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双向DC-DC 变换器拓扑的对比与设计(5) – 性能及总结

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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