雙向DC-DC變換器的設計

閆方愛

（沂水縣黃山鋪鎮人民政府，山東 沂水 276420）

0 引言

在一個系統中的直流電源（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的體積重量及成本[1]。因此直流電機驅動系統、不停電電源系統、航空航天電源系統、太陽能（風能）發電系統、能量儲存系統（如超導儲能）、電動汽車系統等系統中都有其適用場合。設計出更高功率密度、更高轉換效率、更低成本、更高性能的DC-DC轉換器一直是電源工程師追求的目標，也是高端電子產品快速發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，能夠根據需要調節能量雙向傳輸的直流到直流變換器，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。根據實際應用的需要，可以通過雙向DC-DC變換器的變換控制，使能量從V1傳輸到V2，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傳輸到V1，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

與傳統的采用兩套單向DC-DC變換器來達到能量雙向傳輸的方案相比，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成的電路上使用同步整流器工作方式，有利于降低通態損耗。總之，雙向DC-DC變換器具有高效率、體積小、動態性能好和低成本等優勢[5-7]。

2 雙向DC-DC變換器電路設計

2.1 雙向DC-DC變換器主電路設計

本文主電路結構采用全橋拓撲，如圖2所示：當M1-M3工作，M4-M7封鎖時，繼電器K動作，系統工作在升壓狀態；當M4-M7工作，Ml-M3封鎖時，繼電器K不動作，系統工作在降壓狀態。

圖2 雙向DC-DC變換器的主電路拓撲

2.2 高頻變壓器的設計

開關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，具有導磁率高、電阻率高，鐵損小、價格便宜等優點，適合制作高頻大功率變壓器[8-9]。高頻變壓器的設計一般采用面積乘積法：設計變換器的輸入功率為300W，開關頻率為40Hkz，最大的磁感應強度為Bm選取1500G，變壓器的工作效率η選取0.9，導線的電流密度δ選取2.0A/mm2，窗口的銅填充系數Km選取0.4，鐵芯填充系數Kc對于鐵氧體取1。則該變換器的設計功率為：

根據綜合考慮，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，變壓器高壓側繞組的匝數Np為：

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

2.3 功率開關管的選取

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設計。超前臂主功率管應承受的電壓為輸入電壓，滯后臂所承受的電壓應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，設開關管上反并聯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，考慮到開關管在升壓工作時，其開關管開通管段瞬間，會產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，就可以滿足設計要求。

由于在開通和關斷時刻存在峰值電壓，取兩倍的電壓余量，耐壓值為238V，而開關的額度電壓要取2～2.5倍[10]，因此選取開關管的額度電壓為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

根據前述設計方案，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：實現了270V到28V的能量傳遞，Ml-M4均為50%占空比，頻率為40Hkz。仿真結果如圖4、圖5和圖6所示。從圖7可以看出滯后開關管M4在零電壓下導通，實現了軟開關技術；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，仿真結果如圖8、圖9和圖10所示。從圖10可以看出，開關管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仿真波形

圖5 變壓器高壓側電流仿真波形

圖6 開關管M4漏、源極之間的電壓波形和流過開關管M4中的電流波形

圖7 升壓電路的仿真原理圖

圖8 升壓變壓器低壓側的電壓仿真波形

圖9 開關管Ml驅動波形和電感Ll電流波形

圖10 開關管Ml、M2漏源極的電壓波形

3 總結

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

本文首先簡單概述了雙向DC-DC變換器的基本概念、應用、發展現狀以及典型特點；在后面的章節中利用其基本工作原理進行了電路設計，包括主電路拓撲設計、開關器件選擇、高頻變壓器設計以及相關參數的計算及校正，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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