關鍵詞:雙向;同步整流;恒壓;恒流
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(xù)流管的導通損耗問題。采用一般的二極管續(xù)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(xiàn)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(xiàn)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,SⅡ關斷,電感L儲能;當Sw關斷時,SR導通續(xù)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(xù)流,電感L釋能給輸出負載供電。
1.2 參數(shù)設計
設置電感L是為了抑制電流脈動,因此其設計依據(jù)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(jù)是電壓紋波要求,因此兩個電容的參數(shù)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(shù)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(shù)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(huán)雙向恒流控制的系統(tǒng)框圖,電流經(jīng)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(jīng)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(huán)的負反饋系統(tǒng)。
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(shù)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(shù)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(huán)雙向恒壓控制的系統(tǒng)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(jīng)分壓電阻分壓后,再經(jīng)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(huán)的負反饋系統(tǒng)。
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(tǒng)的Buck及Boost變換器類似,當主開關管導通時,續(xù)流管關斷,當主開關管關斷時,續(xù)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(fā)生短路而燒毀器件,必須設置死區(qū)。
2.2 雙向恒流控制的驅動設計
如圖4所示,B脈沖經(jīng)D脈沖延時所得,其延時時間等于死區(qū)時間?;パa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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)方法是交換兩路控制脈沖,用邏輯電路來實現(xiàn),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(jù)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(xiàn)電路。
最后,需要指出的是,采用數(shù)字控制,系統(tǒng)更簡單,控制更靈活,抗干擾特性強,系統(tǒng)維護也方便,但考慮到單片機或DSP,數(shù)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(xiàn)。
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(xiàn)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(xiàn)方法。實驗結果與理論分析吻合。