應用同步整流技術實現雙向DC／DC變換

0 引言
同步整流技術是近幾年研究的熱點，主要應用于低壓大電流領域，其目的是為了解決續流管的導通損耗問題。采用一般的二極管續流，其導通電阻較大，應用在大電流場合時，損耗很大。用導通電阻非常小的MOS管代替二極管，可以解決損耗問題，但同時對驅動電路提出了更高的要求。

此外，對Buck電路應用同步整流技術，用MOS管代替二極管后，電路從拓撲上整合了Buck和Boost兩種變換器，為實現雙向DC／DC變換提供了可能。在需要單向升降壓且能量可以雙向流動的場合，很有應用價值，如應用于混合動力電動汽車時，輔以三相可控全橋電路，可以實現蓄電池的充放電。

l 工作原理
1 1 電路拓撲
雙向同步整流電路拓撲如圖1所示。當電路工作于正向Buck時，Sw作為主開關管，當Sw導通時，S_Ⅱ關斷，電感L儲能；當Sw關斷時，SR導通續流，電感L釋能給輸出負載供電。當電路工作于反向Boost升壓電路時，SR作為主開關管，當SR導通時，Sw關斷，電感L儲能；當SR關斷時，Sw導通續流，電感L釋能給輸出負載供電。

1．2 參數設計
設置電感L是為了抑制電流脈動，因此其設計依據是電流紋波要求。電容C1主要是為了在Boost電路Sw關斷時，維持輸出電壓恒定，而電容C2主要是為了抑制Buck輸出電壓脈動，其設計依據是電壓紋波要求，因此兩個電容的參數設計并不一致。具體算式如下。

式中：Vg為Buck電路輸入電壓；
Vo為Boost電路輸入電壓；
D為Sw管的占空比：
△Q為對應輸出電壓紋波的電荷增量；
△Vo為Buck電路輸出電壓紋波要求；
△Vg為Boost電路輸出電壓紋波要求；
△lmin為Buck和Boost電路電流紋波要求的較小值；
I為電感電流。

1．3雙向恒流型控制
1)當電路工作在Buck模式時，被控制的是電感電流，目的是為了維持電感電流恒定。電路參數方程為

2)當電路工作在Boost模式時，被控制的是Sw的平均電流，目的是為了維持此平均電流恒定。電路參數方程為

由以上分析可知，電路作正向Buck和反向Boost運行時，被控制的電流都有，則兩種電路工作模式都可以將Sw定義為主開關管，控制電路直接對Sw進行控制，SR則采用互補控制。

圖2給出了閉環雙向恒流控制的系統框圖，電流經采樣電阻采樣，由外部控制腳(Select)控制通道選擇器，切換兩路被采樣信號。采樣得到的信號由運放放大，經PID補償后與三角波比較得到方波信號去控制驅動開關管，從而構成一個閉環的負反饋系統。

1．4雙向恒壓型控制
1)當電路工作在Buck模式時，控制的目的是為了維持輸出電壓恒定。電路參數方程為

Vo=DVg，

2)當電路工作在Boost模式時，被控制的是電壓，控制目的是為了維持電壓恒定。電路參數方程為

由以上分析可知，電路作正向Buck和反向Boost運行時，被控制的電壓與Sw占空比呈不同的變化邏輯。這就為驅動電路提出了更高的要求。一般的控制驅動芯片不能提供這樣的功能。

圖3給出了閉環雙向恒壓控制的系統框圖，由外部控制腳(Select)控制通道選擇器，切換兩路被采樣的電壓信號。采樣得到的信號經分壓電阻分壓后，再經PI補償與三角波比較得到方波信號去控制驅動開關管，從而構成一個閉環的負反饋系統。

2 驅動電路設計
2．1 單向驅動脈沖的要求
雙向直流變換電路的工作原理同傳統的Buck及Boost變換器類似，當主開關管導通時，續流管關斷，當主開關管關斷時，續流管導通工作。所以兩管驅動脈動應互補，同時為了防止共通，發生短路而燒毀器件，必須設置死區。

2.2 雙向恒流控制的驅動設計
如圖4所示，B脈沖經D脈沖延時所得，其延時時間等于死區時間。互補帶延時的兩路控制脈沖可由以下邏輯獲得，，圖5給出了相應的硬件實現電路。

2.3 雙向恒壓控制的驅動設計
當采用恒壓型控制時，Buck和Boost電路各自的被控電壓隨主開關管的占空比D的變換邏輯剛好相反，因此，為了實現雙向直流變換，還須增加一個控制腳，以切換兩種工作模式下主開關管的定義，實現方法是交換兩路控制脈沖，用邏輯電路來實現，邏輯表達式為：

當，電路工作在正向Buck模式；相反，當K=0時，，SR=DB，電路工作在反向Boost模式。

根據上面的分析，圖6給出了雙向恒壓控制的控制驅動脈沖實現電路。

最后，需要指出的是，采用數字控制，系統更簡單，控制更靈活，抗干擾特性強，系統維護也方便，但考慮到單片機或DSP，數字信號處理器成本相對較高，故以上雙向同步整流變換控制的分析設計采用硬件電路實現。

3 實驗結果
正向Buck輸入電壓24v，輸出10v／6A；反向Boost輸入電壓10v，輸出24v／2.5A。

圖7和圖8為雙向恒壓控制時的驅動波形，控制K腳的電平邏輯可以實現兩路輸出脈沖的互換，從而滿足電路雙向工作時的驅動要求。圖9-圖12為雙向恒流和雙向恒壓控制下的輸出電壓和電流波形。

4 結語
本文是在Buck同步整流的基礎上，充分利用電路從拓撲上整合了Buck和Boost兩種變換器的特點，提出了雙向DC／DC變換，而并針對雙向恒壓控制和恒流控制兩種不同的控制方式，分析了對驅動電路的要求，并給出了各自驅動脈沖的實現方法。實驗結果與理論分析吻合。