双向DC-DC变换器的设计

2014-04-14闫方爱

科技视界 2014年12期

闫方爱

（沂水县黄山铺镇人民政府，山东沂水 276420）

0 引言

在一个系统中的直流电源（或直流源性负载）间需要双向能量流动的场合都需要双向DC-DC变换器，可以大幅度减轻系统的体积重量及成本[1]。因此直流电机驱动系统、不停电电源系统、航空航天电源系统、太阳能（风能）发电系统、能量储存系统（如超导储能）、电动汽车系统等系统中都有其适用场合。设计出更高功率密度、更高转换效率、更低成本、更高性能的DC-DC转换器一直是电源工程师追求的目标，也是高端电子产品快速发展和更高性能要求的需要[2-4]。

1 双向DC-DC变换器的原理

双向DC-DC变换器是指在保持变换器两端的直流电压极性不变的情况下，能够根据需要调节能量双向传输的直流到直流变换器，如图1所示：双向DC-DC变换器置于V1和V2之间，控制其间的能量传输，I1和I2分别是V1和V2的平均输入电流。根据实际应用的需要，可以通过双向DC-DC变换器的变换控制，使能量从V1传输到V2，称为正向工作模式（Forward mode），此时I1为负，而I2为正；或使能量从V2传输到V1，称为反向工作模式（Backward mode），此时I1为正，而I2为负。

图1 双向DC-DC变换器功能框图

与传统的采用两套单向DC-DC变换器来达到能量双向传输的方案相比，双向DC-DC变换器用同一个变换器来控制能量的双向传输，使用的总体器件数目小，且可以更加快速的进行两个方向功率变换的切换。再者，在低压大电流场合，一般双向DC-DC变换器更有可能在现成的电路上使用同步整流器工作方式，有利于降低通态损耗。总之，双向DC-DC变换器具有高效率、体积小、动态性能好和低成本等优势[5-7]。

2 双向DC-DC变换器电路设计

2.1 双向DC-DC变换器主电路设计

本文主电路结构采用全桥拓扑，如图2所示：当M1-M3工作，M4-M7封锁时，继电器K动作，系统工作在升压状态；当M4-M7工作，Ml-M3封锁时，继电器K不动作，系统工作在降压状态。

图2 双向DC-DC变换器的主电路拓扑

2.2 高频变压器的设计

开关电源变压器磁芯是低磁场强度下使用的软磁材料，它具有较高的磁导率、低的矫顽力和高的电阻率。在软磁材料中，铁氧体磁芯中的MnZn铁氧体磁芯又称功率铁氧体磁芯，具有导磁率高、电阻率高，铁损小、价格便宜等优点，适合制作高频大功率变压器[8-9]。高频变压器的设计一般采用面积乘积法：设计变换器的输入功率为300W，开关频率为40Hkz，最大的磁感应强度为Bm选取1500G，变压器的工作效率η选取0.9，导线的电流密度δ选取2.0A/mm2，窗口的铜填充系数Km选取0.4，铁芯填充系数Kc对于铁氧体取1。则该变换器的设计功率为：

根据综合考虑，选取RZKB铁氧体磁芯EE85的铁芯。降压变压器输入电压按±10%的波动，因此最大的输入电压297V，变压器高压侧绕组的匝数Np为：

取整数为17匝，充分考虑到各种损耗，可取原边绕组匝数为20匝，副边4匝，变比为5。

2.3 功率开关管的选取

本变换器的一个组件在降压工作中，其按输入电压为270V，输出电压为28V，输出电流按70A设计。超前臂主功率管应承受的电压为输入电压，滞后臂所承受的电压应力为输入电压加上阻断电容的最高电压，其值大约为1.2倍的输入电压，因输入最大电压为324V，故可选800V的管子。因输出电流70A，同时考虑到输出滤波电感的电压波动，则变压器副边最大电流值约为90A，开关管所承受的最大电流值为18A，则可选取额定电流为50A的管子。为了简化电路，设开关管上反并联的二极管可以作为升压电路的整流二极管使用。对于升压电路，其输出采用的是全桥整流电路，要求输出电压为270V，输出电流为10A，考虑到开关管在升压工作时，其开关管开通管段瞬间，会产生尖峰电压和尖峰电流，另外变压器漏感的影响也会尖峰电压的大小。因此，选取额定值为600V/50A的MOSFET，就可以满足设计要求。

由于在开通和关断时刻存在峰值电压，取两倍的电压余量，耐压值为238V，而开关的额度电压要取2～2.5倍[10]，因此选取开关管的额度电压为600V。在中心抽头的双半波整流电路中，每只二极管一个周期流过电流的有效值为倍的满载电流；当满载电流为70A时，流过二极管电流的有效值为50A。因此选取得二极管型号为取ZMBI300N-060，开关管选择额定值为600V/100A的MOSFET，就可以满足要求。