在Buck同步整流技術(shù)上實現(xiàn)雙向直流變換器

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，電路從拓撲上整合了Buck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 電路拓撲
??? 雙向同步整流電路拓撲如圖1所示。當電路工作于正向Buck時，Sw作為主開關(guān)管，當Sw導(dǎo)通時，Sw關(guān)斷，電感L儲能；當Sw關(guān)斷時，SR導(dǎo)通續(xù)流，電感L釋能給輸出負載供電。當電路工作于反向Boost升壓電路時，SR作為主開關(guān)管，當SR導(dǎo)通時，Sw關(guān)斷，電感L儲能；當SR關(guān)斷時，Sw導(dǎo)通續(xù)流，電感L釋能給輸出負載供電。

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進行控制，SR則采用互補控制。

??? 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放放大，經(jīng)PID補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)的負反饋系統(tǒng)。

1．4雙向恒壓型控制
??? 1)當電路工作在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，當主開關(guān)管導(dǎo)通時，續(xù)流管關(guān)斷，當主開關(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，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)，邏輯表達式為：

???

??? 當，電路工作在正向Buck模式；相反，當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，系統(tǒng)維護也方便，但考慮到單片機或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，充分利用電路從拓撲上整合了Buck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。