双向DC/DC性能分析及研究

引言

双向DC/DC变换是目前电能应用中使用越来越广泛的一种技术。双向DC/DC电路可实现电能的双向传输,在直流电机驱动、航空航天电源、不间断电源、太阳能风能发电、燃料电池领域有着极其广泛的应用。

目前,针对双向DC/DC性能及其影响因素的研究较少,本文以Buck-Boost双向DC/DC主拓扑为变换器核心,首先对该变换器的功率损耗进行分析,其次进行理论仿真,最后设计了一个由单片机控制的双向DC/DC变换器进行实验验证,通过研究驱动脉冲信号占空比和频率、输出电流等对电路效率和性能的影响,以确定双向DC/DC变换器的最佳工作电压范围,达到提高双向DC/DC变换器性能的目的。

1双向DC/DC变换器的电路结构及工作原理

图1为双向DC/DC变换电路,采用Buck-Boost主拓扑结构。该变换电路经同步整流电路演变而来,由升压电路和降压电路反并联而成,将普通的Buck电路的二极管换成MOSFET,并在两端口并接大容量的滤波电容。

升压模式下,PWM信号高电平期间开关管Ol导通,Dl二极管截止。电源Vl对电感L进行充电,电感以磁能的形式存储电能。在输出端口,负载由C2存储的电能维持供电。在电感饱和之前,PWM脉冲的低电平使开关管Ol关断,此时Dl转入导通状态,电感电压和电源电压Vl叠加在一起共同向负载和电容输出电能。

降压模式下,D2二极管处于截止状态,PWM信号高电平期间开关管O2导通,电源V2对电感L进行充电,电感以磁能的形式存储电能。电感充电储能的同时向负载供电,并产生一定大小的电压降,负载获取到的电压低于输入端口V2电压,从而实现DC/DC降压变换。

2双向DC/DC变换器的损耗分析

影响该变换器效率的主要因素有:开关损耗、控制电路功率损耗、电感磁芯损耗和线圈损耗、电容ESR损耗、电路板走线损耗和辅助电源损耗等。其中,部分损耗可通过选取适当的元器件参数减小,而部分损耗会受变换器工作状态、占空比、输出电流和开关频率的影响。

2.1M0SFET损耗分析

MOSFET损耗分为动态损耗和静态损耗两部分。静态损耗是由MOSFET导通时的导通电阻所产生,计算公式如下:

式中,IMOS为流过MOS管漏源极的电流有效值:Rdson为MOS管最大温度时的导通电阻。

动态损耗是由开通和关断时对MOSFET管中寄生的三个电容的充放电所产生,包括开关损耗、驱动损耗、输出电容损耗。

开关损耗为:

驱动损耗为:

输出电容损耗为:

式中,Vfn、Io为输入电压和输出电流:7i、7+为MOS管导通时的上升时间和关断时的下降时间:7s为开关周期:VDi为驱动电压:0r为总的门极所需电荷量:Coss为MOS管输出电容值。

综上所述,为了减小静态损耗,应选择低导通电阻的MOS管:为了减少动态损耗,应选择低寄生参数的MOSFET,同时应合理选择开关元件的开关频率,以降低MOS管损耗。

2.2电感损耗分析

电感损耗包括铜损和铁损。铜损计算公式如下:

式中,ILims为电感电流的有效值:RLDCR为电感线圈阻抗。

铁芯损耗与温度、磁感应强度等因素有关,因此没有具体公式,一般可在磁芯数据手册中找到对应曲线,根据工作频率等已知条件查找对应的损耗值。

2.3电容损耗分析

电容损耗主要是由纹波电流流过电容的等效串联电阻（ESR）所产生,因此应选择ESR较小的电容。

2.3.1输入电容损耗

式中,RCinESR为输入电容ESR:Ii为输入电流有效值:AIL为电感0≤t≤D7sD7s≤t≤7s电流纹波:D为开关管导通占空比。

2.3.2输出电容损耗

式中,RCoutESR为输出电容ESR。

2.4电路整体损耗分析

综前所述,电路总损耗为:

则电路整体效率为:

综上所述,影响该变换器效率的主要因素有:开关损耗、控制电路功率损耗、电感磁芯损耗和线圈损耗、电容ESR损耗。由上述分析可以看出,损耗除与器件参数有关外,还受驱动脉冲占空比及频率、输出电流的影响。

3双向DC/DC变换器的参数选取

结合目前常见DC/DC变换器的工作条件,本系统工作参数设定为:开关频率40kHz,升压模式下,输入电压最高为25V,降压模式下,输入电压最高为50V,两种模式下输出电流最大均为1A。

3.1升压模式下电感的选取

电感L的选取主要与输入电压、占空比、输出电流和开关频率有关,由于双向DC/DC变换电路采用MOS管代替传统的续流二极管,电感不存在断流模式,因此电感按公式（9）估算:

电感L的最低要求是使电路不达到饱和状态,电感量较大时,电路纹波较小:但电感量过大则会导致带负载能力下降,铜耗增加。考虑到实际实验中可能会有参数的变化,L不应取值过大,最终取500μH。

3.2升降压模式下电容的选取

由于本电路输入输出呈对偶状态,因此需要在输入端和输出端同时接入滤波电容,其作用是滤除MOSFET开关工作所产生的大部分纹波。滤除纹波的效果与电容的容量呈正比,本电路选用了几个容量不等的大容量电容并联作为滤波电容,其中有2200μF、1000μF和470μF,以达到比较好的滤波效果。同时考虑到电容的等效串联电阻（ESR）造成的损耗,还应在滤波电容两端并联ESR较小的高频电解电容。

4实验验证及对双向DC/DC的性能分析

实际焊接制作上述双向DC/DC变换器,主控芯片采用STM32型单片机,产生两路PWM控制信号,用于驱动半桥驱动器IR2110和大功率MOSFET（型号为CSD18532KCS）。在升降压模式下设置3组实验,将理论计算效率与实际测量效率曲线进行对比。

4.1升压模式曲线

升压模式曲线如图2所示。

结果表明,当占空比小于50%时,电路效率基本保持不变:当占空比大于50%后,随着占空比的升高,该电路的效率呈现缓慢上升趋势:而当占空比大于80%后,电路效率下降明显。随着输出电流的升高,电路效率缓慢下降,这是由于电流增大后,元器件的损耗也增大,造成了效率降低。随着开关频率的变化,电路效率呈下降趋势,低开关频率会使整个开关电源的效率变高,因为在每一次开关变换时滤波器件的能量损耗变小,但整个开关电源的体积会变大:高的开关频率会使开关电源所用器件的体积减小,而开关频率的变高也使整个电路的损耗变大、效率降低。

4.2降压模式曲线

降压模式曲线如图3所示。

结果表明,随着占空比的升高,该电路效率呈现上升趋势,当占空比小于50%时,电路效率普遍较低:随着输出电流的升高,该电路效率基本保持不变,说明在降压模式下,输出电流对电流效率影响较小:随着开关频率的升高,电路效率呈现下降趋势。

综上所述,双向DC/DC工作在升压模式下,占空比不宜过高,应在80%以下,其次随着输出电流的增大,电路效率缓慢降低,最后开关频率不宜过高,应在80kHz以下。双向DC/DC工作在降压模式下,占空比不宜过低,应在50%以上,其次输出电流对电路效率影响较小,最后开关频率不宜过高,应在100kHz以下。

5结论

本文进行双向DC/DC性能研究的系统电路以M0sFET大功率开关管为核心,采用单片机控制方式,极大地方便了实验过程中三方面因素对DC/DC双向变换电路性能及参数影响的测试及研究,通过实验验证了占空比、输出电流和开关频率对电路效率的影响,确定了双向DC/DC变换器应用中较为理想的工作范围,具有一定的借鉴和指导意义。