拓扑比较

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 变换器拓扑的选用 一种为四相交错固定频率的双向变换器 另一种为四相交错的零电压开关 临界模式的双向变换器 首先来对比这两种拓扑 最流行的拓扑为硬开关非隔离同步变换器 这种拓扑优点主要有以下三点 第一 控制简单 第二 通常采用固定频率控制 滤波器也设计相对容易 第三 采用 CCM 模式 有比较小的电感电流纹波 但是这种硬开关拓扑同样存在两个缺点 首先 是开关管工作在硬开关模式下 有较大的电压尖峰和较大的电压的上升率 第二 是有较高的共模噪音 这两个缺点给 layout 和 EMI 的设计 带来了很大的挑战 接下来继续看另外一个临界模式同步变换器 这种拓扑的优点是 开关管工作在软开关模式下 这样会带来效率的提高 由于开关管工作在软开关模式下 也会使得共模噪音大大的降低 但是这种拓扑同样存在以下三个主要的缺点 由于工作在临界模式下 同等的功率相对 CCM 模式 有较高的电感电流纹波 控制器需要通过电平的模式来实现 输入电压和负载变化时 工作在软开关模式下 由于频率不固定 给滤波器的设计也带来了挑战 ZVS 实现的控制会相对复杂 介绍完这两种拓扑的优点和缺点的对比 我们继续来看这两种拓扑的工作原理 中间即为双向 DC-DC 变换器的功能框图 当能量从左边 48V 向右边 12V 充电时 变换器工作在 Buck 模式 反之工作在 Boost 模式 左边为硬开关双向 DC-DC 变换器 这里我们简单介绍下 Buck 和 Boost 的工作原理 首先来看 Buck 模式 当上管开通时电感电流线性上升 上管关断时下管的体二极管续流 当体二极管导通后然后再去开通下管 设定一定的死区时间 同样可以实现下管的零电压开通 在下管的开通期间 电感电流线性地下降 当下管关断时 电感的电流为正值 在下个周期上管要开通时 存在较大的开关损耗 接下来看 Boost 模式 当下管开通时 电感电流线性上升 当下管关断时上管的体二极管续流 当体二极管导通后然后再去开通上管 设定一定的死区时间 同样可以实现上管的零电压开通 当上管关断时电感的电流为正值 在下个周期下管要开通时 存在较大的开关损耗 总结起来 Buck 模式下 只有下关的开通 可以通过死区时间来实现 ZVS 下管的关断 上管的开通和关断 都有较大的损耗 介绍完硬开关的双向 DC-DC 变换器 再介绍软开关 DC-DC 变换器 首先来看 Buck 模式 当上管开通时电感电流线性上升 上管关断时 下管的体二极管续流 当体二极管开通后然后再去开通下管 可以实现下管的零电压开通 在下管的开通期间 电感电流线性的下降 当下管关断时电感的电流为负值 这个电感的负电流可以充电下管的结电容 当开关节点的电压和输入电压相等时 再去开通上管 实现了上管的零电压开通 接下来看 Boost 模式 当下管开通时 电感电流线性上升 当下管关断时 上管的体二极管续流 当体二极管导通后 然后再去开通上管 设定一定的死区时间 同样可以实现上管的零电压开通 当上管关断时 电感的电流为负值 这个电感的负电流 可以使下管的体二极管来续流 当体二极管导通后再去开通下管 可以实现下管的零电压开通 总结起来软开关模式下 只有上管和下管的开通 可以通过死区时间来实现 ZVS 但是上管和下管的关断仍然存在较大的损耗 谢谢大家