双向DC-DC 变换器拓扑的对比与设计(5) – 性能及总结

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 变换器器件损耗对比

温度以及 EMI 的性能

最后对整个设计进行总结

这张图介绍主电路功率器件损耗的分布情况

红色为硬开关 浅蓝色为软开关

可以看到软开关减少了 MOSFET 的开关损耗

但是由于较大的峰值电流

MOSFET 的关断损耗仍然非常大

同时由于较大的峰值电流

电感磁芯的损耗也急剧地增加

因此 损耗从硅半导体器件转移到磁性器件

提高了整机的效率和可靠性

Buck 模式下的效率如图所示

由于在设计时主要关心重载时的效率

和整机温度的性能

未对轻载模式下做特殊处理

所以从图中可以看到

在小于半载时 硬开关有较好的效率

而软开关在重载时有较好的效率

软开关在轻载时为了保持同样的负电流

而使开关频率增加是效率较低的主要原因

同样可以看到在 Boost 模式下

在小于半载时 硬开关有较好的效率

而软开关在重载时有较好的效率

下面来介绍

后续在未来需要提高轻载效率的方法

DCM 运行比较 CCM 运行在 10A 负载时

有大约两个点的提高

MOSFET 作为理想二极管在运行时

会提高大约 0.3 到 0.7 个点

轻载时开关损耗占比比较大

可以通过减少相位来提高效率

所以从重载到轻载时

硬开关运行模式为 CCM 到 DCM

再到相位减少

软开关模式为 ZVS 到 DCM 到相位减少

这两张图显示了 Buck 模式下

硬开关和软开关的整机温度对比

可以看到硬开关时 MOSFET 的温度

比较软开关温度高

符合我们损耗的分析

电感磁芯的温度硬开关比软开关高

通过前面介绍

理论上 硬开关的磁芯温度会比较低

这主要是因为红外成像仪照到

电感外层包的胶带的原因

这两张图显示了 Boost 模式下

硬开关和软开关的整机温度对比

跟 Buck 温度表现基本一致

通过对比 硬开关和软开关温度性能

可以看到软开关温度分布更加均匀些

而硬开关的热点主要集中在功率 MOSFET 上

最后对 EMI 进行了测试

这张图为 底噪

下面这张图

对比硬开关和软开关 EMI 的表现

当频率小于 2 MHz 时

软开关没有太大的 EMI 改善

当功率高于 10 MHz 时

可以看到软开关的平均值有比

硬开关小 15 个 dB

最后对整个设计做总结

硬开关有较好的轻载效率

软开关有较好的重载效率

硬开关有较高的电压峰值和变化率

但是有较低的电感电流纹波

软开关有比较平滑的电压变化率

和较低的电压峰值

但是有较高的电感电流纹波

硬开关的频率固定 控制简单

软开关需要变频 控制复杂

硬开关的 MOSFET 温升比较高

软开关的 MOSFET 温升比较低

通过一个功率单元

来做硬开关和软开关的测试对比

软开关的模式可以优化电感来提高效率

利用轻载效率的管理

可以对两个控制提高效率

EMI 在效率低于 2 MHz 时没有太大优势

软开关在频率 大于 10 MHz 时

有 15 dB 的改善

两个控制都是通过 UCD3138 来实现的

同时也开发了 GUI 界面

方便硬件调试和软件的监控

以上内容即为双向 DC-DC 变换器的设计和对比

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 变换器器件损耗对比

温度以及 EMI 的性能

最后对整个设计进行总结

这张图介绍主电路功率器件损耗的分布情况

红色为硬开关 浅蓝色为软开关

可以看到软开关减少了 MOSFET 的开关损耗

但是由于较大的峰值电流

MOSFET 的关断损耗仍然非常大

同时由于较大的峰值电流

电感磁芯的损耗也急剧地增加

因此 损耗从硅半导体器件转移到磁性器件

提高了整机的效率和可靠性

Buck 模式下的效率如图所示

由于在设计时主要关心重载时的效率

和整机温度的性能

未对轻载模式下做特殊处理

所以从图中可以看到

在小于半载时 硬开关有较好的效率

而软开关在重载时有较好的效率

软开关在轻载时为了保持同样的负电流

而使开关频率增加是效率较低的主要原因

同样可以看到在 Boost 模式下

在小于半载时 硬开关有较好的效率

而软开关在重载时有较好的效率

下面来介绍

后续在未来需要提高轻载效率的方法

DCM 运行比较 CCM 运行在 10A 负载时

有大约两个点的提高

MOSFET 作为理想二极管在运行时

会提高大约 0.3 到 0.7 个点

轻载时开关损耗占比比较大

可以通过减少相位来提高效率

所以从重载到轻载时

硬开关运行模式为 CCM 到 DCM

再到相位减少

软开关模式为 ZVS 到 DCM 到相位减少

这两张图显示了 Buck 模式下

硬开关和软开关的整机温度对比

可以看到硬开关时 MOSFET 的温度

比较软开关温度高

符合我们损耗的分析

电感磁芯的温度硬开关比软开关高

通过前面介绍

理论上 硬开关的磁芯温度会比较低

这主要是因为红外成像仪照到

电感外层包的胶带的原因

这两张图显示了 Boost 模式下

硬开关和软开关的整机温度对比

跟 Buck 温度表现基本一致

通过对比 硬开关和软开关温度性能

可以看到软开关温度分布更加均匀些

而硬开关的热点主要集中在功率 MOSFET 上

最后对 EMI 进行了测试

这张图为 底噪

下面这张图

对比硬开关和软开关 EMI 的表现

当频率小于 2 MHz 时

软开关没有太大的 EMI 改善

当功率高于 10 MHz 时

可以看到软开关的平均值有比

硬开关小 15 个 dB

最后对整个设计做总结

硬开关有较好的轻载效率

软开关有较好的重载效率

硬开关有较高的电压峰值和变化率

但是有较低的电感电流纹波

软开关有比较平滑的电压变化率

和较低的电压峰值

但是有较高的电感电流纹波

硬开关的频率固定 控制简单

软开关需要变频 控制复杂

硬开关的 MOSFET 温升比较高

软开关的 MOSFET 温升比较低

通过一个功率单元

来做硬开关和软开关的测试对比

软开关的模式可以优化电感来提高效率

利用轻载效率的管理

可以对两个控制提高效率

EMI 在效率低于 2 MHz 时没有太大优势

软开关在频率 大于 10 MHz 时

有 15 dB 的改善

两个控制都是通过 UCD3138 来实现的

同时也开发了 GUI 界面

方便硬件调试和软件的监控

以上内容即为双向 DC-DC 变换器的设计和对比

谢谢大家