应用同步整流技术实现双向DC／DC变换
应用同步整流技术实现双向DC／DC变换
[日期：2006-11-9] 来源：电源技术应用作者：浙江大学姜德来吕征宇[字体：大中小]
摘要：在Buck同步整流技术的基础上，充分利用其电路的特点，提出了双向直流变换器，并分析了其可行性。
针对双向恒压和双向恒流两种控制方式，分析了各自的开关管驱动脉冲要求，并给出了相应控制脉冲的实现方法。
通过实验加以验证。
关键词：双向；同步整流；恒压；恒流
0 引言
同步整流技术是近几年研究的热点，主要应用于低压大电流领域，其目的是为了解决续流管的导通损耗问题。
采用一般的二极管续流，其导通电阻较大，应用在大电流场合时，损耗很大。
用导通电阻非常小的MOS管代替二极管，可以解决损耗问题，但同时对驱动电路提出了更高的要求。
此外，对Buck电路应用同步整流技术，用MOS管代替二极管后，电路从拓扑上整合了Buck和Boost两种变换器，为实现双向DC／DC变换提供了可能。
在需要单向升降压且能量可以双向流动的场合，很有应用价值，如应用于混合动力电动汽车时，辅以三相可控全桥电路，可以实现蓄电池的充放电。
l 工作原理
1 1 电路拓扑
双向同步整流电路拓扑如图1所示。
当电路工作于正向Buck时，Sw作为主开关管，当Sw导通时，SⅡ关断，电感L储能；当Sw关断时，SR导通续流，电感L释能给输出负载供电。
当电路工作于反向Boost升压电路时，SR作为主开关管，当SR导通时，Sw关断，电感L储能；当SR关断时，Sw导通续流，电感L释能给输出负载供电。
1．2 参数设计
设置电感L是为了抑制电流脉动，因此其设计依据是电流纹波要求。
电容C1主要是为了在Boost电路Sw关断时，维持输出电压恒定，而电容C2主要是为了抑制Buck输出电压脉动，其设计依据是电压纹波要求，因此两个电容的参数设计并不一致。
具体算式如下。
式中：Vg为Buck电路输入电压；
Vo为Boost电路输入电压；
D为Sw管的占空比：
△Q为对应输出电压纹波的电荷增量；
△Vo为Buck电路输出电压纹波要求；
△Vg为Boost电路输出电压纹波要求；
△lmin为Buck和Boost电路电流纹波要求的较小值；
I为电感电流。
1．3双向恒流型控制
1)当电路工作在Buck模式时，被控制的是电感电流，目的是为了维持电感电流恒定。
电路参数方程为
2)当电路工作在Boost模式时，被控制的是Sw的平均电流，目的是为了维持此平均电流恒定。
电路参数方程为
由以上分析可知，电路作正向Buck和反向Boost运行时，被控制的电流都有，则两种电路工作模式都可以将Sw定义为主开关管，控制电路直接对Sw进行控制，SR则采用互补控制。
图2给出了闭环双向恒流控制的系统框图，电流经采样电阻采样，由外部控制脚(Select)控制通道选择器，切换两路被采样信号。
采样得到的信号由运放放大，经PID补偿后与三角波比较得到方波信号去控制驱动开关管，从而构成一个闭环的负反馈系统。
1．4双向恒压型控制
1)当电路工作在Buck模式时，控制的目的是为了维持输出电压恒定。
电路参数方程为
Vo=DVg，
2)当电路工作在Boost模式时，被控制的是电压，控制目的是为了维持电压恒定。
电路
参数方程为
由以上分析可知，电路作正向Buck和反向Boost运行时，被控制的电压与Sw占空比呈不同的变化逻辑。
这就为驱动电路提出了更高的要求。
一般的控制驱动芯片不能提供这样的功能。
图3给出了闭环双向恒压控制的系统框图，由外部控制脚(Select)控制通道选择器，切换两路被采样的电压信号。
采样得到的信号经分压电阻分压后，再经PI补偿与三角波比较得到方波信号去控制驱动开关管，从而构成一个闭环的负反馈系统。
2 驱动电路设计
2．1 单向驱动脉冲的要求
双向直流变换电路的工作原理同传统的Buck及Boost变换器类似，当主开关管导通时，
续流管关断，当主开关管关断时，续流管导通工作。
所以两管驱动脉动应互补，同时为了防止共通，发生短路而烧毁器件，必须设置死区。
2.2 双向恒流控制的驱动设计
如图4所示，B脉冲经D脉冲延时所得，其延时时间等于死区时间。
互补带延时的两路
控制脉冲可由以下逻辑获得，，图5给出了相应的硬件实现电路。
2.3 双向恒压控制的驱动设计
当采用恒压型控制时，Buck和Boost电路各自的被控电压随主开关管的占空比D的变换逻辑刚好相反，因此，为了实现双向直流变换，还须增加一个控制脚，以切换两种工作模式下主开关管的定义，实现方法是交换两路控制脉冲，用逻辑电路来实现，逻辑表达式为：
当，电路工作在正向Buck模式；相反，当K=0时，，SR=DB，电路工作在反向Boost模式。
根据上面的分析，图6给出了双向恒压控制的控制驱动脉冲实现电路。
最后，需要指出的是，采用数字控制，系统更简单，控制更灵活，抗干扰特性强，系统维护也方便，但考虑到单片机或DSP，数字信号处理器成本相对较高，故以上双向同步整流变换控制的分析设计采用硬件电路实现。
3 实验结果
正向Buck输入电压24v，输出10v／6A；反向Boost输入电压10v，输出24v／2.5A。
图7和图8为双向恒压控制时的驱动波形，控制K脚的电平逻辑可以实现两路输出脉冲的互换，从而满足电路双向工作时的驱动要求。
图9-图12为双向恒流和双向恒压控制下的输出电压和电流波形。
4 结语
本文是在Buck同步整流的基础上，充分利用电路从拓扑上整合了Buck和Boost两种变换器的特点，提出了双向DC／DC变换，而并针对双向恒压控制和恒流控制两种不同的控制方式，分析了对驱动电路的要求，并给出了各自驱动脉冲的实现方法。
实验结果与理论分
析吻合。
双向dcdc变换器 (2)
双向 DC-DC 变换器简介双向 DC-DC 变换器是一种可以实现能量在两个方向上传输的电路，能够将能量从一个电源转移到另一个电源。
它在电动车、太阳能系统、电池储能系统等应用中得到广泛应用。
本文将介绍双向 DC-DC 变换器的原理、工作模式和应用。
原理双向 DC-DC 变换器通过两个独立的电感和开关器件实现能量的双向传输。
其拓扑结构常见的有升降压式和升压式两种。
在升降压式拓扑中，输入电源可以比输出电源的电压高或低；而在升压式拓扑中，输入电源的电压必须比输出电源的电压高。
下面介绍升降压式和升压式拓扑的工作原理：升降压式拓扑升降压式拓扑常用的桥式电感拓扑是最常见的升降压式拓扑。
其电路图和工作原理如下：升降压式拓扑升降压式拓扑在升降压式拓扑中，当开关 SW1 和 SW2 关闭时，电感 L1 储存电能；当 SW1和 SW2 开启时，通过二极管 D1 转移到电容 C1 上。
同样，当开关 SW3 和 SW4 关闭时，电感 L2 储存电能；当 SW3 和 SW4 开启时，通过二极管 D2 转移到电容 C2 上。
升压式拓扑升压式拓扑常用的桶式电感拓扑是最常见的升压式拓扑。
其电路图和工作原理如下：升压式拓扑升压式拓扑在升压式拓扑中，当开关 S1 关闭时，电感 L1 储存电能；当 S1 开启时，通过二极管 D1 转移到电感 L2 上。
此时，电容 C1 上的电压逐渐升高，最终达到所需的输出电压。
工作模式双向 DC-DC 变换器有三种工作模式：降压模式、升压模式和反向电流保护模式。
降压模式降压模式是指输入电压高于输出电压的情况。
在此模式下，开关器件周期性地开启和关闭，以维持输出电压在设定范围内。
当开关器件关闭时，电感和电容储存能量；而当开关器件打开时，能量从电感和电容中释放，通过二极管传递到输出端。
这个过程会不断循环，以保持输出电压稳定。
升压模式升压模式是指输入电压低于输出电压的情况。
在此模式下，开关器件周期性地开启和关闭，以提供所需的输出电压。
双向DCDC变换器
30
1.3 1.5
1.8
2.0
2、充电电流变化率测试
实际值(A) 0.999 1.099 1.299 1.499 1.798 1.998
显示值(A) 0.999 1.098 1.298 1.498 1.797 1.999
(%) 0.1% 0.09% 0.08% 0.07% 0.11% 0.1%
U2(V)
压，确保电路的正常稳定工作。本设计采用芯片 LM2596 实现。
图 3.4 辅助电源电路原理图
3.2 程序的设计
3.2.1 程序功能描述与设计思路 1、程序功能描述 根据题目要求软件部分主要实现电路的控制和显示功能。 1）键盘实现功能：控制电路关断和电流步进值。 2）显示部分：显示电流值。
6
3.2.2 程序流程图
4
足要求。
3 电路与程序设计
3.1 电路的设计
3.1.1 系统总体框图 系统总体框图如图 3.1 所示，直流稳压源经过负载电阻与双向 DC/DC 变换
器连接后，再与电池组连接；同时对负载电路、电池组电路进行电流电压检测， 检测信号送入 MSP430 单片机对其进行分析处理，产生 PWM 波控制双向 DC/DC 变换器的状态，外接 LCD 液晶屏显示电流和 4*4 键盘进行控制，从而实现对电 池组充放电以及保护的功能。整个模块由直流稳压电源经辅助电源供电。
在负载与地之间串一个小阻值的采样电阻，串联电路中流过负载和取样电阻 的电流大小相等，通过采样电阻的电压计算出负载电流。但分压阻值太大影响输
1
出功率、测量时需要高精度的 AD 才能得到高精度电流。在测量过程中发现，从 负载输出端接电阻线上有很小的电阻，都会影响到电压的精度。 方案二：采用高端双向电流并联监测芯片 INA270
双向dc-dc变换器是什么 双向dcdc变换器原理
双向dc-dc变换器是什么双向dcdc变换器原理双向直流变换器双向DC-DC变换器是实现直流电能双向流动的装置，主要应用于混合动力汽车和直流不间断供电系统等双向直流变换器采用经典BUCK/BOOST电路拓扑，具备升降压双向变换功能，即升降压斩波电路。
能量从C1流向C2时，直流变换器工作在BOOST模式下，实现升压功能；能量从C2流向C1时，直流变换器工作在BUCK模式下，实现降压功能。
双向直流变换器功能描述：恒压充、放电机转换，恒功率充、放电及转换等；电池侧和直流母线侧双向升降压；l 兼容多种不同配置和型号的蓄电池；电池侧接光伏电池板时具备MPPT功能；多台变流器并联运行控制功能（主从控制，下垂控制）；双向直流变换器原理所谓双向DC-DC变换器就是DC-DC变换器的双象限运行，它的输入、输出电压极性不变，但输入、输出电流的方向可以改变。
变换器的输出状态可在V o-lo 平面的一、二象限内变化。
变换器的输入、输出端口调换仍可完成电压变换功能，功率不仅可以从输入端流向输出端，也能从输出端流向输入端。
图1-1为BDC的二端口示意图。
从各种基本的变换器拓扑来看，用双向开关代替单向开关，就可以实现能量的双向流动。
双向DC-DC变换器实现了能量的双向传输，在功能.上相当于两个单向DC-DC变换器，是典型的机两用”设备。
在需要双向能量流动的应用场合可以大幅度减轻系统的体积重量及成本，有重要研究价值。
双向DC-DC变换器的应用在一一个系统中的直流电源(或直流源性负载)间需要双向能量流动的场合都需要双向DC-DC变换器。
因此直流电机驱动系统、不停电电源系统、航空航天电源系统、太阳能(风能)发电系统、能量储存系统(如超导储能)、电动汽车系统等系统中都有其适用场合。
下面列举几个预研的或已应用的实例，以使BDC的概念更清晰。
双向直流变换器因公环境介绍双向DC-DC变换器是能够根据能量的需要调节能量双向传输的直流到直流的变换器。
基于微控制器的全数字双向DC／DC变换器的研制
使 得整 个设 计具 有 高效率 、 高控 制性 能 、 能量 可双 向流动 等特 点。该 变换 器的控 制 核心 为 Ｐ ＩＩＳ Ｈ ＬＰ
公 司 出品 的基 于 Ａ Ｍ７内核 的 Ｌ Ｃ １ ９ 控 制 器。介 绍 了 系统的 基本 构成 ， Ｒ Ｐ ２１ 微 分析 了电路 的工 作原 理和 主要 元 器件 的选取 方 法 ． 并给 出了最终 的实验 结果 。 关键词 ： 字控 制 ； ＣＤ 数 Ｄ ／ Ｃ变换 器 ； 宽调 制 ； 脉 同步整 流
维普资讯
第 ９卷第 ７期
２０ ０ ６年 ７月
奄 潦敷 应罔
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双向DCDC变换器电路拓扑的现状
图 4 双向 SEPIC 变换器 下面对这四种典型的双向 DC/DC 变换器进行简要分 析与比较：
为了对这四种双向 DC/DC 变换器拓扑结构进行 比较，本文对电路中有源和无源元器件所承受的电流、 电压应力进行比较。由于双向 DC/DC 变换器主要应用 领域之一——电动汽车车载电池的电压在电动汽车的 运行过程中会在较大的范围内波动，因此双向 DC/DC 变换器的设计中必须考虑到由于输入输出电压比 (Vo/Vi)的变化造成电路中有源和无源元器件所承受的 最大电压、电流应力[5]。
中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会
双向 DC/DC 变换器电路拓扑的现状
郎堃 林维明 徐玉珍 福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108
Email：superlk@
摘 要 本文总结了现有几种典型的非隔离型及隔离型的双向 DC/DC 变换器电路拓扑，对其特点及应用领域进行了比 较与分析。此外，波形交错技术、同步整流技术(SR)、超级电容技术(S.C.)以及表面贴装技术(SMT)在这些拓扑中得到了广泛 的应用。与传统的双向 DC/DC 变换电路相比，这些新型的双向 DC/DC 变换器拓扑具有结构简单、功耗低和控制方法简单 等优点。
图 5 传统全桥双向 DC/DC 变换器拓扑
2.2 几种改进的双向 DC/DC 变换器拓扑 几种改进的隔离型双向 DC/DC 变换器拓扑如下[6]：
A）双反激拓扑：如图 6，结构简单，成本低，适合于 小功率场合的应用。
中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会
图 6 双反激双向 DC/DC 变换器拓扑
关键词 双向 DC/DC 变换器，波形交错，同步整流，拓扑
Development Status of Bi-directional DC / DC Converter Topologies
基于TL494的双向Buck-Boost BDC高效开关电源设计
基于TL494的双向Buck-Boost BDC高效开关电源设计黄仲平;徐航;沈烨【摘要】该文双向DC-DC变换器(BDC)的设计由PWM控制、驱动、功率变换及测控4大部分组成.PWM控制以TL494为控制核心,闭环调节电路占空比;PWM驱动由IR2111构成,驱动同步整流电路的开关管;功率变换采用同步整流电路为功率变换拓扑,实现DC-DC双向高效功率变换;测控电路以MSP430单片机为控制器,结合电流、电压采样电路,控制电路输出参数并显示.系统具有过流、过压保护功能,并能通过MSP430单片机实现高精度的程控.测试结果表明,采用同步整流电路能较好完成DC-DC功率双向变换,双向功率变换效率均达到95％以上,同时还具有很强的抗扰动能力.【期刊名称】《实验科学与技术》【年(卷),期】2017(015)001【总页数】5页(P12-16)【关键词】双向DC-DC变换器;TL494;IR2111;MSP430单片机【作者】黄仲平;徐航;沈烨【作者单位】四川大学电气信息学院,四川成都610065;四川大学电气信息学院,四川成都610065;四川大学电气信息学院,四川成都610065【正文语种】中文【中图分类】TN702开关电源一般由脉冲宽度调制(pulse width modulation， PWM)控制IC和MOSFET构成，具有效率高、体积小、质量轻以及功耗小等特点，尤其是电源效率一般都超过了80，比传统的线性电源提高近一倍[1-3]。
随着自动化产业的发展，开关电源技术也得到了不断地提高，应用领域也逐渐扩大[4]。
不仅包括仪器仪表、测控系统以及计算机内部各供电系统，也适应各种消费类电子产品。
开关电源逐步取代了传统的线性电源成为主流的电源产品，并且不断地向集成化、智能化、模块化发展[5]。
在一个直流供电系统中，并不局限于单一的“充电”或者“放电”模式，往往需要能量的双向流动。
如电动汽车中的燃料电池，给汽车运动系统提供电能的同时从压缩机处吸收能量，只有吸收的能量大于等于提供的能量汽车才能正常运行[6-7]；太阳能电池阵也是如此，航天器外围的太阳能板是一个双向DC-DC变换器，即可以为航天器时刻提供工作电压，也需要不断吸收太阳能[8]；不停电(UPS)系统中的放电单元和充电单元也可以理解为双向boost-buck电源[9]。
全数字双向DC／DC变换器的研制
精度 ＡＤ转换器 Ｃ ５６ Ａ 它同样具有低成本、 ／ Ｓ４０ ， 高性能 的特点， 以往在各类电表中都有着广泛的应用。
在控制 电路工作时 ，Ｓ４ ０ Ｃ ５ ６Ａ获得系统输出 电 压、 电流量 的模拟信号后 ， 将它们转变 为数字量 ， 并
降低整流损耗。同时考虑到数字控制具有简化系统 硬件设计 。 减少分立元件数量， 改善系统可靠性等优
证了该设计方案的优越性。
关键词 ： 整流 ； 数字控制；脉宽调制：变换器
中图分类号：Ｍ ６Ｔ ８ Ｔ ４ ，Ｎ ６
文献标识码： Ａ
文章编号：００ １０ （０６０— ０２ ０ １０— ０Ｘ ２０ ）６０９—４
Ｄｅｉｎ ａ ｄ Ｉ ｌｍｅ ｔ ｔ ｎ ｏ ｕ ｌ ｉｉ ｌｃ ｎ ｒ ｌ ｄ ｓ ｎ ｍｐ ｅ ｎ ａ ｉ ｆＦ ｌ ｄ ｇｔ －ｏ ｔｏｌ ｇ ｏ － ａ ｅ
对 成 本和 性 能 都 有严 格 要 求
的 工 业 控 制 领
负责 ＡＤ转 ／ 换的是 ２ ４位高
。
图１ 系 统整体结 构图
来， 随着半导体技术的不断发展， 数字微控制器的成
本显著降低。 性能不断提高， 这便使得高频开关电源 的全数字化成为可能［ ３ １ 。因此 ， 为了在控制能量双 向 流动并能输 出低压、 电流的同时 ， 大 提高系统效率 ，
Ｂｉ ｉｅ ｔ ｎ ｌ － ｒ ｃ ｉ ａ ｄ ｏ ＤＣ／ ＤＣ ｎ ｅ ｔ ｒ Ｃｏ ｖ ｒｅ
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方案分享 一种同步整流式DC
方案分享一种同步整流式DC作为一种比较常见的电源管理配件，工程师们平时所用到的DC-DC变换器种类繁多，不同的电源变换器在工作应用方面也有各自的长处。
在今天的方案分享中，我们将会为工程师们分享一种同步整流式DC-DC变换器的设计，希望能够通过本文的介绍，对大家的新产品研发工作有所帮助。
在本次的方案分享中，我们所设计的电源变换器为正激、隔离式结构，其本身的输出功率为16.5W。
这种电源变换器采用单片开关式稳压器DPA424R，其本身的直流输入电压范围是36～75V，输出电压为3.3V，输出电流为5A。
这一电源转换器主要采用400kHz同步整流技术，大大降低了整流器的损耗。
当直流输入电压为48V时，电源效率η=87%。
变换器具有完善的保护功能，包括过电压欠电压保护，输出过载保护，开环故障检测，过热保护，自动重启动功能、能限制峰值电流和峰值电压以避免输出过冲。
在本方案中，这种同步整流是DC-DC电源变换器的主电路图如下图图1所示。
可以看出，在这一主电路系统中，由DPA424R构成的16.5W同步整流系统。
与分立元器件构成的电源变换器相比，可大大简化电路设计。
由C1、L1和C2构成输入端的电磁干扰（EMI）滤波器，可滤除由电网引入的电磁干扰。
在这种同步整流式变换器的主电路结构中，我们可以看到，电阻R1在该电路系统中主要被用来设定欠电压值UUV及过电压值UOV，因此，当其取值为R1=619kΩ时，则欠电压值UUV=619kΩ×50μA+2.35V=33.3V，而过电压值UOV=619kΩ×135μA+2.5V=86.0V。
当输入电压过高时，则R1还能线性地减小最大占空比，防止磁饱和。
电阻R3为极限电流设定电阻，取R3=11.1kΩ时，所设定的漏极极限电流为1.5A。
电路中的稳压管VDZ1。
交错并联同步整流DC-DC变换器的研究
高频开关电源课程报告交错并联同步整流DC-DC变换器的研究Research on a Interleaved DC-DCConverter Using Synchronous RectificationABSTRACT:As the rapid development of power electronics technique, the switch supply have been advanced. It has replaced the linear steady voltage supply and because the most extensive direct current steady voltage supply that has been applied. It’s determined by the predominant performance of switch supply. Switch supply is consisted of AC-DC and DC-DC. As the work of large scale integrated circuit is normal, VRM is required to decrease low output voltage, continuous to increase output current, and also meets high efficiency, rapid dynamic response etc, in order to meet these needs, low voltage and high current DC-DC converter reflects the development orientation of switching power supply. To optimize the performance of low-voltage/high-current DC-DC converter, it is necessary to enhance it’s topology and control method. In this paper, synchronous rectifier and the multi-phase interleaved parallel technology are studied, presents a low voltage high current DC-DC converter design. I apply Matlab/Simulink software to simulate the circuit and the results verify the validity of the proposed scheme.KEY WORDS：buck converter，low voltage and high current，synchronous rectifier interleaved，Matlab/Simulink摘要：随着电力电子技术的飞速发展，开关电源技术不断得到提高，现在它已经取代线性稳压电源，成为目前最为广泛使用的直流稳压电源，这主要是由它的优越性能所决定的。
基于STM32F334双向同步整流BUCK-BOOST数字电源设计
基于STM32F334双向同步整流BUCK BOOST数字电源设计牟健何波贤梅杰丁少娜摘要：本设计中采用同步BUCK电路和同步BOOST电路级联而成的同步整流BUCK-BOOST电路拓扑，基于STM32F334高性能32位ARM Cortex-M4 MCU构建能量实现的双向流动，并能在同一方向实现升降压功能的数字电源。
关键词：STM32F334；双向同步整流；数字电源DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2018.8.012O 引言随着不可再生资源的日益减少，人们对新型清洁能源的需求增加，促进了诸如太阳能发电、风力发电、微电网行业的发展，在这些行业产品中需要能量的存储释放以及能量的双向流动，比如太阳能、风力发出的电需要升压逆变之后才能接入电网，而对于电池或者超级电容的充放电需要系统能够具备升压和降压的功能，为了确保电能转换的安全性以及稳定性，因此急需设计一款变换器，不仅能实现能量的双向流动，还能在同一方向实现升降压功能。
实现能量双向流动功能整流驱动电路拓扑有很多种，双向DC-DC变换器一般可以通过用MOS 管代替经典拓扑电路中整流二极管得到新的拓扑，例如双向Cuk电路、Sepic电路、Zeta电路等，其中双向Cuk电路需要多个电感，输出负电压，输出的电流较小；而Sepic电路有非常复杂的控制环路特性，且效率低；Zeta电路是双Sepic电路，要求更高的输入电压纹波、大容量的飞跨电容。
本系统设计采用同步BUCK电路和同步BOOST电路级联而成的同步整流BUCK-BOOST电路拓扑，并采用STM32F334高性能32位ARM Cortex-M4MCU构建数字电源，其不仅嵌入浮点单元（FPU），集成高分辨率的定时器（达217 ps）和两个超高速5 Msps（0.2Us）12位模数转换器（ADC），对电路的输出电压电流同步测量，还构建实时的双闭环PID控制，实时跟踪输出电压，减少系统的稳定误差。