多视频app安卓无限观看为该运用 构建了一款300W输入 (电池充电)1500W输入 (支持母线)双向DC-DC转换器样机。依靠 140分钟的铅酸电池容量,它从完全放电到完全充溢 电,所需充电时间 为2.3小时,随后它还能为母线(1500W负载)提供28分钟的供电。运用 电路板上的系统 控制电路,该样功用 够以92.9%的效率(300W)为电池充电,以93.6%的效率(1500W)为母线提供支持。重新设置 或并联可轻松完成 更高的功率级别。

 

 

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