1.6kW 48V/12V设计方案

下面我们将介绍 第三个双向直流变换器设计

1.6kW 48V 12V 双向直流变换器

适用于车载等应用

这是该车载 48V 12V 双向变换器方案的系统规格

首先 总效率大于96%

自然冷却 无风 无液态冷却

四相交错并联结构

实现四相均流

可以及联叠加使用

buck模式最高可到3kW

boost模式最高到800W

电池防反接保护

可以实现失效的升降压单元隔离

不影响其他单元的工作

输出过流保护 输出过压保护以及过温保护

负载出泄 70V 100ms浪有要求

48V母线空载时 静态电流为100uA

支持CAN或SPI通信

在这个设计中 我们采用一片UCD3831A

来控制四相交错并联架构

从之前章节的介绍中

我们知道UCD3831A 有八个数字PWM输出

也就是四对

从而可以非常方便地实现 四相交错并联结构的同步控制

如果采用硬开关控制 每项单元PWM的[听不清]固定在90度

如果采用ZVS软开关控制 主单元及图中的PHASE1

用于实现软开关控制和频率调制

其余三相单元与主单元同步

并增加不同的延迟时间 实现四相同步控制

而每相的延迟时间可以由UCD3831A 根据不同的开关频率进行调整

实现四相的90度错相运行

这里左图是1.6kW 48V 12V 双向直流变换器的样机图片

尺寸为5英吋乘7.5英吋

右图是实验室搭建的相应测试环境

从右图可以看出 该样机的左边接的是12V电池组

右边连接的是48V电池组

这里是buck模式下 效率的测试结果对比图

在buck降压模式下 硬开关在半载以及更轻的负载下

其效率更高 而软开关在重载下有更好的效率

软开关在半载以及 更轻的负载下效率略差

主要是因为其开关频率 将在轻载下升高

而每个ZVS开关周期中 所需的负电流和能量保持不变

需要说明的是在该方案中 我们并没有采用轻载模式管理

而轻载模式管理是可以 提高软开关轻载效率的

本设计主要专注在 方案的最大挑战热设计上

所以重点放在 重载工作性能研究上

这是boost升压模式下 效率测试曲线

与前页的 buck降压模式非常类似

硬开关在轻载下效率更好 而软开关在重载下效率更高

原因在这里 我们将不在追溯

这是双向直流变换器工作在110A buck降压模式下的热成象对比图

左图是硬开关buck降压模式


右图是ZVS软开关buck降压模式

从图中可以看出
 ZVS软开关模式下的功率mos管温升

相较硬开关的mos管温升更低

而且整个ZVS
软开关方案的 热分布更均匀

这是和我们之前的理论分析 是一致的

这是该双向直流变换器工作在

110A boost升压模式下的 热成象对比图

左图是硬开关boost的升压模式 右图是ZVS软开关boost的升压模式

从图中可以看到跟前页 buck模式的结果非常类似

下面我们将介绍 第三个双向直流变换器设计

1.6kW 48V 12V 双向直流变换器

适用于车载等应用

这是该车载 48V 12V 双向变换器方案的系统规格

首先 总效率大于96%

自然冷却 无风 无液态冷却

四相交错并联结构

实现四相均流

可以及联叠加使用

buck模式最高可到3kW

boost模式最高到800W

电池防反接保护

可以实现失效的升降压单元隔离

不影响其他单元的工作

输出过流保护 输出过压保护以及过温保护

负载出泄 70V 100ms浪有要求

48V母线空载时 静态电流为100uA

支持CAN或SPI通信

在这个设计中 我们采用一片UCD3831A

来控制四相交错并联架构

从之前章节的介绍中

我们知道UCD3831A 有八个数字PWM输出

也就是四对

从而可以非常方便地实现 四相交错并联结构的同步控制

如果采用硬开关控制 每项单元PWM的[听不清]固定在90度

如果采用ZVS软开关控制 主单元及图中的PHASE1

用于实现软开关控制和频率调制

其余三相单元与主单元同步

并增加不同的延迟时间 实现四相同步控制

而每相的延迟时间可以由UCD3831A 根据不同的开关频率进行调整

实现四相的90度错相运行

这里左图是1.6kW 48V 12V 双向直流变换器的样机图片

尺寸为5英吋乘7.5英吋

右图是实验室搭建的相应测试环境

从右图可以看出 该样机的左边接的是12V电池组

右边连接的是48V电池组

这里是buck模式下 效率的测试结果对比图

在buck降压模式下 硬开关在半载以及更轻的负载下

其效率更高 而软开关在重载下有更好的效率

软开关在半载以及 更轻的负载下效率略差

主要是因为其开关频率 将在轻载下升高

而每个ZVS开关周期中 所需的负电流和能量保持不变

需要说明的是在该方案中 我们并没有采用轻载模式管理

而轻载模式管理是可以 提高软开关轻载效率的

本设计主要专注在 方案的最大挑战热设计上

所以重点放在 重载工作性能研究上

这是boost升压模式下 效率测试曲线

与前页的 buck降压模式非常类似

硬开关在轻载下效率更好 而软开关在重载下效率更高

原因在这里 我们将不在追溯

这是双向直流变换器工作在110A buck降压模式下的热成象对比图

左图是硬开关buck降压模式


右图是ZVS软开关buck降压模式

从图中可以看出
 ZVS软开关模式下的功率mos管温升

相较硬开关的mos管温升更低

而且整个ZVS
软开关方案的 热分布更均匀

这是和我们之前的理论分析 是一致的

这是该双向直流变换器工作在

110A boost升压模式下的 热成象对比图

左图是硬开关boost的升压模式 右图是ZVS软开关boost的升压模式

从图中可以看到跟前页 buck模式的结果非常类似