全新双向DC-DC转换器的设计与分析

本文主要介绍全新双向DC-DC转换器的设计与分析。这项全新的拓扑及其控制策略彻底解决了传统双向DC-DC转换器(电源容量及效率有限)中存在的电压尖峰问题。该转换器不仅可用作电池组和DC母线接口，而且还可双向(电池充电方向和母线支持方向)高效工作。此外，本文还分析了电路及系统实施中每个区块的工作原理。实验结果显示双向都能实现高效率。300W输入(为电池充电)1500W输出(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)。重新配置或并联可轻松实现更高的功率级别。

介绍

作为电池制造工艺的一部分，电池单元或电池组必须通过测试，才能确保其能适当保持电池容量和正常功能。实施这类测试系统的标准方法包含电源电路和负载两部分，其中电源电路可以正确的方式为电池充电，而负载则可用于在测试电池放电全过程。在该配置中，系统效率为0%，即用于测试电池的所有能量均已耗散。

使用双向DC-DC转换器，可将耗散的能量返回系统，从而实现电池测试充电能量的循环利用。返回的能量随后可用于测试后续的电池单元，所产生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产生功率损耗。

高效率DC-DC转换器的另一个应用是作为电池备份系统(BBU)的接口。在发生电力故障时，诸如数据中心之类的信息系统通常需要在断电几分钟后的一段时间内持续运行，然后经由备份电源(如发电机)恢复供电。在此期间，一般采用电池组来维持设备的功能。电池组放电时，该电池组上会出现压降，因而需要电源转换接口来维持适当的母线电压。此外，电池组还需要电源来补充和维持事件后损耗的电量。如果在一个单体双向DC-DC转换器中能实现电池充电和母线接口功能，就能获得极大的成本及尺寸优势。

现有的隔离式双向DC-DC转换器拓扑图1是广泛使用的现有隔离式双向DC-DC转换器拓扑。可首先将输入DC电压逆变成AC电压，然后再通过变压器变压并整流成输出DC电压。该拓扑不适合大功率应用，因为漏感储能和放电会导致开关MOSFET的高压尖峰。为解决该问题，这一拓扑派生出大量版本[a – j]。但其中大部分拓扑都是着眼于通过阻尼电路或钳位电路来降低该电压尖峰的应用，这有一定的改善作用，但不能从根本上解决问题。

本文主要介绍全新双向DC-DC转换器的设计与分析。它是双向的，因此不需要其它的DC-DC转换器或AC-DC转换器来为电池充电。本文使用电池备份系统应用来说明转换器的工作原理。

全新高效率隔离式双向DC-DC转换器

图2显示了这种全新隔离式双向DC-DC转换器的拓扑结构。它包含3个功能区块：区块1、区块2和区块3。区块2不仅对输入与输出电压具有隔离作用，而且还能在它们之间提供固定比率的电压升降。它是双向的，电流可双向流动。区块1和区块3提供准确的调压，除输入输出电压方向相反外，它们是功能相同的区块。对于区块1来说，电池位于输出端。对于区块3而言，母线位于输出端。

区块2

区块2的功能是提供隔离以及固定比率电压升降。通过在变压器上增加一个小电容，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]。利用一次侧电流的固有谐振频率，MOSFET可在其谐振部分的过零点开关。当谐振电流达到零时，S5、S6、S7和S8就会始终开启和关闭。当S5和S7开启(t1至t2期间)时，一次侧谐振电流IP以正弦波的形式流动，直至其达到零为止。然后，S6和S8会开启，并且一次侧谐振电流IP仍保持正弦波的形状，以相反的方向流动，如t2至t3期间所示。如图3所示，相同的开关序列可在两个方向的运行，因而该电路自然是双向的。

这款转换器中的开关损耗接近于零，因而该转换器能在极高的开关频率下工作，频率高达几MHz，因而可实现超高的功率密度。此外，在二次侧上实现完全零电流开关(ZCS)并在一次侧实现部分ZCS(误差是由磁化电流引起的，而且一次侧上的零电压开关(ZVS)已用于使开关损耗可忽略不计)，还可实现极高的效率。

区块2采用谐振来实现零电流开关，因此能有效解决开关MOSFET上的高压尖峰问题。[a–j]中的其它拓扑只能在降低电压尖峰幅度方面提供改进。区块2的谐振频率可高达几MHz。因此，区块2能在极高效率的情况下，实现极高的功率密度。

区块1/区块3

区块1/区模块3能提供精确稳压的功能。它们具有相同的拓扑方式，在系统层面提供双向工作，因此方向是相反的。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成正比的速度上升。随后S3开启、S4关闭，进入第二阶段;IL可能会是平直的，也可能会下降或上升，主要看输入与输出间的压差。随后，S2开启、S1关闭，转向第三阶段;IL会以与VOUT成正比的速度下降。最后，S4开启、S3关闭，进入第四阶段;很小负电流通过电感器。在这一转换过程中，可将零电压开关升降压控制器用于实现零电压转换[m – n]。

由于采用ZVS开关，因而也能在区块1/区块3中实现高效率和高功率密度。

在本应用中，该转换器的简单控制方法是：将区块3的稳压VOUT设置为相对较低的母线电压—低于大多数时候的额定母线电压，但仍能支持母线负载。在该配置中，母线电压大多数时间比区块3的稳压VOUT高，因此区块3只消耗无负载功率。同时，大多数时候，母线通过区块1和区块2为电池充电。母线电压突然消失时，区块3会立即加载工作，而且电流会流过区块2和区块3，支持母线。

该配置的优势在于可在双向工作获取高效率和高功率密度时，特别是这种母线电池接口应用。

它需要为电池充放电模式提供不同功率级别。处于电池充电模式时，所需的功率级应该比支持母线模式低很多。实际上，最好把充电功率限制在某个水平以下，以确保安全。在该配置中，区块3的n可进行并联，以实现该母线功率级，而区块1的1或m(m可能明显小于n)应能足以提供充电功率。因此，尽管独立的区块1或区块3不是双向的，但它们一起工作，将涵盖两个方向，总体尺寸/功耗与区块1的n接近。由于支持母线和充电电池的功率比很高，因而该配置的优势非常显著。