基于單端正激模型的雙向DC-DC變換器研究

摘要：本文對基于單端正激變換器的隔離式雙向DC-DC變換器進行了研究，電路結構簡潔，可應用于同步整流技術，具有高性能、成本低的優點。經過對其拓撲的分析，給出了各開關管工作時序，對正向和反向的工作原理進行了說明，結合參數設計要求，給出了電路各關鍵參數的選擇方法，為了使變換器能夠穩定有效工作，采取正向電壓外環電流內環雙閉環、反向電壓單閉環控制的方式。最后通過試驗，充分證明了該變換器的可行性和先進性。

敘詞：雙向變換 DC-DC 正激 參數選型 雙閉環

Abstract：A kind of isolated bi-directional DC-DC converter based on the single-ended forward converter has been researched in this paper, which has the advantages of simple topology, low loss and high performance. This converter can also be used in the condition of synchronous rectification. Considering the characteristics of the circuit, driving signal waveforms of each switch are analyzed, while the working principle of both forward and reverse mode is introduced. Combining the requests of the system, the methods of choosing the key parameters are given. In order to ensure the efficiency and dynamic response, voltage and current dual-close loop control strategy is adopted in the forward conversion, while single voltage feedback is adopted in the reverse mode. The correctness and feasibility of this converter are verified through simulation tests.

Keyword：Bi-directional converter, DC-DC, Forward, Key parameters, Dual-close loop

1 引言

雙向DC-DC變換器是DC-DC變換器的雙象限運行，它的輸入電壓、輸出電壓極性不變，輸入電流、輸出電流的方向可以改變[1]。雙向DC-DC變換器的構成和單向直流變換器類似，可通過對單向直流變換器適當的改造來實現。與傳統采用兩套單向DC-DC變換器來達到能量雙向傳輸的方案相比，雙向DC-DC變換器應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少，且可以更加快速地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、動態性能好和成本低等優勢，現已被廣泛應用于UPS系統、航天電源系統、電動汽車驅動及蓄電池充放電等場合[2-3]。

本文對基于單端正激變換器拓撲、帶同步整流技術的雙向DC-DC變換器進行了研究，對其電路結構、工作原理、控制方法進行了分析，在設定實驗條件下給出了變換器參數選擇方法，最后通過仿真試驗，充分證明了設計理論的可行性。

2 電路結構

如圖1所示，該變換器由變壓器T及其磁復位電路，主開關管Q1、整流管Q2和續流管Q3，輸出濾波環節L1、C2等部分組成。該拓撲適用于中、小功率場合，與同等功率等級的常見雙向DC-DC變換器相比，該拓撲具有結構簡潔、成本低、工作效率高、控制方法簡單等特點，在工業應用中有一定的優勢。

圖1 主電路拓撲結構

3 工作原理

為便于分析，可假設負載為可充放電的蓄電池。電路控制能量正向流動時，主開關管Q1進行開關動作，控制傳輸能量的大小;變壓器付邊的整流管Q2和續流管Q3輪換投入工作以保證能量的正常傳輸。當系統輸出的負載能量較大時，若任其流過Q2和Q3的體二極管，將產生很大導通損耗，降低系統效率并帶來散熱等問題。因此，該拓撲采用了同步整流技術，讓負載電流通過導通電阻較小的MOS管，以提高裝置的工作效率。另外，為防止整流管Q2和續流管Q3同時導通，造成變壓器付邊繞組的貫穿短路，兩管的互補驅動信號還需加入一定的死區時間[4-5]。基于以上兩點，能量正向傳輸時，Q1、Q2和Q3的導通時序可分為如圖2所示的4個階段，電路工作過程可按照這4個階段分析。

圖2 Q1、Q2和Q3的驅動信號時序圖

階段A(能量正向流動)：主管Q1和整流管Q2導通。輸入電流I1流入變壓器原邊繞組的同名端，輸出電流I2流出變壓器付邊繞組的同名端。此時能量由輸入側向負載側傳輸的方式同傳統的正激變換器基本一致，其電流流向如圖3(a)所示，此過程到主管被觸發關斷時結束。

階段B(死去時間1)：主管Q1和整流管Q2關斷，續流管Q3仍未被觸發導通，但其體二極管已經導通。由于變壓器漏感的限制，變壓器付邊電流I2a由I2逐漸減小，而續流管體二極管電流I2b則由零開始逐漸增大，即I2由整流之路向續流支路換流，電流方向如圖3(b)所示。

階段C(續流階段)：續流管Q3導通，I2經由MOS管續流，導通損耗大為降低。此階段將持續到續流管Q3被觸發關斷時結束，電流流向如圖3(c)所示。

階段D(死去時間2)：續流管Q3關斷，但其體二極管仍導通。I2完全經由該體二極管續流。此階段直至主管被觸發導通時結束。電流方向如圖3(d)所示。至此，主電路的一個工作周期結束，當電路下一次動作時，主管Q1和整流管Q2又被觸發導通，電路重新進入階段1時的工作狀態。

圖3 能量正向流動時的電路工作狀態：(a)能量正向流動;(b)死區時間1;(c)續流階段;(d)死區時間2

電路控制能量反向流動時，電路工作過程可以看作是與Boost電路基本一致，可分為兩個階段：

階段1(續流)：續流管導通、整流管關斷、蓄電池放電電流I2流過電感線圈L，電流線性增加，電能以磁能形式儲存在L中，電流流向如圖4(a)所示。