能量雙向流動的DCDC變換器

陳麗英 趙國權 梁培文 葉曉鴻 白聚程

Energy Bi-directional Flowing DCDC Converter

摘要： 雙向DCDC變換器可以理解為兩個單向直流變換器的綜合體，除了能夠實現直流電源到直流電源的變換之外，還可以進行能量的雙向流動。目前應用于電動汽車、太陽能電池變換器對二次側電源進行充放電的場合，也適用于航空航天電源和國防軍工等方面。本文從雙向DCDC變換器基本變換單元著手，主要研究變換器電能變換的動態過程，分析一個開關周期內各個階段電路上電流流動方向，研究如何提高變換效率。設計出基本的雙向DCDC變換器的電路圖，并在此電路上加以完善，控制部分用的是TI的28035芯片，采樣電壓值通過PID調節，結合PWM相移控制以達到預期值。

Abstract： A bi-directional DCDC converter can be understood as a composite of two unidirectional DCDC converters. It can realize the conversion from DC power to DC power， and it can also perform bidirectional flow of energy. Current it is applied to electric vehicles， solar battery converters for secondary power supply charge and discharge occasions， and it also can be applied to aerospace power supply， defense military and other aspects. This paper starts with the basic transform unit of bi-directional DCDC converter， mainly studies the dynamic process of converter power conversion， analyzes the direction of current flow in each phase of a switching cycle， and studies how to improve the conversion efficiency. The circuit diagram of the basic bidirectional DCDC converter is designed and perfected on this circuit. The control part uses TI's 28035 chip. The sampling voltage value is adjusted by PID and combined with PWM phase shift control to achieve the desired value.

關鍵詞： 雙向DCDC變換器；開關；PID調節

Key words： bi-directional DCDC converter；switch；PID regulation

中圖分類號：TN624 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0132-02

0 引言

單向DCDC變換器單向工作的原因是功率開關管子是單向導通的，主功率回路上都有單向導通的二極管，所以只能實現能量的單向流動，不能反向。但是在對二次側電源充放電的過程中，需要DCDC變換器將能量進行雙向流動，例如超級電容充電時，能量從電網流入，實現AC-DC-DC，放電時則相反，是DC-DC-AC。所以在直流不停電電源系統、電力系統、工業控制等場合都需要實現DCDC變換器的能量雙向流動。如果要用單向DCDC變換器搭建，則要求將這兩個變換器反向并聯重新組合，這樣就涉及到電路結構復雜、體積變大、可靠性低和高成本等問題，使用壽命不久，在故障維修方面也需要高成本和人力資源。所以這樣的電路結構是有很大缺點的。所以實際應用中，是用雙向DCDC變換器來代替的，既可以實現能量的雙向流動，也可以簡化電路結構的同時減小體積和重量，節約成本方便維修，還可以在這個電路拓撲結構的基礎上衍生出各式各樣的雙向DCDC變換器。

雙向DCDC變換器能量雙向流動的同時，功率、電壓、電流可以從輸入端流入輸出端，也可以從輸出端流入輸入端。沒有固定的輸入輸端口，都是相對的，電壓均可雙向變換。目前，雙向DCDC變換器有隔離式與非隔離式，隔離式有正激、反激、推挽等集中常見的拓撲結構，且適用于安全火花防爆的場合，就有更高的安全系數。無論是哪種電路拓撲結構，都希望最后輸出的電壓穩定波動幅度小，電壓等級和容量等級越高越好，提高開關管的效率和能源的利用率。

1 能量雙向流動的DCDC變換器的結構設計

本文所設計的雙向DCDC變換器主要由電路模塊（第一全橋單元、第二全橋單元、隔離裝置）、控制模塊、反饋裝置組成。圖1a標明了各個模塊，圖1b為電路的拓撲結構示意圖，下面對各個模塊的介紹：

電路模塊：如圖1b電路拓撲結構圖所示，包含第一全橋單元101、第二全橋單元102和隔離裝置100。第一全橋單元為單相橋式全控逆變電路，第二單元為單向橋式全控整流電路。第一全橋單元與第二全橋單元為兌成電路。隔離裝置采用變壓器隔離，開關管用的是全控型器件VT（IGBT或MOSFET）。直流電先通過第一全橋單元變換成高頻交流電，然后通過隔離裝置將電能耦合到二次側，最后經整流得到直流電壓。其中，每個橋臂上下開關管受控制電路輸出的驅動信號的影響。

控制模塊200：用IR2101驅動數字信號處理器DSP28035的集成控制電路，經過程序計算后輸出驅動信號給IGBT開關管，保證每個橋臂上下開關管的驅動信號為59%占空比的互補信號，且對角開關管同時導通，同時可以任意調節輸出電壓。

反饋模塊300：選擇基于運算放大器LF353的反饋電路，通過采樣電路實時采集輸入輸出電壓，程序采用調節驅動信號相位差的方式和PID調節輸出電壓，控制誤差在3%左右，進而調節輸出電壓和電能流向。

2 能量雙向流動的DCDC變換器的控制系統

2.1 能量雙向流動的DCDC變換器的工作原理

系統的總體框圖如圖2、3所示，系統用IR2101驅動數字信號處理器DSP28035的集成控制電路。第一全橋單元還是第二全橋單元均可作輸入或者輸出，采樣電路實時采集輸入側與輸出側的電壓值進行比較， 如果輸出與輸入之間存在偏差，則利用程序進行調節，輸出開關管的驅動信號使得輸出在Buck/Boost電路結構中達到要求。同時輸出是可變范圍的，可以進行設置使之符合要求，且輸出電壓較為穩定，波動幅度較小。

2.2 能量雙向流動的DCDC變換器的功能

本文所設計的能量雙向流動的DCDC變換器左右兩端均可輸出電源，PID調節減小誤差后，可以提供較為穩定的電源，也可以任意調節輸出電壓，同時減少能源的浪費，可適用于車載電源供電或者應用蓄電池、超級電容的場合。采用帶變壓器隔離的互相對稱的全橋電路解決輸入與輸出電壓極性相反的問題，采用DSP28035可以提高運行速度，利用程序可以進行自動調節，保證輸出電源波動較小且輸出穩定可變，提高電源的轉換效率和能源的利用率。

2.3 提高轉換效率

本文設計的能量雙向流動的DCDC變換器采用了移向全橋軟開關模式，減少開關管的開關損耗，進而減少系統損耗提高電路效率。移向全橋軟開關模式通過改變全橋對角線上下開關管驅動電壓相角的大小來調節輸出電壓，使得超前開關管領先滯后開關管一個相位，同一橋臂上的反向驅動信號設置不同的死區時間，利用開關管的結電容和寄生電容完成諧振過程以實現零電壓開通。但是移向全橋的變換器輸出電壓較低，輸出電路較高，所以導致開關管的導通損耗較大。在選擇開關管時，選擇MOS管。MOS管具有雙向導電性，反向導通壓降幾乎與正向導通一致。

參數選擇上，如果負載所帶的電感較小時，在0.01-0.00001H范圍內時，輸出電流是不連續的，出現了斷層。這是因為電感已經放完電了還沒進入下一個狀態。電感參數較大時，電流的波動就已經很小了，紋波系數減小。但是電感越大，體積就越大，在實際電路中是不可取的。還需要注意每個開關的各自占空比不要超過50%，而且還要留有余地。這是防止同一側半橋同時導通損壞開關。開關1、4和2、3導通時間盡量對稱，不然容易造成磁飽和，在變壓器的一次電流中會產生很大的直流分量。

控制算法采用增量式PID控制，通過電壓傳感器反饋輸出電壓值，與給定輸出電壓比較后經過PI控制調整移相角.中斷函數的中斷觸發源有Epwm模塊產生，好處時能平穩的控制移相角的變化，減小變壓器原邊H橋電流應力。

3 總結

本文提供的能量雙向流動的DCDC變換器實現了能量的反向傳輸，在提高系統可靠性的同時，簡化了驅動電路的設計，不僅能夠實現能量雙向流動，而且能提高雙向輸出、輸入電壓的調節范圍，具有控制簡單、高精度，變換效率高等特點。采用TI的高速DSP28035實現PID閉環控制，減少輸出紋波。在特定場合采用能量雙向流動的DCDC變換器可以減小電路的體積和構建的成本，具有比較高的性價比，而且有可以輸出電壓穩定波動幅度小。

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