本文主要介绍一种新型双向DC-DC变换器的设计和分析。这种新拓扑及其控制策略完全解决了传统双向DC-DC变换器中的电压尖峰问题(电源容量和效率有限)。该转换器不仅可以用作电池组和DC总线之间的接口，而且可以在两个方向(电池充电方向和总线支持方向)高效工作。此外，本文还分析了电路中各个模块的工作原理和系统实现。实验结果表明，这两个方向都可以获得较高的效率。300W输入(给电池充电)和1500W输出(支持总线)样机的效率，给电池充电高达92.9%(300W)，支持总线高达93.6%(1500W)。重新配置或并联连接可以轻松实现更高的功率水平。
介绍
作为电池制造过程的一部分，电池单元或电池组必须通过测试，以确保其能够正确保持电池容量和正常功能。实现这种测试系统的标准方法包括电源电路和负载两部分，其中电源电路可以正确的给电池充电，负载可以用来测试电池放电的全过程。在这种配置下，系统效率为0%，也就是说，用于测试电池的所有能量都被消耗掉了。
利用双向DC-DC变换器，耗散的能量可以返回到系统中，从而实现电池试验充电能量的循环利用。然后返回的能量可以用来测试后续的电芯，产生的功耗只来自于充放电电源转换效率的损失，不会因为放电负载而产生功耗。
高效率DC-DC转换器的另一个应用是作为电池备用系统(BBU)的接口。在停电时，数据中心等信息系统通常需要在停电几分钟后连续运行一段时间，然后通过备用电源(如发电机)恢复供电。同时，电池组通常用于维持设备的功能。当电池组放电时，电池组上会有一个电压降，所以需要一个电源转换接口来维持一个合适的总线电压。此外，电池组还需要一个电源来补充和维持活动结束后失去的电力。如果电池充电和总线接口功能可以在单个双向DC-DC转换器中实现，则可以获得巨大的成本和尺寸优势。
图1:现有隔离式双向DC-DC转换器拓扑
图1是现有隔离双向DC-DC转换器的广泛使用的拓扑。首先，输入的DC电压可以被转换成交流电压，然后通过变压器转换和整流成输出的DC电压。这种拓扑结构不适合高功率应用，因为漏电感储能和放电会导致开关MOSFET中出现高压尖峰。为了解决这个问题，从这种拓扑中衍生出了大量的版本[AJ]。但大多侧重于应用阻尼电路或箝位电路来降低电压尖峰，虽能有所改善，但无法从根本上解决问题。
本文主要介绍一种新型双向DC-DC变换器的设计和分析。它是双向的，因此不需要其他DC-DC转换器或交流-DC转换器来给电池充电。本文通过电池备份系统的应用来说明变换器的工作原理。
新型高效隔离双向DC-DC变换器
图2显示了这款新型隔离式双向DC-DC转换器的拓扑结构。它包含三个功能块：块1、、块2和块3。模块2不仅隔离输入和输出电压，还提供两者之间固定的电压上升和下降比率。它是双向的，电流可以双向流动。模块1和模块3提供精确的电压调节，它们具有相同的功能，只是输入和输出电压方向相反。对于块1，电池位于输出端。对于模块3，总线位于输出端。
第二区
模块2的功能是提供隔离和固定速率的电压上升和下降。通过在变压器上增加一个小电容，这个小电容的固有谐振频率和变压器的漏电感可以提供零电流开关[KL]。利用初级电流的自然谐振频率，MOSFET可以在其谐振部分的过零点进行开关。当谐振电流达到零时，S5、S6、S7和S8将一直打开和关闭。当S5和S7接通时(在从t1到t2的时段期间)，初级谐振电流IP以正弦波的形式流动，直到它达到零。然后，S6和S8被接通，并且初级谐振电流IP仍然保持正弦波的形状并且以相反的方向流动，如从t2到t3的时段所示。如图3所示，相同的开关序列可以在两个方向上操作，因此电路自然是双向的。
这种转换器中的开关损耗接近于零，因此转换器可以工作在非常高的开关频率，频率高达几MHz，从而实现超高的功率密度。此外，在副边实现完全零电流开关(ZCS)，在原边实现部分ZCS(误差由磁化电流引起，原边已经采用零电压开关(ZVS)使开关损耗可以忽略不计)也可以达到极高的效率。
块2采用谐振实现零电流开关，因此可以有效解决开关MOSFET上的高压尖峰问题。[aj]中的其他拓扑只能在降低电压尖峰幅度方面提供改进。块2的谐振频率可以高达几MHz。因此，块2可以以极高的效率实现极高的功率密度。
第一区/第三区
块1/块3可以提供精确稳压的功能。它们具有相同的拓扑结构，并在系统级提供双向工作，因此方向相反。以Block 1为例。如图4所示，第一级S1和S4开启，流经电感IL的电流将以与VIN成比例的速度增加。然后S3开启，S4关闭，进入第二阶段；IL可能持平，也可能下降或上升，主要看输入输出压差。随后，S2开启，S1关闭，第三阶段开启；IL将以与VOUT成比例的速率下降。最后S4开启，S3关闭，进入第四阶段；通过电感的负电流非常小。在这个转换过程中，可以使用零电压开关升降压控制器来实现零电压转换[mn]。
由于ZVS开关，在块1/块3中也可以实现高效率和高功率密度。
在这种应用中，转换器的简单控制方法是将模块3的调节电压VOUT设置为相对较低的总线电压——大部分时间低于额定总线电压，但仍支持总线负载。在这种配置中，总线电压大部分时间高于块3的调节电压VOUT，因此块3仅消耗空载功率。同时，大部分时间，总线通过block 1和block 2给电池充电。当母线电压突然消失时，block 3会立即加载，电流流过block 2和block 3支持母线。
这种配置的优点是，当在两个方向工作时，它可以实现高效率和高功率密度，特别是对于这种总线电池接口应用。
它需要为电池充电和放电模式提供不同的功率水平。当处于电池充电模式时，所需的功率水平应该比支持总线模式时低得多。事实上，最好将充电功率限制在一定水平以下，以确保安全。在这种配置中，块3中的n可以并联连接以实现总线功率水平，而块1中的1或m(m可以明显小于n)应该足以提供充电功率。因此，虽然独立的block 1或block 3不是双向的，但它们一起工作，将覆盖两个方向，整体尺寸/功耗接近block 1的n。由于支持总线和可充电电池之间的高功率比，这种配置的优势非常明显。
图2:新型隔离式双向DC-DC转换器的拓扑结构(图中的模块改为模块)
图3:方框2:初级和次级谐振电流的双向流动：(a)可充电电池的方向；(b)支持公共汽车的方向。
图4:模块1:电流以ZVS间隔流过电感。
实验结果
使用48V作为总线电压，12V作为电池电压。因此
当VIN=48V，功率为300W，模块2的转换比为4:1时，负载超过50%后，测试效率超过96%，峰值效率为96.2%。负载小于50%时效率下降，但负载为10%时仍可达到85.5%的效率。所有这些测试都在室温下进行。图5(a)显示了不同输入电压和负载条件下的效率矩阵测试。输入电压可以设计为26-55V，这样6.5-13.75V的电池电压可以支持总线反向。这个宽范围可以实现更多的电池配置，更重要的是有助于延长电池支持总线的时间。
图5(b)是block 2模块在支持总线方向的实验效率测试结果，本文定义为反向。在本实验中，深循环船用铅酸12V电池(零件号24DC-1，电池容量140分钟，在寒冷和海洋条件下启动电流超过500安培)用于通过Block 2模块支持总线。因为电池的端电压随着电源电流的增加而降低，所以VIN会从11.7 V (IOUT=0.6A4)下降到10.9 V (IOUT=6.3A4)。峰值效率为96.9%。请注意，支持总线方向的效率甚至高于为电池充电的效率，这对这种应用非常有利，因为在反向条件下，电池支持总线所需的功率水平远高于为电池充电所需的功率水平。支持总线方向的更高效率将简化高功率应用的热管理设计。
对于500W模块1/模块3，实验效率测试结果如图6所示。峰值效率为97.3%。
这些模块可以由控制电路使能，使得禁用功耗显著低于空载功耗。在25C的温度和48V的额定电压下，与500W块1模块或块3模块一起使用的具有4:1转换比的块2模块的典型禁用功耗为0.04W，空载功耗为5.3W
图5:块2模块(300W，4:1比率)在以下方向的效率测试结果：(a)电池充电，(b)总线支持。
图6:区块1/区块3模块的效率实验结果(500W，室温)
系统实现
该双向DC-DC转换器的79英文PCB原型就是为此应用而制造的。如图7所示，三个Block 3模块(每个模块500W)并联，五个Block 2模块(每个模块300W)并联。
图7:系统实现如图2中的拓扑所示，只需将模块并联起来放在一起，转换器就可以工作了。将模块3的调节电压VOUT设置为相对较低的总线电压，该电压在大多数情况下低于额定总线电压，但仍足以支持总线负载。这样，就不需要增加系统控制电路。一旦进入总线支持模式，所有五个Block 2模块都可以立即处理电源。这种配置的缺点是所有的模块都是一直工作的，有些模块在大部分工作时间都处于轻/空负载功耗状态。
为了节省这种轻载/空载的功耗，当模块不需要继续工作时，可以将其禁用。一旦总线电压消失，一些模块需要从禁用模式恢复到启用模式。在此期间，总线电压由存储电容器支持。有必要确保在模块快速重启的时间间隔内，为总线增加足够的电容以提供支持。该电路板中的系统级控制电路可用于禁用/启用该模块，以消除不必要的功耗。
电池充电方向，可以禁用block 2中的4个模块和block 3中的3个模块，可以提供300W的电池充电功率。
总线支持方向，可以禁用block 1中的模块，可以提供1500W的总线支持功率。在这种配置中，系统可以以300W/25A对电池充电，并以1500W/31A支持48V总线。电池容量140分钟，从完全放电到充满电需要2.3小时，然后可以为公交车(1500W负载)提供28分钟的电力。重新配置或并联连接可以轻松实现更高的功率水平。
在正向和反向模式下，区块1/区块3模块效率为97.3%，区块2模块的效率可达到96.2%。0.78W是block 1/block 3模块的禁止功耗，0.04W是block 2模块的禁止功耗。因此，在这种电池充电模式下，峰值效率为：
在总线支持模式下，峰值效率为：
结论
本文主要介绍一种新型双向DC-DC变换器的设计和分析。它可用于连接电池组和DC总线的两个方向(电池充电方向和支持总线方向)。此外，本文还分析了电路中各个模块的工作原理和系统实现。实验结果表明，该方法在两个功率流方向上都具有较高的效率。我们为此应用构建了一个300W输入(电池充电)和1500W输出(总线支持)的双向DC-DC转换器原型。铅酸电池容量140分钟，从完全放电到充满电需要2.3小时，然后可以为公交车(1500W负载)提供28分钟的电力。利用电路板上的系统控制电路，样机能以92.9%的效率(300W)为电池充电，并以93.6%的效率(1500W)支持总线。重新配置或并联连接可以轻松实现更高的功率水平。
审计郭婷
