高效率小尺寸双向DC-DC变换器设计(四) - 1.6kW 48V 12V设计方案

下面我们将介绍第三个双向直流变换器设计 1.6kW 48V 12V双向直流变换器 适用于车载等应用 这是该车载 48V 12V双向变换器方案的系统规格 首先 总效率大于96% 自然冷却 无风 无液态冷却 四相交错并联结构 实现四相均流 可以及联叠加使用 buck模式最高可到3kW boost模式最高到800W 电池防反接保护 可以实现失效的升降压单元隔离 不影响其他单元的工作 输出过流保护输出过压保护以及过温保护 负载出泄70V 100ms浪有要求 48V母线空载时 静态电流为100uA 支持CAN或SPI通信 在这个设计中我们采用一片UCD3831A 来控制四相交错并联架构 从之前章节的介绍中 我们知道UCD3831A有八个数字PWM输出 也就是四对 从而可以非常方便地实现四相交错并联结构的同步控制 如果采用硬开关控制每项单元PWM的[听不清]固定在90度 如果采用ZVS软开关控制主单元及图中的PHASE1 用于实现软开关控制和频率调制 其余三相单元与主单元同步 并增加不同的延迟时间实现四相同步控制 而每相的延迟时间可以由UCD3831A根据不同的开关频率进行调整 实现四相的90度错相运行 这里左图是1.6kW 48V 12V双向直流变换器的样机图片 尺寸为5英吋乘7.5英吋 右图是实验室搭建的相应测试环境 从右图可以看出该样机的左边接的是12V电池组 右边连接的是48V电池组 这里是buck模式下效率的测试结果对比图 在buck降压模式下硬开关在半载以及更轻的负载下 其效率更高而软开关在重载下有更好的效率 软开关在半载以及更轻的负载下效率略差 主要是因为其开关频率将在轻载下升高 而每个ZVS开关周期中所需的负电流和能量保持不变 需要说明的是在该方案中我们并没有采用轻载模式管理 而轻载模式管理是可以提高软开关轻载效率的 本设计主要专注在方案的最大挑战热设计上 所以重点放在重载工作性能研究上 这是boost升压模式下效率测试曲线 与前页的buck降压模式非常类似 硬开关在轻载下效率更好而软开关在重载下效率更高 原因在这里我们将不在追溯 这是双向直流变换器工作在110Abuck降压模式下的热成象对比图 左图是硬开关buck降压模式
 右图是ZVS软开关buck降压模式 从图中可以看出
ZVS软开关模式下的功率mos管温升 相较硬开关的mos管温升更低 而且整个ZVS
软开关方案的热分布更均匀 这是和我们之前的理论分析是一致的 这是该双向直流变换器工作在 110A boost升压模式下的热成象对比图 左图是硬开关boost的升压模式右图是ZVS软开关boost的升压模式 从图中可以看到跟前页buck模式的结果非常类似