基于单端正激模型的双向DC-DC变换器研究

摘要：本文对基于单端正激变换器的隔离式双向DC-DC变换器进行了研究，电路结构简洁，可应用于同步整流技术，具有高性能、成本低的优点。经过对其拓扑的分析，给出了各开关管工作时序，对正向和反向的工作原理进行了说明，结合参数设计要求，给出了电路各关键参数的选择方法，为了使变换器能够稳定有效工作，采取正向电压外环电流内环双闭环、反向电压单闭环控制的方式。最后通过试验，充分证明了该变换器的可行性和先进性。

叙词：双向变换 DC-DC 正激 参数选型 双闭环

Abstract：A kind of isolated bi-directional DC-DC converter based on the single-ended forward converter has been researched in this paper, which has the advantages of simple topology, low loss and high performance. This converter can also be used in the condition of synchronous rectification. Considering the characteristics of the circuit, driving signal waveforms of each switch are analyzed, while the working principle of both forward and reverse mode is introduced. Combining the requests of the system, the methods of choosing the key parameters are given. In order to ensure the efficiency and dynamic response, voltage and current dual-close loop control strategy is adopted in the forward conversion, while single voltage feedback is adopted in the reverse mode. The correctness and feasibility of this converter are verified through simulation tests.

Keyword：Bi-directional converter, DC-DC, Forward, Key parameters, Dual-close loop

1 引言

双向DC-DC变换器是DC-DC变换器的双象限运行，它的输入电压、输出电压极性不变，输入电流、输出电流的方向可以改变[1]。双向DC-DC变换器的构成和单向直流变换器类似，可通过对单向直流变换器适当的改造来实现。与传统采用两套单向DC-DC变换器来达到能量双向传输的方案相比，双向DC-DC变换器应用同一个变换器来控制能量的双向传输，使用的总体器件数目少，且可以更加快速地进行两个方向功率变换的切换。再者，在低压大电流场合，一般双向DC-DC变换器，更有可能在现成的电路上使用同步整流器工作方式，有利于降低通态损耗。总之，双向DC-DC变换器具有高效率、体积小、动态性能好和成本低等优势，现已被广泛应用于UPS系统、航天电源系统、电动汽车驱动及蓄电池充放电等场合[2-3]。

本文对基于单端正激变换器拓扑、带同步整流技术的双向DC-DC变换器进行了研究，对其电路结构、工作原理、控制方法进行了分析，在设定实验条件下给出了变换器参数选择方法，最后通过仿真试验，充分证明了设计理论的可行性。

2 电路结构

如图1所示，该变换器由变压器T及其磁复位电路，主开关管Q1、整流管Q2和续流管Q3，输出滤波环节L1、C2等部分组成。该拓扑适用于中、小功率场合，与同等功率等级的常见双向DC-DC变换器相比，该拓扑具有结构简洁、成本低、工作效率高、控制方法简单等特点，在工业应用中有一定的优势。

图1 主电路拓扑结构

3 工作原理

为便于分析，可假设负载为可充放电的蓄电池。电路控制能量正向流动时，主开关管Q1进行开关动作，控制传输能量的大小;变压器付边的整流管Q2和续流管Q3轮换投入工作以保证能量的正常传输。当系统输出的负载能量较大时，若任其流过Q2和Q3的体二极管，将产生很大导通损耗，降低系统效率并带来散热等问题。因此，该拓扑采用了同步整流技术，让负载电流通过导通电阻较小的MOS管，以提高装置的工作效率。另外，为防止整流管Q2和续流管Q3同时导通，造成变压器付边绕组的贯穿短路，两管的互补驱动信号还需加入一定的死区时间[4-5]。基于以上两点，能量正向传输时，Q1、Q2和Q3的导通时序可分为如图2所示的4个阶段，电路工作过程可按照这4个阶段分析。

图2 Q1、Q2和Q3的驱动信号时序图

阶段A(能量正向流动)：主管Q1和整流管Q2导通。输入电流I1流入变压器原边绕组的同名端，输出电流I2流出变压器付边绕组的同名端。此时能量由输入侧向负载侧传输的方式同传统的正激变换器基本一致，其电流流向如图3(a)所示，此过程到主管被触发关断时结束。

阶段B(死去时间1)：主管Q1和整流管Q2关断，续流管Q3仍未被触发导通，但其体二极管已经导通。由于变压器漏感的限制，变压器付边电流I2a由I2逐渐减小，而续流管体二极管电流I2b则由零开始逐渐增大，即I2由整流之路向续流支路换流，电流方向