基于同步整流技术的全数字双向DCDC变换器的研制

电力电子

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《电气应用》!""#年第!$卷第%!期

基于同步整流技术的全数字双向!／"!"

变换器的研制

吴　　　　　　峂金新民

童亦斌

（北京交通大学电气工程学院!）"""##

摘

要

提出了一种新颖的双向$／%$%变换器。该变换器采用全数字控制，并应用同步整

流技术，使得整个设计具有高效率、高控制性能、能量可双向流动等特点，该变换器的控制核心为&’()(&*公司的基于+,-.内核的)&%/!!0微控制器。介绍了系统的基本构成，分析了电路的工作原理，并给出了最终的实验结果。

关键词

同步整流

数字控制

脉宽调制

双向$／%$%变换器

#引言

为了实现直流能量的双向传输，双向$／%$%变换器被广泛应用于1&*系统、航天电源

系统、电动汽车驱动及蓄电池充放电维护等场合。

在这些应用当中，常要求开关电源不仅能够控制能量的双向流动，还要能够实现低压、大电流的输出。$／%$%变换器性能的好坏很大程度上取决于系统效率的高低。在开关频率不太高的情况下，随着输出电压的降低、输出电流的增加，整流损耗就成了影响开关电源效率的主要因素。

在以往的电源设计当中，模拟控制技术因其动态响应快、无量化误差、价格低廉等优点而被广泛应用；而数字控制技术则由于其成本和技术等方面的因素而较少得到应用。近年来，随着半导体技术的不断发展，数字微控制器的成本显著降低、性能不断提高，使高频开关电源的全数字化成为可能。

因此，基于以上所述内容，为了在控制能量双向流动并能够输出低压、大电流的同时，提高系统效率、降低整流损耗，同时考虑到数字控制具有简化系统硬件设计、减少分立元件的数量、改善系统可靠性等优点，本文提出了一种基于同步整流技术的全数字双向$／%$%变换器，并介绍了系统的软、硬件构成，详细阐述了电路的工

$系统介绍

$%#系统基本说明

系统的整体构成如图!所示。图中点画线框内为系统的控制部分，其余为主电路部分。

图!系统整体结构图

在系统的控制电路中，核心处理器是&’()(&*公司的基于+,-.内核的)&%/!!0微控制器。其具有高性能、低成本、低功耗等诸多优点，很适合应用于对成本和性能都有严格要求的工业控制领域。负责+／$转换的是/#位高精度的+／$转换器%*2#3"+，它同样具有低成本、高性能的特点，以往在各类电表中有着广泛的应用。

控制电路工作时，%*2#3"+在获得系统输出电压、电流量的模拟信号后，将它们转变为数字量，并通过专用总线传给%/。得

!"!

到这些信息以后先对其进行数字滤波等软件处理，然后再将其作为反馈量，用于控制算法的运算，得到控制量及其相应的驱动信号，最终控制主电路开关管的动作。!"!

双向!"#!"全数字控制的软件实现

如前所述，出于简化控制电路结构、增加系

由’)、&,、/!+组成的.)的吸收电路；变压器0以及为其一次侧进行磁复位的第三绕组和为其二次侧进行磁复位的由’+、&-、/!,组成的钳位电路；整流管.+、续流管.,和输出滤波环节(、&+等几部分。

统可靠性等方面的考虑，系统的控制电路采用全数字化设计。要实现期望的控制功能，除了在上面介绍的基本控制电路外，恰当的控制策略也不可或缺。

在控制策略方面，本文选择了增量式数字$%算法。该算法的主要优点为：!计算不用做累加，控制量的确定仅与最近几次误差采样值有关，即其误差不累积。"其每次输出的是控制量的增量，误动作影响小。在$%算法中，比例部分能够改善系统的动态性能，而积分部分则能够减小系统的稳态误差，理论上可实现无静差的输出。离散化后的数字$%算法表达式为

（"）!&"#（$"）’"%!（$%）

%&("

（)）

式中，"#为比例系数；"%为积分系数，$（"）为本次误差，!（"）为本次控制量输出。

由式（)）递推可以得到

（"*)）!&"#（$"*)）’"%!（$%）（+）

%&(

式（)）减去式（+）可得到增量式数字$%控制算法的表达式

（"）］（,）&"［$"）*（$"*)）’"%（$"）#!#（

式（,）中的#!（"）即为数字调节器输出的控制量的增量。所以，控制算法最终输出的控制量为

（"）（"*)）（"）（-）!&!’#!

在装置的实际工作中，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上文所述的增量式$%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。

"*)

#电路工作过程分析

本文提出的主电路拓扑如图+所示，主要包

括：电源输入侧滤波电容&；主开关管.以及

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!压器一次绕组的同名端，输出电流流出变压器二次绕组的同名端。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!"中所示。图中的!#代表变压器一次侧电流，!$代表变压器二次侧电流（下同）。

此过程直到主管被触发关断时才会结束。

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（>）

.:

式中，(.代表输出电压；(=代表变压器二次侧

的管压降和输出滤波电感的压降，’为主管%#

+*)

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（"）输出滤波电感&的计算

要计算输出滤波电感的电感量，首先应确定流经电感的电流!’&的大小。从电感线圈的外形尺寸、成本、过渡响应等方面考虑，!’&取输出电流’’的/267526比较合适。在本文中，为了更好地限制输出电流中的纹波含量，取!’&为输出电流’’的/26。综上，由下式可求得电感&的大小

&&

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（/5）

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（5）输出电容("的计算

输出电容的大小主要由输出纹波电压抑制为几毫伏而确定，也就是由!’&以及输出电容的等效串联电阻9:;确定。通常输出纹波电压取为输出电压的2<5672<!6。在本文中纹波电压取2<56。所以，可求得

!!32<225*!’

（/=）&

!’&!’&

在求出9;:后，即可根据厂家提供的产品手

9:;&

册选取合适的滤波电容。

（.）

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!实验结果

实验样机的主要原件选型及设计参数如下：

若一次侧电压!/的最小值为!/#$%，则可求得变比为

!#&

!/#$%

由于变压器二次侧绕组匝数#"为

#"&

!"#$%*"’%#,-$#*%

（1）（0）

主管为>?+@A>?（日立）的":B/5/.，整流管和续流管采用的是?;C5025，变压器 …… 此处隐藏：3846字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……