双向DC-DC 变换器拓扑的对比与设计(2) – 拓扑比较

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 变换器拓扑的选用

一种为四相交错固定频率的双向变换器

另一种为四相交错的零电压开关

临界模式的双向变换器

首先来对比这两种拓扑

最流行的拓扑为硬开关非隔离同步变换器

这种拓扑优点主要有以下三点

第一 控制简单

第二 通常采用固定频率控制

滤波器也设计相对容易

第三 采用 CCM 模式

有比较小的电感电流纹波

但是这种硬开关拓扑同样存在两个缺点

首先 是开关管工作在硬开关模式下

有较大的电压尖峰和较大的电压的上升率

第二 是有较高的共模噪音

这两个缺点给 layout 和 EMI 的设计

带来了很大的挑战

接下来继续看另外一个临界模式同步变换器

这种拓扑的优点是

开关管工作在软开关模式下

这样会带来效率的提高

由于开关管工作在软开关模式下

也会使得共模噪音大大的降低

但是这种拓扑同样存在以下三个主要的缺点

由于工作在临界模式下

同等的功率相对 CCM 模式

有较高的电感电流纹波

控制器需要通过电平的模式来实现

输入电压和负载变化时

工作在软开关模式下

由于频率不固定

给滤波器的设计也带来了挑战

ZVS 实现的控制会相对复杂

介绍完这两种拓扑的优点和缺点的对比

我们继续来看这两种拓扑的工作原理

中间即为双向 DC-DC 变换器的功能框图

当能量从左边 48V 向右边 12V 充电时

变换器工作在 Buck 模式

反之工作在 Boost 模式

左边为硬开关双向 DC-DC 变换器

这里我们简单介绍下

Buck 和 Boost 的工作原理

首先来看 Buck 模式

当上管开通时电感电流线性上升

上管关断时下管的体二极管续流

当体二极管导通后然后再去开通下管

设定一定的死区时间

同样可以实现下管的零电压开通

在下管的开通期间

电感电流线性地下降

当下管关断时

电感的电流为正值

在下个周期上管要开通时

存在较大的开关损耗

接下来看 Boost 模式

当下管开通时

电感电流线性上升

当下管关断时上管的体二极管续流

当体二极管导通后然后再去开通上管

设定一定的死区时间

同样可以实现上管的零电压开通

当上管关断时电感的电流为正值

在下个周期下管要开通时

存在较大的开关损耗

总结起来 Buck 模式下

只有下关的开通

可以通过死区时间来实现 ZVS

下管的关断 上管的开通和关断

都有较大的损耗

介绍完硬开关的双向 DC-DC 变换器

再介绍软开关 DC-DC 变换器

首先来看 Buck 模式

当上管开通时电感电流线性上升

上管关断时 下管的体二极管续流

当体二极管开通后然后再去开通下管

可以实现下管的零电压开通

在下管的开通期间 电感电流线性的下降

当下管关断时电感的电流为负值

这个电感的负电流可以充电下管的结电容

当开关节点的电压和输入电压相等时

再去开通上管

实现了上管的零电压开通

接下来看 Boost 模式

当下管开通时 电感电流线性上升

当下管关断时 上管的体二极管续流

当体二极管导通后 然后再去开通上管

设定一定的死区时间

同样可以实现上管的零电压开通

当上管关断时 电感的电流为负值

这个电感的负电流

可以使下管的体二极管来续流

当体二极管导通后再去开通下管

可以实现下管的零电压开通

总结起来软开关模式下

只有上管和下管的开通

可以通过死区时间来实现 ZVS

但是上管和下管的关断仍然存在较大的损耗

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 变换器拓扑的选用

一种为四相交错固定频率的双向变换器

另一种为四相交错的零电压开关

临界模式的双向变换器

首先来对比这两种拓扑

最流行的拓扑为硬开关非隔离同步变换器

这种拓扑优点主要有以下三点

第一 控制简单

第二 通常采用固定频率控制

滤波器也设计相对容易

第三 采用 CCM 模式

有比较小的电感电流纹波

但是这种硬开关拓扑同样存在两个缺点

首先 是开关管工作在硬开关模式下

有较大的电压尖峰和较大的电压的上升率

第二 是有较高的共模噪音

这两个缺点给 layout 和 EMI 的设计

带来了很大的挑战

接下来继续看另外一个临界模式同步变换器

这种拓扑的优点是

开关管工作在软开关模式下

这样会带来效率的提高

由于开关管工作在软开关模式下

也会使得共模噪音大大的降低

但是这种拓扑同样存在以下三个主要的缺点

由于工作在临界模式下

同等的功率相对 CCM 模式

有较高的电感电流纹波

控制器需要通过电平的模式来实现

输入电压和负载变化时

工作在软开关模式下

由于频率不固定

给滤波器的设计也带来了挑战

ZVS 实现的控制会相对复杂

介绍完这两种拓扑的优点和缺点的对比

我们继续来看这两种拓扑的工作原理

中间即为双向 DC-DC 变换器的功能框图

当能量从左边 48V 向右边 12V 充电时

变换器工作在 Buck 模式

反之工作在 Boost 模式

左边为硬开关双向 DC-DC 变换器

这里我们简单介绍下

Buck 和 Boost 的工作原理

首先来看 Buck 模式

当上管开通时电感电流线性上升

上管关断时下管的体二极管续流

当体二极管导通后然后再去开通下管

设定一定的死区时间

同样可以实现下管的零电压开通

在下管的开通期间

电感电流线性地下降

当下管关断时

电感的电流为正值

在下个周期上管要开通时

存在较大的开关损耗

接下来看 Boost 模式

当下管开通时

电感电流线性上升

当下管关断时上管的体二极管续流

当体二极管导通后然后再去开通上管

设定一定的死区时间

同样可以实现上管的零电压开通

当上管关断时电感的电流为正值

在下个周期下管要开通时

存在较大的开关损耗

总结起来 Buck 模式下

只有下关的开通

可以通过死区时间来实现 ZVS

下管的关断 上管的开通和关断

都有较大的损耗

介绍完硬开关的双向 DC-DC 变换器

再介绍软开关 DC-DC 变换器

首先来看 Buck 模式

当上管开通时电感电流线性上升

上管关断时 下管的体二极管续流

当体二极管开通后然后再去开通下管

可以实现下管的零电压开通

在下管的开通期间 电感电流线性的下降

当下管关断时电感的电流为负值

这个电感的负电流可以充电下管的结电容

当开关节点的电压和输入电压相等时

再去开通上管

实现了上管的零电压开通

接下来看 Boost 模式

当下管开通时 电感电流线性上升

当下管关断时 上管的体二极管续流

当体二极管导通后 然后再去开通上管

设定一定的死区时间

同样可以实现上管的零电压开通

当上管关断时 电感的电流为负值

这个电感的负电流

可以使下管的体二极管来续流

当体二极管导通后再去开通下管

可以实现下管的零电压开通

总结起来软开关模式下

只有上管和下管的开通

可以通过死区时间来实现 ZVS

但是上管和下管的关断仍然存在较大的损耗

谢谢大家