雙向DC-DC變換器的設(shè)計

閆方愛

（沂水縣黃山鋪鎮(zhèn)人民政府，山東 沂水 276420）

0 引言

在一個系統(tǒng)中的直流電源（或直流源性負載）間需要雙向能量流動的場合都需要雙向DC-DC變換器，可以大幅度減輕系統(tǒng)的體積重量及成本[1]。因此直流電機驅(qū)動系統(tǒng)、不停電電源系統(tǒng)、航空航天電源系統(tǒng)、太陽能（風(fēng)能）發(fā)電系統(tǒng)、能量儲存系統(tǒng)（如超導(dǎo)儲能）、電動汽車系統(tǒng)等系統(tǒng)中都有其適用場合。設(shè)計出更高功率密度、更高轉(zhuǎn)換效率、更低成本、更高性能的DC-DC轉(zhuǎn)換器一直是電源工程師追求的目標，也是高端電子產(chǎn)品快速發(fā)展和更高性能要求的需要[2-4]。

1 雙向DC-DC變換器的原理

雙向DC-DC變換器是指在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的情況下，能夠根據(jù)需要調(diào)節(jié)能量雙向傳輸?shù)闹绷鞯街绷髯儞Q器，如圖1所示：雙向DC-DC變換器置于V1和V2之間，控制其間的能量傳輸，I1和I2分別是V1和V2的平均輸入電流。根據(jù)實際應(yīng)用的需要，可以通過雙向DC-DC變換器的變換控制，使能量從V1傳輸?shù)絍2，稱為正向工作模式（Forward mode），此時I1為負，而I2為正；或使能量從V2傳輸?shù)絍1，稱為反向工作模式 （Backward mode），此時I1為正，而I2為負。

圖1 雙向DC-DC變換器功能框圖

與傳統(tǒng)的采用兩套單向DC-DC變換器來達到能量雙向傳輸?shù)姆桨赶啾?，雙向DC-DC變換器用同一個變換器來控制能量的雙向傳輸，使用的總體器件數(shù)目小，且可以更加快速的進行兩個方向功率變換的切換。再者，在低壓大電流場合，一般雙向DC-DC變換器更有可能在現(xiàn)成的電路上使用同步整流器工作方式，有利于降低通態(tài)損耗?？傊?，雙向DC-DC變換器具有高效率、體積小、動態(tài)性能好和低成本等優(yōu)勢[5-7]。

2 雙向DC-DC變換器電路設(shè)計

2.1 雙向DC-DC變換器主電路設(shè)計

本文主電路結(jié)構(gòu)采用全橋拓撲，如圖2所示：當(dāng)M1-M3工作，M4-M7封鎖時，繼電器K動作，系統(tǒng)工作在升壓狀態(tài)；當(dāng)M4-M7工作，Ml-M3封鎖時，繼電器K不動作，系統(tǒng)工作在降壓狀態(tài)。

圖2 雙向DC-DC變換器的主電路拓撲

2.2 高頻變壓器的設(shè)計

開關(guān)電源變壓器磁芯是低磁場強度下使用的軟磁材料，它具有較高的磁導(dǎo)率、低的矯頑力和高的電阻率。在軟磁材料中，鐵氧體磁芯中的MnZn鐵氧體磁芯又稱功率鐵氧體磁芯，具有導(dǎo)磁率高、電阻率高，鐵損小、價格便宜等優(yōu)點，適合制作高頻大功率變壓器[8-9]。高頻變壓器的設(shè)計一般采用面積乘積法：設(shè)計變換器的輸入功率為300W，開關(guān)頻率為40Hkz，最大的磁感應(yīng)強度為Bm選取1500G，變壓器的工作效率η選取0.9，導(dǎo)線的電流密度δ選取2.0A/mm2，窗口的銅填充系數(shù)Km選取0.4，鐵芯填充系數(shù)Kc對于鐵氧體取1。則該變換器的設(shè)計功率為：

根據(jù)綜合考慮，選取RZKB鐵氧體磁芯EE85的鐵芯。降壓變壓器輸入電壓按±10%的波動，因此最大的輸入電壓297V，變壓器高壓側(cè)繞組的匝數(shù)Np為：

取整數(shù)為17匝，充分考慮到各種損耗，可取原邊繞組匝數(shù)為20匝，副邊4匝，變比為5。

2.3 功率開關(guān)管的選取

本變換器的一個組件在降壓工作中，其按輸入電壓為270V，輸出電壓為28V，輸出電流按70A設(shè)計。超前臂主功率管應(yīng)承受的電壓為輸入電壓，滯后臂所承受的電壓應(yīng)力為輸入電壓加上阻斷電容的最高電壓，其值大約為1.2倍的輸入電壓，因輸入最大電壓為324V，故可選800V的管子。因輸出電流70A，同時考慮到輸出濾波電感的電壓波動，則變壓器副邊最大電流值約為90A，開關(guān)管所承受的最大電流值為18A，則可選取額定電流為50A的管子。為了簡化電路，設(shè)開關(guān)管上反并聯(lián)的二極管可以作為升壓電路的整流二極管使用。對于升壓電路，其輸出采用的是全橋整流電路，要求輸出電壓為270V，輸出電流為10A，考慮到開關(guān)管在升壓工作時，其開關(guān)管開通管段瞬間，會產(chǎn)生尖峰電壓和尖峰電流，另外變壓器漏感的影響也會尖峰電壓的大小。因此，選取額定值為600V/50A的MOSFET，就可以滿足設(shè)計要求。

由于在開通和關(guān)斷時刻存在峰值電壓，取兩倍的電壓余量，耐壓值為238V，而開關(guān)的額度電壓要取2～2.5倍[10]，因此選取開關(guān)管的額度電壓為600V。在中心抽頭的雙半波整流電路中，每只二極管一個周期流過電流的有效值為倍的滿載電流；當(dāng)滿載電流為70A時，流過二極管電流的有效值為50A。因此選取得二極管型號為取ZMBI300N-060，開關(guān)管選擇額定值為600V/100A的MOSFET，就可以滿足要求。

2.4 電路仿真

根據(jù)前述設(shè)計方案，使用計算機軟件對降壓電路進行仿真，仿真電路的原理圖如圖3所示：實現(xiàn)了270V到28V的能量傳遞，Ml-M4均為50%占空比，頻率為40Hkz。仿真結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示。從圖7可以看出滯后開關(guān)管M4在零電壓下導(dǎo)通，實現(xiàn)了軟開關(guān)技術(shù)；變壓器原邊電壓波形、電流波形和理論分析一致。

升壓電路仿真原理圖如圖7所示，仿真結(jié)果如圖8、圖9和圖10所示。從圖10可以看出，開關(guān)管M2承受兩倍的低壓繞組電壓，再加上變壓器漏感的影響，推挽管要承受大于兩倍的低壓繞組電壓。

圖3 降壓變換時的仿真電路

圖4 降壓變換時變壓器高壓側(cè)仿真波形

圖5 變壓器高壓側(cè)電流仿真波形

圖6 開關(guān)管M4漏、源極之間的電壓波形和流過開關(guān)管M4中的電流波形

圖7 升壓電路的仿真原理圖

圖8 升壓變壓器低壓側(cè)的電壓仿真波形

圖9 開關(guān)管Ml驅(qū)動波形和電感Ll電流波形

圖10 開關(guān)管Ml、M2漏源極的電壓波形

3 總結(jié)

目前對雙向DC/DC變換器的研究已成為開關(guān)電源的熱點和難點之一[10-11]。本文在閱讀了國內(nèi)外大量雙向DC/DC變換器的資料，深入了解該行業(yè)的動態(tài)發(fā)展以及前人所做的基礎(chǔ)之上，對一種新型的雙向DC/DC變換器拓撲進行詳細分析、設(shè)計。

本文首先簡單概述了雙向DC-DC變換器的基本概念、應(yīng)用、發(fā)展現(xiàn)狀以及典型特點；在后面的章節(jié)中利用其基本工作原理進行了電路設(shè)計，包括主電路拓撲設(shè)計、開關(guān)器件選擇、高頻變壓器設(shè)計以及相關(guān)參數(shù)的計算及校正，并進行了詳細的論證；最后，利用仿真軟件對設(shè)計的電路進行了仿真驗證，通過驗證達到了理想的效果。

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