應(yīng)用同步整流技術(shù)實現(xiàn)雙向DC／DC變換

時間：2006-11-07 03:16:00

關(guān)鍵字： DC 同步整流技術(shù) BSP 開關(guān)

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[導(dǎo)讀]在Buck同步整流技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分利用其電路的特點，提出了雙向直流變換器，并分析了其可行性。

摘要：在Buck同步整流技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分利用其電路的特點，提出了雙向直流變換器，并分析了其可行性。針對雙向恒壓和雙向恒流兩種控制方式，分析了各自的開關(guān)管驅(qū)動脈沖要求，并給出了相應(yīng)控制脈沖的實現(xiàn)方法。通過實驗加以驗證。
關(guān)鍵詞：雙向；同步整流；恒壓；恒流

0 引言
同步整流技術(shù)是近幾年研究的熱點，主要應(yīng)用于低壓大電流領(lǐng)域，其目的是為了解決續(xù)流管的導(dǎo)通損耗問題。采用一般的二極管續(xù)流，其導(dǎo)通電阻較大，應(yīng)用在大電流場合時，損耗很大。用導(dǎo)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(qū)動電路提出了更高的要求。

此外，對Buck電路應(yīng)用同步整流技術(shù)，用MOS管代替二極管后，電路從拓?fù)渖险狭薆uck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(yīng)用價值，如應(yīng)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?fù)?/B>
雙向同步整流電路拓?fù)淙鐖D1所示。當(dāng)電路工作于正向Buck時，Sw作為主開關(guān)管，當(dāng)Sw導(dǎo)通時，S_Ⅱ關(guān)斷，電感L儲能；當(dāng)Sw關(guān)斷時，SR導(dǎo)通續(xù)流，電感L釋能給輸出負(fù)載供電。當(dāng)電路工作于反向Boost升壓電路時，SR作為主開關(guān)管，當(dāng)SR導(dǎo)通時，Sw關(guān)斷，電感L儲能；當(dāng)SR關(guān)斷時，Sw導(dǎo)通續(xù)流，電感L釋能給輸出負(fù)載供電。

1．2 參數(shù)設(shè)計
    設(shè)置電感L是為了抑制電流脈動，因此其設(shè)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(guān)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(shè)計依據(jù)是電壓紋波要求，因此兩個電容的參數(shù)設(shè)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(yīng)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(dāng)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(dāng)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(yùn)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(guān)管，控制電路直接對Sw進(jìn)行控制，SR則采用互補(bǔ)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(yùn)放放大，經(jīng)PID補(bǔ)償后與三角波比較得到方波信號去控制驅(qū)動開關(guān)管，從而構(gòu)成一個閉環(huán)的負(fù)反饋系統(tǒng)。

1．4雙向恒壓型控制
    1)當(dāng)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(dāng)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(yùn)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(qū)動電路提出了更高的要求。一般的控制驅(qū)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(bǔ)償與三角波比較得到方波信號去控制驅(qū)動開關(guān)管，從而構(gòu)成一個閉環(huán)的負(fù)反饋系統(tǒng)。

2 驅(qū)動電路設(shè)計
2．1 單向驅(qū)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(dāng)主開關(guān)管導(dǎo)通時，續(xù)流管關(guān)斷，當(dāng)主開關(guān)管關(guān)斷時，續(xù)流管導(dǎo)通工作。所以兩管驅(qū)動脈動應(yīng)互補(bǔ)，同時為了防止共通，發(fā)生短路而燒毀器件，必須設(shè)置死區(qū)。

2.2 雙向恒流控制的驅(qū)動設(shè)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。互補(bǔ)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(yīng)的硬件實現(xiàn)電路。

　

2.3 雙向恒壓控制的驅(qū)動設(shè)計
    當(dāng)采用恒壓型控制時，Buck和Boost電路各自的被控電壓隨主開關(guān)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(guān)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(dá)式為：



    當(dāng)，電路工作在正向Buck模式；相反，當(dāng)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(qū)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(qiáng)，系統(tǒng)維護(hù)也方便，但考慮到單片機(jī)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(shè)計采用硬件電路實現(xiàn)。

3 實驗結(jié)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(qū)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(qū)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(jié)語
    本文是在Buck同步整流的基礎(chǔ)上，充分利用電路從拓?fù)渖险狭薆uck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(qū)動電路的要求，并給出了各自驅(qū)動脈沖的實現(xiàn)方法。實驗結(jié)果與理論分析吻合。