在Buck同步整流技术上实现双向直流变换器

在Buck同步整流技术上实现双向直流变换器

在Buck同步整流技术的基础上，充分利用其电路的特点，提出了双向直流变换器，并分析了其可行性。针对双向恒压和双向恒流两种控制方式，分析了各自的开关管驱动脉冲要求，并给出了相应控制脉冲的实现方法。通过实验加以验证。
关键词：双向；同步整流；恒压；恒流

0 引言
    同步整流技术是近几年研究的热点，主要应用于低压大电流领域，其目的是为了解决续流管的导通损耗问题。采用一般的二极管续流，其导通电阻较大，应用在大电流场合时，损耗很大。用导通电阻非常小的MOS管代替二极管，可以解决损耗问题，但同时对驱动电路提出了更高的要求。

    此外，对Buck电路应用同步整流技术，用MOS管代替二极管后，电路从拓扑上整合了Buck和Boost两种变换器，为实现双向DC／DC变换提供了可能。在需要单向升降压且能量可以双向流动的场合，很有应用价值，如应用于混合动力电动汽车时，辅以三相可控全桥电路，可以实现蓄电池的充放电。

l 工作原理
1 1 电路拓扑
    双向同步整流电路拓扑如图1所示。当电路工作于正向Buck时，Sw作为主开关管，当Sw导通时，Sw关断，电感L储能；当Sw关断时，SR导通续流，电感L释能给输出负载供电。当电路工作于反向Boost升压电路时，SR作为主开关管，当SR导通时，Sw关断，电感L储能；当SR关断时，Sw导通续流，电感L释能给输出负载供电。

1．2 参数设计
    设置电感L是为了抑制电流脉动，因此其设计依据是电流纹波要求。电容C1主要是为了在Boost电路Sw关断时，维持输出电压恒定，而电容C2主要是为了抑制Buck输出电压脉动，其设计依据是电压纹波要求，因此两个电容的参数设计并不一致。具体算式如下。

   
式中：Vg为Buck电路输入电压；
    Vo为Boost电路输入电压；
    D为Sw管的占空比：
    △Q为对应输出电压纹波的电荷增量；
    △Vo为Buck电路输出电压纹波要求；
    △Vg为Boost电路输出电压纹波要求；
    △lmin为Buck和Boost电路电流纹波要求的较小值；
    I为电感电流。

1．3双向恒流型控制
    1)当电路工作在Buck模式时，被控制的是电感电流，目的是为了维持电感电流恒定。电路参数方程为

   

    2)当电路工作在Boost模式时，被控制的是Sw的平均电流，目的是为了维持此平均电流恒定。电路参数方程为

   

    由以上分析可知，电路作正向Buck和反向Boost运行时，被控制的电流都有，则两种电路工作模式都可以将Sw定义为主开关管，控制电路直接对Sw进行控制，SR则采用互补控制。

    图2给出了闭环双向恒流控制的系统框图，电流经采样电阻采样，由外部控制脚(Select)控制通道选择器，切换两路被采样信号。采样得到的信号由运放放大，经PID补偿后与三角波比较得到方波信号去控制驱动开关管，从而构成一个闭环的负反馈系统。

1．4双向恒压型控制
    1)当电路工作在Buck模式时，控制的目的是为了维持输出电压恒定。电路参数方程为

    Vo=DVg，

   

    2)当电路工作在Boost模式时，被控制的是电压，控制目的是为了维持电压恒定。电路参数方程为

   

    由以上分析可知，电路作正向Buck和反向Boost运行时，被控制的电压与Sw占空比呈不同的变化逻辑。这就为驱动电路提出了更高的要求。一般的控制驱动芯片不能提供这样的功能。

    图3给出了闭环双向恒压控制的系统框图，由外部控制脚(Select)控制通道选择器，切换两路被采样的电压信号。采样得到的信号经分压电阻分压后，再经PI补偿与三角波比较得到方波信号去控制驱动开关管，从而构成一个闭环的负反馈系统。

2 驱动电路设计
2．1 单向驱动脉冲的要求
    双向直流变换电路的工作原理同传统的Buck及Boost变换器类似，当主开关管导通时，续流管关断，当主开关管关断时，续流管导通工作。所以两管驱动脉动应互补，同时为了防止共通，发生短路而烧毁器件，必须设置死区。

2.2 双向恒流控制的驱动设计
    如图4所示，B脉冲经D脉冲延时所得，其延时时间等于死区时间。互补带延时的两路控制脉冲可由以下逻辑获得，，图5给出了相应的硬件实现电路。

2.3 双向恒压控制的驱动设计
    当采用恒压型控制时，Buck和Boost电路各自的被控电压随主开关管的占空比D的变换逻辑刚好相反，因此，为了实现双向直流变换，还须增加一个控制脚，以切换两种工作模式下主开关管的定义，实现方法是交换两路控制脉冲，用逻辑电路来实现，逻辑表达式为：

    当，电路工作在正向Buck模式；相反，当K=0时，，SR=DB，电路工作在反向Boost模式。

    根据上面的分析，图6给出了双向恒压控制的控制驱动脉冲实现电路。

    最后，需要指出的是，采用数字控制，系统更简单，控制更灵活，抗干扰特性强，系统维护也方便，但考虑到单片机或DSP，数字信号处理器成本相对较高，故以上双向同步整流变换控制的分析设计采用硬件电路实现。

3 实验结果
    正向Buck输入电压24v，输出10v／6A；反向Boost输入电压10v，输出24v／2.5A。

    图7和图8为双向恒压控制时的驱动波形，控制K脚的电平逻辑可以实现两路输出脉冲的互换，从而满足电路双向工作时的驱动要求。图9-图12为双向恒流和双向恒压控制下的输出电压和电流波形。

4 结语
    本文是在Buck同步整流的基础上，充分利用电路从拓扑上整合了Buck和Boost两种变换器的特点，提出了双向DC／DC变换，而并针对双向恒压控制和恒流控制两种不同的控制方式，分析了对驱动电路的要求，并给出了各自驱动脉冲的实现方法。实验结果与理论分析吻合。