应用同步整流技术实现双向DC/DC变换

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:在Buck同步整流技术的基础上,充分利用其电路的特点,提出了双向直流变换器,并分析了其可行性。针对双向恒压和双向恒流两种控制方式,分析了各自的开关管驱动脉冲要求,并给出了相应控制脉冲的实现方法。通过实验加以验证。 关键词:双向;同步整流;恒压;恒流 0 引言 同步整流技术是近几年研究的热点,主要应用于低压大电流领域,其目的是为了解决续流管的导通损耗问题。采用一般的二极管续流,其导通电阻较大,应用在大电流场合时,损耗很大。用导通电阻非常小的MOS管代替二极管,可以解决损耗问题,但同时对驱动电路提出了更高的要求。 此外,对Buck电路应用同步整流技术,用MOS管代替二极管后,电路从拓扑上整合了Buck和Boost两种变换器,为实现双向DC/DC变换提供了可能。在需要单向升降压且能量可以双向流动的场合,很有应用价值,如应用于混合动力电动汽车时,辅以三相可控全桥电路,可以实现蓄电池的充放电。 l 工作原理 1 1 电路拓扑 双向同步整流电路拓扑如图1所示。当电路工作于正向Buck时,Sw作为主开关管,当Sw导通时,Sw关断,电感L储能;当Sw关断时,SR导通续流,电感L释能给输出负载供电。当电路工作于反向Boost升压电路时,SR作为主开关管,当SR导通时,Sw关断,电感L储能;当SR关断时,Sw导通续流,电感L释能给输出负载供电。 1.2 参数设计 设置电感L是为了抑制电流脉动,因此其设计依据是电流纹波要求。电容C1主要是为了在Boost电路Sw关断时,维持输出电压恒定,而电容C2主要是为了抑制Buck输出电压脉动,其设计依据是电压纹波要求,因此两个电容的参数设计并不一致。具体算式如下。 式中:Vg为Buck电路输入电压; Vo为Boost电路输入电压; D为Sw管的占空比: △Q为对应输出电压纹波的电荷增量; △Vo为Buck电路输出电压纹波要求; △Vg为Boost电路输出电压纹波要求; △lmin为Buck和Boost电路电流纹波要求的较小值; I为电感电流。 1.3双向恒流型控制 1)当电路工作在Buck模式时,被控制的是电感电流,目的是为了维持电感电流恒定。电路参数方程为 2)当电路工作在Boost模式时,被控制的是Sw的平均电流,目的是为了维持此平均电流恒定。电路参数方程为 由以上分析可知,电路作正向Buck和反向Boost运行时,被控制的电流都有 ,则两种电路工作模式都可以将Sw定义为主开关管,控制电路直接对Sw进行控制,SR则采用互补控制。 图2给出了闭环双向恒流控制的系统框图,电流经采样电阻采样,由外部控制脚(Select)控制通道选择器,切换两路被采样信号。采样得到的信号由运放放大,经PID补偿后与三角波比较得到方波信号去控制驱动开关管,从而构成一个闭环的负反馈系统。 1.4双向恒压型控制 1)当电路工作在Buck模式时,控制的目的是为了维持输出电压恒定。电路参数方程为 Vo=DVg, 2)当电路工作在Boost模式时,被控制的是电压,控制目的是为了维持电压恒定。电路参数方程为 由以上分析可知,电路作正向Buck和反向Boost运行时,被控制的电压与Sw占空比呈不同的变化逻辑。这就为驱动电路提出了更高的要求。一般的控制驱动芯片不能提供这样的功能。 图3给出了闭环双向恒压控制的系统框图,由外部控制脚(Select)控制通道选择器,切换两路被采样的电压信号。采样得到的信号经分压电阻分压后,再经PI补偿与三角波比较得到方波信号去控制驱动开关管,从而构成一个闭环的负反馈系统。 2 驱动电路设计 2.1 单向驱动脉冲的要求 双向直流变换电路的工作原理同传统的Buck及Boost变换器类似,当主开关管导通时,续流管关断,当主开关管关断时,续流管导通工作。所以两管驱动脉动应互补,同时为了防止共通,发生短路而烧毁器件,必须设置死区。 2.2 双向恒流控制的驱动设计 如图4所示,B脉冲经D脉冲延时所得,其延时时间等于死区时间。互补带延时的两路控制脉冲可由以下逻辑获得, ,图5给出了相应的硬件实现电路。   2.3 双向恒压控制的驱动设计 当采用恒压型控制时,Buck和Boost电路各自的被控电压随主开关管的占空比D的变换逻辑刚好相反,因此,为了实现双向直流变换,还须增加一个控制脚,以切换两种工作模式下主开关管的定义,实现方法是交换两路控制脉冲,用逻辑电路来实现,逻辑表达式为: ,电路工作在正向Buck模式;相反,当K=0时, ,SR=DB,电路工作在反向Boost模式。 根据上面的分析,图6给出了双向恒压控制的控制驱动脉冲实现电路。 最后,需要指出的是,采用数字控制,系统更简单,控制更灵活,抗干扰特性强,系统维护也方便,但考虑到单片机或DSP,数字信号处理器成本相对较高,故以上双向同步整流变换控制的分析设计采用硬件电路实现。 3 实验结果 正向Buck输入电压24v,输出10v/6A;反向Boost输入电压10v,输出24v/2.5A。 图7和图8为双向恒压控制时的驱动波形,控制K脚的电平逻辑可以实现两路输出脉冲的互换,从而满足电路双向工作时的驱动要求。图9-图12为双向恒流和双向恒压控制下的输出电压和电流波形。 4 结语 本文是在Buck同步整流的基础上,充分利用电路从拓扑上整合了Buck和Boost两种变换器的特点,提出了双向DC/DC变换,而并针对双向恒压控制和恒流控制两种不同的控制方式,分析了对驱动电路的要求,并给出了各自驱动脉冲的实现方法。实验结果与理论分析吻合。
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200703/9123.html
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