能量双向流动的DCDC变换器

陈丽英 赵国权 梁培文 叶晓鸿 白聚程

Energy Bi-directional Flowing DCDC Converter

摘要： 双向DCDC变换器可以理解为两个单向直流变换器的综合体，除了能够实现直流电源到直流电源的变换之外，还可以进行能量的双向流动。目前应用于电动汽车、太阳能电池变换器对二次侧电源进行充放电的场合，也适用于航空航天电源和国防军工等方面。本文从双向DCDC变换器基本变换单元着手，主要研究变换器电能变换的动态过程，分析一个开关周期内各个阶段电路上电流流动方向，研究如何提高变换效率。设计出基本的双向DCDC变换器的电路图，并在此电路上加以完善，控制部分用的是TI的28035芯片，采样电压值通过PID调节，结合PWM相移控制以达到预期值。

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.

關键词： 双向DCDC变换器；开关；PID调节

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

中图分类号：TN624 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）15-0132-02

0 引言

单向DCDC变换器单向工作的原因是功率开关管子是单向导通的，主功率回路上都有单向导通的二极管，所以只能实现能量的单向流动，不能反向。但是在对二次侧电源充放电的过程中，需要DCDC变换器将能量进行双向流动，例如超级电容充电时，能量从电网流入，实现AC-DC-DC，放电时则相反，是DC-DC-AC。所以在直流不停电电源系统、电力系统、工业控制等场合都需要实现DCDC变换器的能量双向流动。如果要用单向DCDC变换器搭建，则要求将这两个变换器反向并联重新组合，这样就涉及到电路结构复杂、体积变大、可靠性低和高成本等问题，使用寿命不久，在故障维修方面也需要高成本和人力资源。所以这样的电路结构是有很大缺点的。所以实际应用中，是用双向DCDC变换器来代替的，既可以实现能量的双向流动，也可以简化电路结构的同时减小体积和重量，节约成本方便维修，还可以在这个电路拓扑结构的基础上衍生出各式各样的双向DCDC变换器。

双向DCDC变换器能量双向流动的同时，功率、电压、电流可以从输入端流入输出端，也可以从输出端流入输入端。没有固定的输入输端口，都是相对的，电压均可双向变换。目前，双向DCDC变换器有隔离式与非隔离式，隔离式有正激、反激、推挽等集中常见的拓扑结构，且适用于安全火花防爆的场合，就有更高的安全系数。无论是哪种电路拓扑结构，都希望最后输出的电压稳定波动幅度小，电压等级和容量等级越高越好，提高开关管的效率和能源的利用率。

1 能量双向流动的DCDC变换器的结构设计

本文所设计的双向DCDC变换器主要由电路模块（第一全桥单元、第二全桥单元、隔离装置）、控制模块、反馈装置组成。图1a标明了各个模块，图1b为电路的拓扑结构示意图，下面对各个模块的介绍：

电路模块：如图1b电路拓扑结构图所示，包含第一全桥单元101、第二全桥单元102和隔离装置100。第一全桥单元为单相桥式全控逆变电路，第二单元为单向桥式全控整流电路。第一全桥单元与第二全桥单元为兑成电路。隔离装置采用变压器隔离，开关管用的是全控型器件VT（IGBT或MOSFET）。直流电先通过第一全桥单元变换成高频交流电，然后通过隔离装置将电能耦合到二次侧，最后经整流得到直流电压。其中，每个桥臂上下开关管受控制电路输出的驱动信号的影响。

控制模块200：用IR2101驱动数字信号处理器DSP28035的集成控制电路，经过程序计算后输出驱动信号给IGBT开关管，保证每个桥臂上下开关管的驱动信号为59%占空比的互补信号，且对角开关管同时导通，同时可以任意调节输出电压。

反馈模块300：选择基于运算放大器LF353的反馈电路，通过采样电路实时采集输入输出电压，程序采用调节驱动信号相位差的方式和PID调节输出电压，控制误差在3%左右，进而调节输出电压和电能流向。

2 能量双向流动的DCDC变换器的控制系统

2.1 能量双向流动的DCDC变换器的工作原理

系统的总体框图如图2、3所示，系统用IR2101驱动数字信号处理器DSP28035的集成控制电路。第一全桥单元还是第二全桥单元均可作输入或者输出，采样电路实时采集输入侧与输出侧的电压值进行比较， 如果输出与输入之间存在偏差，则利用程序进行调节，输出开关管的驱动信号使得输出在Buck/Boost电路结构中达到要求。同时输出是可变范围的，可以进行设置使之符合要求，且输出电压较为稳定，波动幅度较小。

2.2 能量双向流动的DCDC变换器的功能

本文所设计的能量双向流動的DCDC变换器左右两端均可输出电源，PID调节减小误差后，可以提供较为稳定的电源，也可以任意调节输出电压，同时减少能源的浪费，可适用于车载电源供电或者应用蓄电池、超级电容的场合。采用带变压器隔离的互相对称的全桥电路解决输入与输出电压极性相反的问题，采用DSP28035可以提高运行速度，利用程序可以进行自动调节，保证输出电源波动较小且输出稳定可变，提高电源的转换效率和能源的利用率。

2.3 提高转换效率

本文设计的能量双向流动的DCDC变换器采用了移向全桥软开关模式，减少开关管的开关损耗，进而减少系统损耗提高电路效率。移向全桥软开关模式通过改变全桥对角线上下开关管驱动电压相角的大小来调节输出电压，使得超前开关管领先滞后开关管一个相位，同一桥臂上的反向驱动信号设置不同的死区时间，利用开关管的结电容和寄生电容完成谐振过程以实现零电压开通。但是移向全桥的变换器输出电压较低，输出电路较高，所以导致开关管的导通损耗较大。在选择开关管时，选择MOS管。MOS管具有双向导电性，反向导通压降几乎与正向导通一致。

参数选择上，如果负载所带的电感较小时，在0.01-0.00001H范围内时，输出电流是不连续的，出现了断层。这是因为电感已经放完电了还没进入下一个状态。电感参数较大时，电流的波动就已经很小了，纹波系数减小。但是电感越大，体积就越大，在实际电路中是不可取的。还需要注意每个开关的各自占空比不要超过50%，而且还要留有余地。这是防止同一侧半桥同时导通损坏开关。开关1、4和2、3导通时间尽量对称，不然容易造成磁饱和，在变压器的一次电流中会产生很大的直流分量。

控制算法采用增量式PID控制，通过电压传感器反馈输出电压值，与给定输出电压比较后经过PI控制调整移相角.中断函数的中断触发源有Epwm模块产生，好处时能平稳的控制移相角的变化，减小变压器原边H桥电流应力。

3 总结

本文提供的能量双向流动的DCDC变换器实现了能量的反向传输，在提高系统可靠性的同时，简化了驱动电路的设计，不仅能够实现能量双向流动，而且能提高双向输出、输入电压的调节范围，具有控制简单、高精度，变换效率高等特点。采用TI的高速DSP28035实现PID闭环控制，减少输出纹波。在特定场合采用能量双向流动的DCDC变换器可以减小电路的体积和构建的成本，具有比较高的性价比，而且有可以输出电压稳定波动幅度小。

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