改进相移控制双向DC/DC变换器原理及控制设计

范海峰  赵川红  徐德鸿  (浙江大学, 杭州  310027)

Abstract: An improved phase-shift bidirectional DC/DC converter is proposed，PWM control and phase-shift control are combined to reduce current stress and expand soft-switch range. Therefore conversion efficiency is improved. The design scheme of the converter is explained. At last experiment result is given.

Keywords: phase-shift control  PWM control  bidirectional DC/DC converter

1  引  言

双向DC/DC变换器[1,2]可广泛应用于直流不停电电源系统、航天电源系统、电动汽车等应用场合。与传统的采用两套单向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实现能量的双向传输。而且，在低压大电流场合，双向DC/DC变换器采用同步整流器工作方式，降低通态损耗。总之，双向DC/DC变换器具有高效率、体积小、动态性能好和低成本等优势。

图1  相移控制双向DC/DC变换器

图1为一种零电压开关隔离式双向DC/DC变换器的原理框图[3]，在变换器隔离变压器的两端各有一个变换单元。变换器的功率传输由两个变换单元的相移控制实现。电感L1由变换器隔离变压器的漏感和外加电感组成。相移控制双向DC/DC变换器工作原理的概念图表示在图2（a）中，变压器两端的变换单元可以各自等效成为占空比为0.5且正负等幅的方波电源。工作波形如图3（a）所示。V1、V2分别为其标称值，且 ，其中 为变压器原副边的匝比。这样方波电源±V1/2和方波电源±NV2幅值相等。方波电源±V1/2的相位超前于方波电源±NV2，能量从直流源V1传输到直流源V2。此时电感L1中的电流为平顶。而当V1或V2偏离标称值时，方波电源±V1/2与方波电源±NV2不再匹配，如 ，电感L1电流的峰值显著增加，如图3（b）所示。于是就增加输入与输出之间无功功率的交换，也增加功率器件、磁性元件的电流应力和损耗。相移控制双向DC/DC变换器的输入、输出电压不匹配会导致电路中的电流应力显著增加，并破坏软开关条件，造成变换器的效率下降。

本文提出了一种改进相移的控制方法，在相移控制的基础上，根据方波电源±V1/2和方波电源±NV2幅值，跟踪调节开关器件驱动脉冲的占空比D，概念图如图2（b）所示。开关器件驱动脉冲对PWM占空比的控制，相当于在电路中加入一个变压器，将两个方波电源的电压幅值调整到新的平衡点。当 时的方波电源的正负幅值分别相等，如图3（c）所示。它与传统相移控制相比，减小了电流的峰值和有效值，从而减小变换器的损耗。此外，可以证明改进相移控制可以拓展ZVS工作范围[4]。本文重点介绍改进相移控制的实现方法。

（a）相移控制                             （b） 改进相移控制

图2  双向直流变换器的概念图

(a)传统相移控制的原理波形        (b) 传统相移控制的原理波形       (c) 改进相移控制的原理波形

当 时                当 时                    当 时

图 3  两种控制方式下，当输出电压变化时的原理波形

2        改进相移控制电路的设计

图4为改进相移控制策略框图。采用相移控制IC UC3875产生相位差为 的两路脉冲信号g1与g2，g1和g2分别输入两片PWM控制IC UC3525的Sync端作为同步信号，使得UC3525的输出脉冲信号g3和g1的相位相等，g4和g2的相位相等，这样就保证了g3和g4之间的相位差也为 。由NV2和V1经除法器得到PWM的占空比 ，并送入UC3525 N.I.Input端，调节UC3525输出脉冲信号g3、g4的占空比D，得到占空比D和它们之间的相移角 都可调的脉冲信号g3与g4，这样就实现了电子变压器的作用。为了实现功率的双向控制，设计了正反向切换电路，正反向切换电路采用带控制端的多路选择器CD4019来实现驱动信号的g5与g6相序变换，芯片控制端的电平变化通过开关SW和非门CD4049来实现。

驱动信号通过光耦6N137进行隔离。经过光耦隔离后的逻辑信号通过双通道高压、

高速功率器件驱动器IR2110驱动主电路中的功率MOSFET。

图4  改进相移控制策略框图

 图5  用UC3875组成的相移控制                     图6  由UC3525构成的脉宽调制

     系统实际外围电路图                                电路的具体外围电路图

UC3875是针对相移控制方案推出的控制芯片，适用于全桥变换器中驱动四个开关管。内部主要包括：工作电源，基准电源，振荡器，锯齿波，误差放大器和软启动，移相控制信号发生电路，过流保护，死区时间设置，输出级。用UC3875来产生一组相移可调的脉冲g1和g2，UC3875与外围电路见图5。UC3875的振荡器工作在自激方式，FREQ端外接电阻、电容，设定振荡器输出频率f为100kHz。 UC3875的OUT A、OUT B和OUT C、OUT D输出两个占空比略小于50％的互补脉冲信号。UC3875的OUT A和OUT C输出驱动脉冲g1、g2分别作为两片UC3525的外同步信号端Sync的输入，由UC3525实现对UC3875输出的相移驱动信号的脉宽调制

UC3525 PWM控制IC由基准电压UREF、振荡器、误差放大器比较器、分相器、输出级、软启动及保护电路等组成。这里UC3525工作在外同步状态，其工作频率与UC3875相同，也为100kHz。由UC3525构成的脉宽调制电路的具体外围电路如图6所示。

3        实验结果

实验时主要电路参数如下：输入电压V1=48V，输出电压额定值为24V，其实际工作范围为24V～30V，额定功率为100W，变压器变比NP:NS=1:1，激磁电感LM=1mH，输出滤波电感LO=140uH，隔直电容Ct1=Ct2=13uF，钳位电容Cc1=2.2uF，开关频率fs=100kHz，MOSFET M1～M4: IRF540。 改进相移控制方式时，电感L1取为2.8uH。为了进行比较，也对传统相移控制方式进行了实验。传统相移控制方式实验中，最佳电感值根据最小平均峰值电流来决定，计算得最佳电感L1=4.4uH。

图7为改进相移控制双向DC/DC在占空比为D=0.3，移相角为 时主开关驱动信号波形。其中图7（a）为功率开关M1和M3的相移驱动信号波形，图7（b）为功率开关M1和M2的互补驱动信号波形；占空比为0.5，移相角为 时主电路驱动信号波形如图8所示，其中图8（a）为主电路中M1和M3的相移驱动信号波形，图8（b）为M1和M2的互补驱动信号波形。由图7和图8对照可知本电路能在相移控制的基础上实现PWM的功能。

图9当输出电压为30V、输出功率为100W时，改进相移控制方式下的电感L1电流波形及开关管M1和M3的漏源电压Vds波形。图10为输出电压30V、输出功率30W时改进相移控制方式下的电感L1电流波形及开关管M3的栅源电压Vgs和漏源电压Vds波形。所以改进相移控制能拓宽软开关范围，从而提高变换器的效率。

（b）M1和M2的互补驱动信号波形(2.5 s/div)

图7  占空比D=0.3相移 时

MOSFET驱动信号波形

(a) M1和M3的驱动信号波形 (2.5 s/div)

图10输出电压30V、输出功率30W时改进相移控制方式下的电感L1电流波形及开关管M3的栅源电压Vgs和漏源电压Vds波形(2 s/div)

图11是当输出功率分别为100W和30W时，相移控制方式和改进相移控制方式下的变换器效率与输出电压的关系。图11表明改进相移控制方式能在较大负载范围提高变换器的效率。

4  结  论

 本文提出了改进相移控制双向DC/DC变换器的控制电路的设计方法，该电路能在相移控制的基础上实现PWM控制，这种控制方法减小了变换器的电流应力，并且拓宽软开关范围，从而提高了变换器的效率。

图 11相移控制和改进相移控制下的变换器效率与输出电压的关系

致谢

本文得到教育部骨干教师资助计划和台达电力电子科教发展基金的资助。

参考文献:

[1] K. Venkatesan. Current mode controlled bidirectional flyback converter[C]. PESC’89: 835-842.

[2] K. Wang, C. Y. Lin, L. Zhu, D. Qu, F. C. Lee, J. S. Lai. Bi-directional dc to dc converters for fuel cell systems[J]. IEEE Trans. on P. E. 1998: 47-51.

[3] Gang Chen, Dehong Xu, Yousheng Wang, Yim-Shu Lee. A New Family of Soft-Switching Phase-shifted Bidirectional DC-DC converters[C]. PESC’01: 859-865.

[4] 赵川红，陈刚，徐德鸿.一种改进相移控制双向DC/DC变换器[J].机电工程增刊，2001,69-73.

作者简介:

范海峰（1978—）  男，湖北襄樊人，硕士研究生。研究方向为电力电子技术。

赵川红（1977—）  女，浙江余姚人，硕士研究生。研究方向为软开关变换器等。

徐德鸿（1961—）  男，浙江杭州人，教授，博士生导师，研究方向为高频半导体功率变化技术、先进控制在电力电子中的应用和谐波抑制与电力品质等。