升降壓雙向直流變換器

1、雙向直流-直流變換器的設(shè)計(jì)與仿真姓名：張羽學(xué)號(hào)：109081183指導(dǎo)教師：李磊院系：動(dòng)力工程學(xué)院摘要：本文選取了一種以Buck-Boost變換器為基礎(chǔ)的雙向DC-DC變換器進(jìn)行關(guān)鍵字：雙向了研究，設(shè)計(jì)了一種隔離型Buck-Boost雙向DC-DC變換器。并根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)， 對(duì)變壓器、輸出濾波器、功率開關(guān)等進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，并使用saber仿真軟件完成 了這種帶高頻電氣隔離的拓?fù)涞姆抡?。DC-DC變換器 Buck-Boost變換器 saber仿真軟件 uc38420弓|言所謂雙向DC-DC變換器就是實(shí)現(xiàn)了能量的雙向傳輸，在功能上相當(dāng)于兩個(gè) 單向DC-DC。它的輸入、輸出電壓極性不變，但輸入、輸出電流

2、的方向可以改 變。是典型的“一機(jī)兩用”設(shè)備。在需要雙向能量流動(dòng)的應(yīng)用場合可以大幅度減 輕系統(tǒng)的體積重量及成本。近年來,雙向DC/DC變換器在電動(dòng)汽車、航天電源系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)以及 分布式發(fā)電系統(tǒng)等方面得到了廣泛應(yīng)用。1基本電路的選取DC-DC功率變換器的種類很多。按照輸入/輸出電路是否隔離來分，可分為 非隔離型和隔離型兩大類。非隔離型的DC-DC變換器又可分為降壓式、升壓式、 極性反轉(zhuǎn)式等幾種；隔離型的DC-DC變換器又可分為單端正激式、單端反激式、 雙端半橋、雙端全橋等幾種。下面主要討論非隔離型升壓式DC-DC變換器的工 作原理。本文選取Buck-Boost雙向DC-DC變換器進(jìn)行了仿真實(shí)

3、驗(yàn)。2 Buck-Boost 雙向 DC-DC 變換器2.1 Buck-Boost 變換器將Buck變換器與Boost變換器二者的拓?fù)浣M合在一起，除去Buck中的無源 開關(guān)，除去Boost中的有源開關(guān)，如圖所示，稱為升降壓變換器。它是由電壓源、 電流轉(zhuǎn)換器、電壓負(fù)載組成的一種拓?fù)?，中間部分含有一級(jí)電感儲(chǔ)能電流轉(zhuǎn)換器。 它是一種輸出電壓既可以高于也可以低于輸入電壓的單管非隔離直流變換器。Buck-Boost變換器和Buck變換器與Boost變換器最大的不同就是輸出電壓的極 性和輸入電壓的極性相反，輸入電流和輸出電流都是脈動(dòng)的，但是由于濾波電容 的作用，負(fù)載電流應(yīng)該是連續(xù)的。圖2.1 Buck-B

4、oost變換器的拓?fù)?.2非隔離Buck-Boost雙向DC-DC變換器的原理及參數(shù)計(jì)算如圖2.2所示，將Buck-Boost變換器中的功率二極管與可控功率器件（如Power MOSFET IGBT等）并聯(lián)，再將可控功率器件與功率二極管并聯(lián)，就構(gòu)成了非隔離Buck-Boost雙向DC-DC變換器。圖2.2非隔離Buck-Boost雙向DC-DC變換器的拓?fù)溥@種電路的主要優(yōu)點(diǎn)是，電壓增益隨占空比的變化可以降壓也可以升壓， 同時(shí)電路的結(jié)構(gòu)比較簡單。但同時(shí)也存在一些不足之處，如不適用于大功率場合 下的應(yīng)用等等。非隔離Buck-Boost BDC的工作原理與Buck-Boost電路類似，但是實(shí)現(xiàn)了 能

5、量的雙向流動(dòng)?，F(xiàn)以能量從左向右流動(dòng)時(shí)的情況對(duì)電路原理進(jìn)行簡要說明。當(dāng)開關(guān)管T1 導(dǎo)通時(shí)，二極管D2反偏截止，電感由直流電源充電，而負(fù)載電壓由電容C2維 持。當(dāng)T1關(guān)斷時(shí)，D2正偏導(dǎo)通，將原先存儲(chǔ)在電感中的能量釋放出來，一方面 向負(fù)載供電，另一方面向C2充電。在這兩種狀態(tài)的情況下，輸出電壓的極性和 輸入電壓的極性都是相反的，也就是說，電路的直流增益小于0。對(duì)于能量從右向左流動(dòng)時(shí)的情況而言，電路原理是一致的，在此就不重復(fù)說 明。在非隔離Buck-Boost BDC的情況下，可以對(duì)電路中的功率開關(guān)、輸出濾波 器等器件進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。在仿真實(shí)驗(yàn)中，開關(guān)管選擇MOSFET，開關(guān)頻率為20kHz，負(fù)載為0.

6、5歐。設(shè)計(jì)指標(biāo)：輸入電壓Ui=24V；輸出電壓Uo=12V；輸出電流Io=20A；輸入、輸出要有高頻電氣隔離；輸出電壓紋波Vpp200mV；輸出濾波電感電流紋波Ipp 0.04184cm43.2繞組計(jì)算計(jì)算變壓器初級(jí)電感量DCM模式，最大輸出功率時(shí)電流臨界連續(xù)，所以L= ULJqnmax n = 242 x (20 x 10-6)2 x 0.8 = 7.68 x 10-6H1max P2T240 x 2 x 50 x 10-6計(jì)算磁芯上所開氣隙的長度0T U 2 T 2 日 N 2 S mL =i min_ON max n = 4_C x 10-81max P2T5e UTAB =iON NS

7、c x 10 -8根據(jù)以上兩式，可得磁芯上所開氣隙長度5為5 = 2Pm乂 匕=2 x 240 x50 x 10-6 x 0.4兀=0.03166cmAB2SCn x 10-817002 x 0.4118 x 0.8x 10-8計(jì)算原邊繞組匝數(shù)7.68 x 10-6 x 0.03166 x 108 = 6.8560.4k x 0.4118取N=7匝。10.4 x 240.6 x 121.333計(jì)算匝比，確定各副邊繞組匝數(shù)n 1 = ON maxi min12 N (T - T)(U + U )UD為輸出整流二極管壓降。取副邊繞組匝數(shù)為N2=N1/n12=7/1.333=5.25=5根據(jù)N1來校

8、核原邊電感，并計(jì)算各副邊電感L1maxN X 10-88 X10-6 H略大于計(jì)算值7.68uHL 村；%Sc x 10-8 4.08 x 10-6 H2maxO計(jì)算變壓器原副邊繞組電流有效值變壓器原邊電流峰值為I -2P-2x 288- 75A1p U D 門 24 x 0.4 x 0.8 各副邊電流峰值為I - 2馳2- 2 X 2 X 3-1.5625A2p U D 門 24 x 0.4 x 0.8原邊電流有效值為27.386A副邊電流有效值為I20.7 A確定原副邊導(dǎo)線線徑和股數(shù)取j=500A/cm2，根據(jù)S=I/j可得，原副邊導(dǎo)線截面積為S1=0.054772cm2,S2=0.001

9、4cm2。選用d=0.23mm的導(dǎo)線，其截面積為0.0415mm2。N并繞根數(shù) =5.4772/0.0415=131.98 根，取 132 根；N2 并繞根數(shù)=0.14/0.0415=3.37 根，取 3 根。4驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)中用到兩個(gè)開關(guān)管，也就是需要兩路相位互補(bǔ)的PWM波驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn) 所用到的MOSFET管。仿真實(shí)驗(yàn)所選用得uc3842芯片是一種高性能的單端輸出式電流型PWM控制 器。電流控制環(huán)由PWM鎖存器、電流檢測比較器、誤差放大器和鋸齒波振蕩電 路組成。該芯片能產(chǎn)生頻率固定而脈沖寬度可以調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用外部元件Rt和 Ct可設(shè)定振蕩頻率，并精確地控制占空比?？赏ㄟ^控制開關(guān)管的通

10、斷狀態(tài)來調(diào) 節(jié)輸出電壓的高低，達(dá)到穩(wěn)壓目的。二 1.8f o Rt * CT由于仿真實(shí)驗(yàn)的頻率設(shè)定為20kHz，可選取Rt為16KQ，Ct為5.6nf。Buck-Boost變換器傳統(tǒng)的控制方式有幾種，其中之一為電壓型控制。通過檢測輸出電壓進(jìn)行單環(huán)反饋控制，電路參數(shù)的任何變化只有在引起輸出電壓變化后 才能引起控制環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，由于反饋電路采用積分環(huán)節(jié)，因此對(duì)輸入電壓和負(fù) 載變化的響應(yīng)速度慢。在uc3842芯片中使用的是電流型控制。電流型控制是根據(jù)主（功率）電感電 流的變化來調(diào)節(jié)占空比。電流型控制的管腳是CS腳。同時(shí)，控制環(huán)路通過vfb 腳對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制。所獲得的電壓通過vfb腳與uc3842

11、芯片中的內(nèi)部2.5V 電源進(jìn)行比較。5.6n4.0 7p 2.U -0.0 -0.0 20.Qrri 40.0rnCi.O-20.03.0 m3 AmvccutputcompPjvgnd-.fbuc38422 .01.5-_1.0 -0.50.0-fi S .MMil111111111118.0m 18.5 m 19.0 m 19.5m 20.0 m 20.5 m 21.0 m1I：I圖4.1 uc3842外圍電路及部分仿真波形由圖4.1可見，output端輸出的PWM波頻率為20 kHz，vfb腳上的電壓穩(wěn)定 在2.5v，CS腳上的電壓在0-1V間脈動(dòng)。也就是說，電流型控制起到了作用，保 證

12、了電路輸出達(dá)到所需要的幅值。由于要同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)開關(guān)管，同時(shí)這兩個(gè)開關(guān)管的所需的驅(qū)動(dòng)波形應(yīng)該是相 位互補(bǔ)的PWM波，那么就可以在output的輸出上外接一個(gè)反相器，輸出另一路 PWM 波。5隔離型Buck-Boost雙向DC-DC變換器的仿真在saber仿真中所使用的開關(guān)管型號(hào)是apt50m60jn。這是一種使用較為廣 泛的MOSFET管，在仿真中所選取的20kHz的頻率下工作性能較為良好。 功率開關(guān)管上承受的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力分別為U = U + N U = 24 + 3.5*12 = 66VDS max i max N 22I =2一二 2x288 = 75 Aip U D 門 24 x 0

13、.4 x 0.8開關(guān)管apt50m60jn能夠滿足承受如上的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力的要求。根據(jù)第3節(jié)高頻變壓器T的參數(shù)設(shè)計(jì)，原邊繞組匝數(shù)取7,副邊繞組匝數(shù)取5, 原邊電感值取8uH,副邊電感值取4.08uH。濾波電容值計(jì)算所得為 廠、5x50 x 10-6C = 5.21mF8 x 0.01x 0.6仿真中濾波電容取8mF，負(fù)載電阻取0.6歐。通過saber中的電流傳感器測量輸出端的電流。圖5.1仿真總線路圖圖5.2仿真的輸出電壓圖5.3仿真的輸出電壓紋波30.010.0-0.0-圖5.4仿真的輸出電流-10.0-1一0.10.0圖5.5仿真的輸出電流紋波由圖5.15.5可知，仿真基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。在輸入電壓Ui=24V的情況下，輸出電壓Uo=12V，輸出電流Io=20A。由圖5.3可見，輸出電壓紋波Vpp基本小于200mV由圖5.5可見，輸出電流紋波Ipp基本小于400mA由于二極管和開關(guān)管都反向并聯(lián)，所以能夠?qū)崿F(xiàn)雙向功率流。P = j DTsU Ltdt = Ui D2Ts =300Wi T o i L2 %P = U I =240W通過計(jì)算可知，在占空比為0.4的情況下，輸入功率為300W，輸出功率為240W， 變換效率為80%。在仿真以后發(fā)現(xiàn)，在使用measurement tool工具對(duì)電源電流取平均值后，