测试结果的比较

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 变换器拓扑的测试结果的 开关波形和效率的对比 首先来看硬件电路的选择 考虑到功率以及尺寸 硬开关的开关频率定在 140 kHz 可以通过计算得到 满载时电感的纹波电流为 16.25A 计算出电感值为 4.7uH 所以选用 Coilcraft 的 1.86 毫欧的这个电感 软开关的开关频率满载时 100 kHz 轻载时嵌位在 450 kHz 可以通过计算得出 满载时电感的纹波电流为 65A 计算得出电感的值为 1.4 uH 所以选用 TDK 的 0.618 毫欧的电感 由于开关频率的增加 所以看到选用的线材为多股并绕的丽兹线 硬开关模式下 开关管选择英飞凌的 100 V 1.7 毫欧的管子 而软开关模式下选用的 英飞凌 80V 1.5 毫欧的管子 对于保护用的防反接的管子 48 V 的保险丝 电感电流 采样电阻 以及 48V 输入 滤波器部分 硬开关和软开关的拓扑 选择的器件都是一样的 下面即为实物图 左边接 48 V 电池 右边接 12 V 电池 整机的长宽尺寸为 7.5 英寸和 5.0 英寸 这个图显示了软开关模式下 三相的开关节点的波形 以及主项电感电流的波形 可以看到开关节点的电压的上升率比较平滑 软开关模式轻载时最大开关频率为 450 kHz 满载时开关频率为 100kHz 接下来四张图会介绍 硬开关和软开关 12 V 侧 20 A 和 110 A Buck 和 Boost 时波形对比 Buck 模式下同步管到主管开通的 死区时间为 220 ns 主管关断到同步管开通的时间 基于负载电流而变化 首先来看看 Buck 模式下12 V 侧 20 A 情况下 硬开关和软开关的开关节点 和电感电流纹波的对比 可以看到硬开关模式下有 6V 的电压过冲 软开关模式下 电压的上升率比较平滑 再看 Buck 模式下 12V 侧 110 A 波形对比 可以看到硬开关模式下 有 20V 的电压过充 软开关模式下有接近12伏的 Undershoot 这主要是因为软开关模式下 电感电流的纹波会非常大以及 PCB 板和 MOSFET 的寄生感抗的影响 再看 Boost 模式下 12V 侧 20A 波形对比 可以看到硬开关模式下电压下降得非常快 软开关模式下电压的上升率和下降率都比较平滑 最后来看 Boost 模式下 12V 侧 110A 波形对比 可以看到硬开关模式下有 20V 的电压过冲 软开关模式下有接近12伏的 Undershoot 这也是因为前面提到的软开关模下 电感的电流非常大 以及 PCB 板和 MOSFET 的寄生感抗的影响 下面即为双向运行时的开关节点波形 12V 侧电池的电流以及电感电流波形 可以通过软件设定 12V 电池 工作在 Buck 或者 Boost 模式 以及设定电流的上升时间和下降时间 设定 Buck 和 Boost 模式的理想的切换的时间 设定 48V 和 12V 电池的过压 欠压门槛值 同时开发了控制的 GUI 界面 左边为 UCD3138芯片的 GUI 界面 方便软件调试 以及监控软件运行时寄存器的值 电路运行时参数的变化 右边为系统的 GUI 界面 方便系统测试 系统参数的设定 以及监控系统运行状态和电池的电压 电流 以上即为双向变换器 测试结果的开关波形和效率的对比 谢谢大家