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基于微控制器的全数字双向DC/DC变换器的研制

时间:10-30 来源: 点击:

在装置的实际工作当中,若负载为铅酸蓄电池,则当能量正向流动(充电)时,系统可根据需要分别应用电压闭环或电流闭环来控制装置的输出电压和输出电流。电压、电流闭环采用的就是本文所述的增量式PI算法;当能量反向流动时,出于实际应用的需要,系统只对负载(蓄电池)侧进行恒流控制。

2 电路工作过程分析

本文提出的主电路拓扑如图2所示,主要包括:电源输入侧滤波电容C1;主开关管S1以及由R1、C2、D2组成的S1的SNUBBER电路;变压器T以及为其原边进行磁复位的第三绕组和为其副边进行磁复位的由R2、C3、D3组成的钳位电路;整流管S2、续流管S3和输出滤波环节L及C4等几部分。

2.1 能量正向流动时工作过程分析

为便于分析,假设此时负载为一只蓄电池。电路控制能量正向流动时,主电路每周期的工作总的来说可分为两个阶段,即正向流动阶段和续流阶段。但为了防止整流管S2和续流管S3同时导通造成变压器副边的贯穿短路,两管的互补脉冲需要加入死区,因而最终电路的工作过程可分为4部分。主管S1、整流管S2、续流管S3的驱动信号如图3所示,图3中的l至4即分别对应了电路工作的4个阶段。

当能量正向流动时,若输出电流流过管压降较大的M0S管寄生体二极管,则会带来很大的整流损耗和续流损耗。为此,我们应用了同步整流技术,使电流流过导通电阻只有6mΩ的MOS管,大大地减小了损耗、提高了效率。以下便是能量正向流动时4个工作阶段的详细分析。
阶段l(能量正向流动) 此阶段开始时,主管S1和整流管S2被触发导通。输入电流流入变压器原边绕组的同名端,输出电流流出变压器次边绕组的同名端。此时能量由输入侧向负载侧传输的方式同传统的单端正激变换器基本一致,其电流流向如图4(a)中所示。图4(a)中的i1代表变压器原边电流,i2代表变压器副边电流(下同)。此过程直到主管关断时才会结束。

阶段2(死区时间1) 此阶段刚开始时,主管S2和整流管S2关断,续流管S3仍未导通但其体二极管已经导通。由于变压器漏感的限制,变压器副边的电流由输出电流逐渐减小,而流过续流管体二极管的电流则由零开始逐渐增大。在此阶段中,输出电流在由整流回路向续流回路转换。此过程电流方向如图4(b)中所示。图(b)中的i2a、i2b分别表示负载电流流经整流管和续流管的两部分。
阶段3(续流阶段) 在此阶段开始时,续流管S3被触发导通,所以输出电流主要经由S3续流,因而损耗大为降低。此阶段将持续到续流管S3关断时才会结束,其电流流向如图4(c)所示。
阶段4(死区时间2) 此阶段刚开始时,续流管S3关断,但其体二极管仍导通续流。输出电流完全经由续流管的体二极管进行续流。此阶段直至主管导通以后才会中止。此过程电流方向如图4(d)所示。至此,主电路一周期的工作已经结束。当电路下一次的动作时,主管S1和整流管S2又会导通,电路又重新进入阶段1时的工作状态。

2.2 能量反向流动时工作过程分析

在能量反向流动时,电路的工作过程与BOOST电路基本一致,可大体分为两个阶段。
阶段l(续流) 此阶段当中,续流管导通、整流管关断,蓄电池放电电流i1流过电感线圈L,电流线性增加,电能以磁能形式储在电感线圈L中。此过程电流方向如图5(a)所示。

阶段2(反向放电) 此阶段当中,续流管关断、整流管导通。电感L将其中储存的磁能转化为电能与蓄电池一起向输入侧放电。其电流流向如图5(b)中所示。

2.3 变压器、电感、电容参数的选取

综合电源体积、系统效率、控制精度、器件耐压等诸多因素的考虑,本文选取的工作频率f=55 kHz,T=1/f,最大占空比Dmax为0.4,则主管S1的最大导通时间toNmax为

2.3.1 变压器的计算

变压器副边电压Vs按式(6)计算。

式中:Vo代表输出电压;
Vf代表变压器副边的管压降和输出滤波电感的压降。
则变压器副边最低电压应为

若输入电压Vp的最小值为VPmin,于是可求得变比n为

式中:Bm为铁心的最大工作磁通密度;
S为变压器磁芯的有效截面积。
因此,可求得变压器原边绕组匝数N1为:

在计算第三绕组时,首先应根据伏秒积平衡的原则计算复位电压Vr为

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