双向DC-DC 变换器拓扑的对比与设计(4) – 测试结果的比较

大家好

我是德州仪器的系统工程师 David

今天非常高兴和大家继续分享

TI 双向 DC-DC 变换器拓扑的设计和对比

今天主要讲解

双向 DC-DC 变换器拓扑的测试结果的

开关波形和效率的对比

首先来看硬件电路的选择

考虑到功率以及尺寸

硬开关的开关频率定在 140 kHz

可以通过计算得到

满载时电感的纹波电流为 16.25A

计算出电感值为 4.7uH

所以选用 Coilcraft 的

1.86 毫欧的这个电感

软开关的开关频率满载时 100 kHz

轻载时嵌位在 450 kHz

可以通过计算得出

满载时电感的纹波电流为 65A

计算得出电感的值为 1.4 uH

所以选用 TDK 的 0.618 毫欧的电感

由于开关频率的增加

所以看到选用的线材为多股并绕的丽兹线

硬开关模式下 开关管选择英飞凌的

100 V 1.7 毫欧的管子

而软开关模式下选用的

英飞凌 80V 1.5 毫欧的管子

对于保护用的防反接的管子 48 V 的保险丝

电感电流 采样电阻 以及 48V 输入

滤波器部分 硬开关和软开关的拓扑

选择的器件都是一样的

下面即为实物图

左边接 48 V 电池 右边接 12 V 电池

整机的长宽尺寸为 7.5 英寸和 5.0 英寸

这个图显示了软开关模式下

三相的开关节点的波形

以及主项电感电流的波形

可以看到开关节点的电压的上升率比较平滑

软开关模式轻载时最大开关频率为 450 kHz

满载时开关频率为 100kHz

接下来四张图会介绍

硬开关和软开关 12 V 侧

20 A 和 110 A Buck 和 Boost 时波形对比

Buck 模式下同步管到主管开通的

死区时间为 220 ns

主管关断到同步管开通的时间

基于负载电流而变化

首先来看看 Buck 模式下12 V 侧 20 A 情况下

硬开关和软开关的开关节点

和电感电流纹波的对比

可以看到硬开关模式下有 6V 的电压过冲

软开关模式下 电压的上升率比较平滑

再看 Buck 模式下

12V 侧 110 A 波形对比

可以看到硬开关模式下

有 20V 的电压过充

软开关模式下有接近12伏的 Undershoot

这主要是因为软开关模式下

电感电流的纹波会非常大以及

PCB 板和 MOSFET 的寄生感抗的影响

再看 Boost 模式下 12V 侧 20A 波形对比

可以看到硬开关模式下电压下降得非常快

软开关模式下电压的上升率和下降率都比较平滑

最后来看 Boost 模式下 12V 侧 110A 波形对比

可以看到硬开关模式下有 20V 的电压过冲

软开关模式下有接近12伏的 Undershoot

这也是因为前面提到的软开关模下

电感的电流非常大

以及 PCB 板和 MOSFET 的寄生感抗的影响

下面即为双向运行时的开关节点波形

12V 侧电池的电流以及电感电流波形

可以通过软件设定 12V 电池

工作在 Buck 或者 Boost 模式

以及设定电流的上升时间和下降时间

设定 Buck 和 Boost 模式的理想的切换的时间

设定 48V 和 12V 电池的过压 欠压门槛值

同时开发了控制的 GUI 界面

左边为 UCD3138芯片的 GUI 界面 方便软件调试

以及监控软件运行时寄存器的值

电路运行时参数的变化

右边为系统的 GUI 界面

方便系统测试 系统参数的设定

以及监控系统运行状态和电池的电压 电流

以上即为双向变换器

测试结果的开关波形和效率的对比

谢谢大家

大家好

我是德州仪器的系统工程师 David

今天非常高兴和大家继续分享

TI 双向 DC-DC 变换器拓扑的设计和对比

今天主要讲解

双向 DC-DC 变换器拓扑的测试结果的

开关波形和效率的对比

首先来看硬件电路的选择

考虑到功率以及尺寸

硬开关的开关频率定在 140 kHz

可以通过计算得到

满载时电感的纹波电流为 16.25A

计算出电感值为 4.7uH

所以选用 Coilcraft 的

1.86 毫欧的这个电感

软开关的开关频率满载时 100 kHz

轻载时嵌位在 450 kHz

可以通过计算得出

满载时电感的纹波电流为 65A

计算得出电感的值为 1.4 uH

所以选用 TDK 的 0.618 毫欧的电感

由于开关频率的增加

所以看到选用的线材为多股并绕的丽兹线

硬开关模式下 开关管选择英飞凌的

100 V 1.7 毫欧的管子

而软开关模式下选用的

英飞凌 80V 1.5 毫欧的管子

对于保护用的防反接的管子 48 V 的保险丝

电感电流 采样电阻 以及 48V 输入

滤波器部分 硬开关和软开关的拓扑

选择的器件都是一样的

下面即为实物图

左边接 48 V 电池 右边接 12 V 电池

整机的长宽尺寸为 7.5 英寸和 5.0 英寸

这个图显示了软开关模式下

三相的开关节点的波形

以及主项电感电流的波形

可以看到开关节点的电压的上升率比较平滑

软开关模式轻载时最大开关频率为 450 kHz

满载时开关频率为 100kHz

接下来四张图会介绍

硬开关和软开关 12 V 侧

20 A 和 110 A Buck 和 Boost 时波形对比

Buck 模式下同步管到主管开通的

死区时间为 220 ns

主管关断到同步管开通的时间

基于负载电流而变化

首先来看看 Buck 模式下12 V 侧 20 A 情况下

硬开关和软开关的开关节点

和电感电流纹波的对比

可以看到硬开关模式下有 6V 的电压过冲

软开关模式下 电压的上升率比较平滑

再看 Buck 模式下

12V 侧 110 A 波形对比

可以看到硬开关模式下

有 20V 的电压过充

软开关模式下有接近12伏的 Undershoot

这主要是因为软开关模式下

电感电流的纹波会非常大以及

PCB 板和 MOSFET 的寄生感抗的影响

再看 Boost 模式下 12V 侧 20A 波形对比

可以看到硬开关模式下电压下降得非常快

软开关模式下电压的上升率和下降率都比较平滑

最后来看 Boost 模式下 12V 侧 110A 波形对比

可以看到硬开关模式下有 20V 的电压过冲

软开关模式下有接近12伏的 Undershoot

这也是因为前面提到的软开关模下

电感的电流非常大

以及 PCB 板和 MOSFET 的寄生感抗的影响

下面即为双向运行时的开关节点波形

12V 侧电池的电流以及电感电流波形

可以通过软件设定 12V 电池

工作在 Buck 或者 Boost 模式

以及设定电流的上升时间和下降时间

设定 Buck 和 Boost 模式的理想的切换的时间

设定 48V 和 12V 电池的过压 欠压门槛值

同时开发了控制的 GUI 界面

左边为 UCD3138芯片的 GUI 界面 方便软件调试

以及监控软件运行时寄存器的值

电路运行时参数的变化

右边为系统的 GUI 界面

方便系统测试 系统参数的设定

以及监控系统运行状态和电池的电压 电流

以上即为双向变换器

测试结果的开关波形和效率的对比

谢谢大家