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双向DC-DC 变换器拓扑的对比与设计(4) – 测试结果的比较

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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