「双向dcdc变换器」双向dcdc变换器电路工作原理

今天我们来聊聊双向dcdc变换器,以下6个关于双向dcdc变换器的观点希望能帮助到您找到想要的新能源资讯。

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新能源汽车的DC/DC变压器功用？

DC/DC 变换器，作为电动汽动力系统中很重要的一部分，它的一类重要功用是为动力转向系统，空调以及其他辅助设备提供所需的电力。另一类，是出现在复合电源系统中，与超级电容串联，起到调节电源输出，稳定母线电压的作用。

给车载电气供电，DCDC在电动汽车电气系统中的位置，如下图所示。它的电能来自于动力电池包，去处是给车载用电器供电。

与超级电容配合使用的DCDC，在整车电源中的位置如下图所示，它可能出现在图（b）、（c）、（d）中所示位置上，而（b）是应用较多的一种形式。

1 DCDC分类和工作原理

1.1 隔离型和非隔离型

什么是电气隔离？

百度来的一段话：电气隔离，就是将电源与用电回路作电气上的隔离，即将用电的分支电路与整个电气系统隔离，使之成为一个在电气上被隔离的、独立的不接地安全系统，以防止在裸露导体故障带电情况下发生间接触电危险。实现电气隔离以后，两个电路之间没有电气上的直接联系。即，两个电路之间是相互绝缘的。同时还要保证两个电路维持能量传输的关系。电气隔离的作用主要是减少两个不同的电路之间的相互干扰，降低噪声。

非隔离双向DCDC，结构比较简单，每个部件都是直接相连，没有额外的能量损失，工作效率比较髙。对升压侧的电容要求比较高。主要的非隔离DCDC电路结构有双向半桥boost-buck电路，双向buck-boost电路，双向buck电路，双向Zate-Sepic电路，如下图所示。

隔离型双向DCDC，在非隔离型双向DCDC转换器的基础上加上一个高频变压器就构成了隔离型双向DCDC转换器，高频变压器两侧的电路拓扑可以是全桥式、半桥式、推挽式等等。这几种隔离型的双向DCDC转换器，采用了更多的功率开关，电压变比大，带电气隔离等优点。但是这类DCDC转换器结构复杂，成本也相对较高，转换器的损耗高，低频时会导致隔离变压器铁芯饱和，损耗会进一步增加。因此，非隔离型双向DCDC转换器比隔离型在电动汽车上运用更具有优势。

当能量由高皮侧流向低压侧时，双向DCDC转换器工作在BUCK模式；能量由低压侧流向高压侧时，双向DCDC转换器工作在BOOST工作模式。

1.2 DCDC系统三个组成分

主电路

又叫做功率模块，是整个DCDC的主体。一个典型的全桥型 DCDC 变换器主电路拓扑如下图所示。

上图中，Vin为输入电压，需要通过DCDC回路，在输出端得到一个需要的输出电压。原边开关电路，将输入电流调制成矩形波，这个过程主要依靠控制器调制特定占空比的PWM波，用以驱动四个开关管按照既定的顺序和时间开闭，从而实现电流逆变过程。原边输入电压可以通过占空比调节，占空比增加输出电压也增加，占空比减小输出电压减小。频率则可以通过调节开关频率调节。T1位变压器，变比你n。变压器既可以实现电气隔离，又可以起到电压调节的作用。一个固定的原边线圈匝数，副边改变匝数，即可得到不同的电压等级。变压器的输入，是经过左侧全桥电路逆变得到的脉冲矩形波，传递到变压器的副边，得到的是另一个电压幅值的交流正弦波。经过DR1和DR2整流以后，再经由Cf和Rl滤波处理，得到直流电，提供给输出端。

驱动模块

对于控制芯片输出的四路 PWM 驱动信号来说，并不能直接驱动四个功率开关管。所以，一般来说，开关电源是需要配套一个驱动电路来驱动功率开关管。驱动电路种类很多，主要由以下三种:

直接耦合型：控制芯片的每一路输出 PWM 驱动信号经过由两个三极管组成的放大电路来驱动功率开关管。此种方法无法实现控制部分与主电路的隔离。

脉冲变压器耦合型驱动电路：此电路是在直接耦合型的基础上加上了一个脉冲变压器，实现了控制电路与主电路的隔离。但是这种结构的缺点是，涉及到变压器的设计、制作等方面，比较复杂。

驱动芯片的驱动电路：为了更加方便地来驱动功率开关管，很多公司研制出驱动芯片，驱动芯片可以输出较大的功率，驱动开关管，而且随着芯片的小型化发展，现在的驱动芯片体积非常小，有各种封装形式。利用驱动芯片对功率开关管驱动，这种方法比较简单，但是控制电路与主电路仍然没有实现隔离。

控制模块

主电路的反馈主要有三种控制模式：电压控制模式，峰值电流控制模式，平均电流控制模式。

电压控制模式：属于电压反馈，利用输出电压进行校正，是单环反馈模式，输出电压采样与输入基准电压比较，得到的输出信号与一锯齿波电压比较，输出 PWM波信号。电压控制模式设计以和运用都比较简单，但是电压控制模式没有对输出电流进行控制，有一定的误差存在，并且输出电压先经过电感以及电容的滤波，使得动态响应比较差。

峰值电流控制模式：峰值电流控制模式与电压控制模式的区别在于，峰值电流控制模式中，把电压控制模式的那一路锯齿波形，转换成了电感的瞬时电流与一个小锯齿波的叠加。但是电感的瞬时电流并不能表示平均电流的情况。

平均电流控制模式：属于双环控制方式，电压环的输出信号作为基准电流与电感电流的反馈信号比较。设置误差放大器，可以平均化输入电流的一些高频分量，输出的经过平均化处理的电流，再与芯片产生的锯齿波进行比较，输出合适的 PWM 波形。

电感电流和电容电压因此需要对两个变量都要进行PID整定，一个典型的控制流程如下图所示。控制模块是由两个PID控制器组成，分别是电压控制控制外环和电流控制内环，在流程图中给出一个参考电压，设计合理的参数，就可以很快速的达到控制系统的目的。

相比三种控制方式，平均电流的控制方式不限制占空比，对输出电压和电感电流均进行反馈，有比较好的控制效果。采用平均电流控制方式进行反馈电路的设计时，把电流环是看作电压环的一部分。

1.3 软开关和硬开关

DCDC中的硬开关与软开关有何区别？

硬开关和软开关是针对开关管来讲的。

硬开关是不管开关管(DS极或CE极)上的电压或电流，强行turn on或turn off开关管。当开关管上(DS极或CE极)电压及电流较大时开关管动作，由于开关管状态间的切换(由开到关，或由关到开)需要一定的时间，这会造成在开关管状态间切换的某一段时间内电压和电流会有一个交越区域，这个交越造成的开关管损耗称为开关管的切换损耗。软开关是指通过检测开关管电流或其他技术，做到当开关管两端电压或流过开关管电流为零时才导通或关断开关管，这样开关管就不会存在切换损耗。一般来说软开关的效率较高(因为没有切换损)；操作频率较高，PFC或变压器体积可以减少，所以体积可以做的更小。但成本也相对较高，设计较复杂。

进一步的，软开关包括三种控制方式：双极性控制，有限双极性控制，移相全桥控制，得到的矩形波波形如下图所示。

Q1 和 Q3 为超前桥臂上的开关管，属于同一桥臂，而 Q1 和 Q4 为对角的开关管，分别属于两个桥臂。第一种控制方式为硬开关，第二和第三种均可以实现软开关，但是第三种的控制方式较灵活，比较容易实现。

由于对功率密度越来越高的要求，可以通过提高频率来提高功率性能的软开关类DCDC是当前研究的主要方向。软开关包括3种主要控制方式：ZVS 移相全桥变换， ZCS 移相全桥变换，ZVZCS移相全桥变换。

2 给车载用电器供电，怎样估计DCDC功率

每一个用电设备都有自身工作的额定电压和额定电流，如果电动汽车中的用电设备经常处于非额定状态下工作的话，会大大降低电能转换效率，寿命受损甚至会导致设备损坏。因此，DCDC的规格与所在系统的需求相匹配，才能更好的发挥功能。一般的选型思路不是直接将全部电气功率加在一起，因为他们可能并不是全部同时工作的。

根据纯电动汽车车载电子设备的不同属性，能把用电设备分为长期用电、连续用电、短时间间歇用电和附加用电设备种类型，并赋于不同的权值。其中，长期用电设备包括组合仪表和蓄电池，权值取1；连续用电设备包括雨刮、电机、音响系统和仪表照明等设备，权值可取0.5；短时间间歇用电设备包括电喇机、各类信号灯、控制器等设备，权值可取0.1；附加用电设备电动真空泵、电动水泵和电动转向，权值根据实际情况分别取0.1、1、0.3。各类设备所消耗功率分析如表所示。

3 配合超级电容应用的DCDC怎样确定电气参数？

在复合电源系统中，超级电容一般都被定义成应对大功率的部分，放电过程，针对工况峰值，提供均值以上的部分；制动能量回收过程，承担全部或者绝大部分回收电流的吸纳。面对冲击功率，DCDC在两个方面的要求比较高。一个是反应速度，电池与超级电容并联的电源回路中，制动能量从电机产生，通过母线向电源传递。如果DCDC的反应不够灵敏，接通时间较长，则涌来的能量被DCDC隔离在超级电容以外，得不到吸纳，只能由电池吸纳，过大的功率会给电池带来永久性的损伤。DCDC的另一个要求就是能够承受瞬时大功率的冲击，串联在电容回路的DCDC，需要经常面对冲击功率的工作状态。因此，选择与超级电容串联在统一支路的DCDC，最重要的参数就是功率范围，工作电压和动作时间。

本文整理自下列文献和互联网公开资料：

1 邹捷，电动汽车移相全桥DC_DC变换器研究；

2 陈建龙，电动汽车的双向DC_DC变换器的研究 ；

3 王必荣，纯电动汽车双向DC_DC转换器的设计与研究；

4 张智平，电动汽车DC_DC变换器的研究与设计；

5 李慧，车用DCDC综述；

6 纵卫卫，电动汽车DC_DC变换器电磁干扰优化研究；

（图片来自互联网公开资料）

双向DC-DC变换器的控制方法有哪些？请详细点，谢谢。

双向DC－DC变换器具备：对线圈（N1、N2）进行磁耦合的变压器（2），开关电路（11、12），并联连接开关（SW1）的二极管（D1）、平滑电容器（C1、C2）、控制单元（1）。该双向DC－DC变换器在分别并联连接平滑电容器（C1、C2）的直流电源（V1）、（V2）间进行双向授受电力。在从直流电源（V1）向直流电源（V2）提供电力时，将开关（SW1）保持在接通状态。另一方面，在从直流电源（V2）向直流电源（V1）提供电力时，将开关（SW1）保持在断开状态，以防止来自直流电源（V1）的电力的逆流。

DC/DC转换器的DC-DC转换器的分类

DC-DC变换器,按接线方式来区分有两种,一种是不隔离的转换器,一种是隔离的转换器.

分别说明:不隔离的转换器一般有3根线,一根输入,一根输出,还有一根,输入与输出公用.输出与输出有电气连接.比如二轮电平车的车灯使用的60V变12V的降压转换器.这类转换器的纹波噪音较大,用于对电压质量要求不高的设备.比如车灯.但价格低.

隔离式的转换器则有4根线,输入有正极和负极,输出也有正极和负极,都是独立的.输出与输出没有电气连接.这类转换器,电压稳定,纹波噪音小,用于一些高档或精密的设备.比如摄像头,自动化设备,价格较高. 这种隔离转换器可以把输入和输出和一根线合并起来使用,组成不隔离的转换器.例如:

隔离式DC-DC乐清市融经电子出品

+- 为输入的正负极,+V-V为输出的正负极,输入与输出是绝缘的,没有电气连接.

按输出电压高低来分:

升压DC-DC:比如:6V变12V

降压DC-DC:比如:48变24V

升降型DC-DC:比如上图可以把18V变成24V,也可以把36V变成24V.

隔离型和不隔离的DC-DC转换器都有上面3种类型.

34063用于双向dcdc变换器分析优点及缺点

DC/DC转换器目录

一. 电荷泵

1. 工作原理2. 倍压模式如何产生3. 效率4. 电荷泵应用5. 电荷泵选用要点

二. 电感式DC/DC

1. 工作原理（BUCK）2. 整流二极管的选择3. 同步整流技术4. 电感器的选择5. 输入电容的选择6. 输出电容的选择7. BOOST 与 BUCK的拓扑结构一. 电荷泵

1. 工作原理2. 倍压模式如何产生3. 效率4. 电荷泵应用5. 电荷泵选用要点

二. 电感式DC/DC

1. 工作原理（BUCK）2. 整流二极管的选择3. 同步整流技术4. 电感器的选择5. 输入电容的选择6. 输出电容的选择7. BOOST 与 BUCK的拓扑结构

展开 DC/DC是开关电源芯片。 开关电源，指利用电容、电感的储能的特性，通过可控开关（MOSFET等）进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容（感）里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量。其输出的功率或电压的能力与占空比（由开关导通时间与整个开关的周期的比值）有关。开关电源可以用于升压和降压。 我们常用的DC-DC产品有两种。一种为电荷泵（Charge Pump），一种为电感储能DC-DC转换器。本文详细讲解了这两种DC/DC产品的相关知识。编辑本段一. 电荷泵

电荷泵为容性储能DC-DC产品，可以进行升压，也可以作为降压使用，还可以进行反压输出。电荷泵消除了电感器和变压器所带有的磁场和电磁干扰。

1. 工作原理

电荷泵是通过外部一个快速充电电容（Flying Capacitor），内部以一定的频率进行开关，对电容进行充电，并且和输入电压一起，进行升压（或者降压）转换。最后以恒压输出。 在芯片内部有负反馈电路，以保证输出电压的稳定，如上图Vout ，经R1,R2分压得到电压V2，与基准电压VREF做比较，经过误差放大器A，来控制充电电容的充电时间和充电电压，从而达到稳定值。 电荷泵可以依据电池电压输入不断改变其输出电压。例如，它在1.5X或1X的模式下都可以运行。当电池的输入电压较低时，电荷泵可以产生一个相当于输入电压的1.5倍的输出电压。而当电池的电压较高时，电荷泵则在1X模式下运行，此时负载电荷泵仅仅是将输入电压传输到负载中。这样就在输入电压较高的时候降低了输入电流和功率损耗。

2. 倍压模式如何产生

以1.5x mode为例讲解：电压转换分两个阶段完成。 第一阶段 在第一阶段， C1和C2串联。假设C1=C2，则电容充电直到电容电压等于输入电压的一半 VC1+-VC1-=VC2+-VC2-=VIN/2 第二阶段 在第二阶段，C1和C2并联，连接在VIN和VOUT之间。 VOUT=VIN+VIN/2=1.5VIN

3. 效率

电荷泵的效率是根据电荷泵的升压模式，输入电压和输出电压所决定，如果是以2倍压模式进行升压，那么它的效率为Vout/2Vin。输入电压越小，效率越高。

4. 电荷泵应用

在我们的设计中，电荷泵经常被用作白光LED驱动，一般在手机中应用于并联LCD背光驱动芯片。而串联背光驱动芯片则应选择电感式的DC/DC，因为它对电压要求较高。

5. 电荷泵选用要点

选用电荷泵时考虑以下几个要素： · 转换效率要高 · 静态电流要小，可以更省电； · 输入电压要低，尽可能利用电池的潜能； · 噪音要小，对手机的整体电路无干扰； · 功能集成度要高，提高单位面积的使用效率，使手机设计的更小巧； · 足够的输出调整能力，电荷泵不会因工作在满负荷状态而发烫； · 封装尺寸小是手持产品普遍要求； · 按装成本低，包括周边电路少占PCB板面积小，走线少而简单； · 具有关闭控制端，可在长时间待机状态下关闭电荷泵，使供电电流消耗近乎为0。编辑本段二. 电感式DC/DC

它是通过电感不断的储能/放电，最后达到稳定电压/电流输出的转换器。根据输出电压与输出电压的高低比较，可以分为boost（输出电压远高于输入电压）和buck（输出电压低于输入电压）。它们的拓扑结构不同。 Boost一般用于lcd串联背光驱动以及oled驱动，一般使用得输出电压在十几伏。 Buck 用于多媒体协处理器的核电压。

1. 工作原理（BUCK）

上图降压转换器最基本的电路：是利用MOSFET开关闭合时在电感器中储能，并产生电流。当开关断开时，贮存的电感器能量通过二极管输出给负载。 输出电压值与占空比（开关开启时间与整个开关周期之间的比 ）有关。

2. 整流二极管的选择

该二极管必须具有与输出电压相等或更大的反向额定电压。其平均额定电流必须比所期望的最大负载电流大得多。其正向电压降必须很低，以避免二极管导通时有过大的损耗。此外，因为MOSFET工作于高频开关模式，所以需要二极管具有从导通状态到非导通状态时，很快恢复。反应速度越快，DC/DC的效率越高。 肖特基二极管(而非传统的超快速二极管)具有更低的正向电压降和极佳的反向恢复特性。

3. 同步整流技术

同步整流是采用通态电阻极低的专用功率MOSFET，来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。它能大大提高DC/DC变换器的效率。功率MOSFET属于电压控制型器件，它在导通时的伏安特性呈线性关系。用功率MOSFET做整流器时，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称之为同步整流。 当输出电压降低时，二极管的正向电压的影响很重要，它将降低转换器的效率。物理特性的极限使二极管的正向电压降难以降低到0.3V以下。相反，可以通过加大硅片的尺寸或并行连接分离器件来降低MOSFET的导通电阻RDS(ON)。因此，在给定的电流下，使用一个MOSFET来替代二极管可以获得比二极管小很多的电压降。 在同步降压转换器中，通过用两个低端的MOSFET来替换肖特基二极管可以提高效率（图1b）。这两个MOSFET必须以互补的模式驱动，在它们的导通间隙之间有一个很小的死区时间（dead time），以避免同时导通。同步FET工作在第三象限，因为电流从源极流到漏极。

4. 电感器的选择

随着开关的打开和闭合，升压电感器会经历电流纹波。一般建议纹波电流应低于平均电感电流的20%。电感过大将要求使用大得多的电感器，而电感太小将引起更大的开关电流，特别在输出电容器中，而这又要求更大的电容器。 电感值的选择取决于期望的纹波电流。如等式1所示，较高的VIN或VOUT也会增加纹波电流。电感器当然必须能够在不造成磁芯饱和(意味着电感损失)情况下处理峰值开关电流。 由公式可以得出： （1） 开关频率越高，所需的电感值就可以减小； （2） 电感值增大，可以降低纹波电流和磁芯磁滞损耗。但电感值的增大，电感尺寸也相应的增大，电流变化速度也减慢。 为了避免电感饱和，电感的额定电流值应该是转换器最大输出电流值与电感纹波电流之和。 电感的直流电阻(RDC)，取决于所采用的材料或贴片电感器的构造类型，在室温条件下通过简单的电阻测量即可获得。RDC的大小直接影响线圈的温度上升。因此，应当避免长时间超过电流额定值。 线圈的总耗损包括RDC中的耗损和下列与频率相关联的耗损分量：磁芯材料损耗(磁滞损耗、涡流损耗)；趋肤效应造成的导体中的其他耗损(高频电流位移)；相邻绕组的磁场损耗(邻近效应)；辐射损耗。 将上述所有耗损分量组合在一起构成串联耗损电阻(Rs)。耗损电阻主要用于定义电感器的品质。然而，我们无法用数学方法确定Rs，一般采用阻抗分析仪在整个频率范围内对电感器进行测量。 电感线圈电抗(XL)与总电阻(Rs)之比称为品质因素Q，参见公式(2)。品质因素被定义为电感器的品质参数。损耗越高，电感器作为储能元件的品质就越低。 品质—频率图可以帮助选择针对特定应用的最佳电感器结构。如测量结果图2所示，可以将损耗最低(Q值最高)的工作范围定义为一直延伸到品质拐点。如果在更高的频率使用电感器，损耗会剧增(Q降低)。 良好设计的电感器效率降低微乎其微。不同的磁芯材料和形状可以相应改变电感器的大小/电流和价格/电流关系。采用铁氧体材料的屏蔽电感器尺寸较小，而且不辐射太多能量。选择何种电感器往往取决于价格与尺寸要求以及相应的辐射场/EMI要求。

5. 输入电容的选择

因为buck有跳跃的输入电流，需要低ESR的输入电容，实现最好的输入电压滤波。输入电容值必须足够大，来稳定重负载时的输入电压。如果用陶瓷输出电容，电容RMS纹波电容范围应该满足应用需求。 陶瓷电容具有低ESR值，表现出良好的特性。并且与钽电容相比，陶瓷电容对瞬时电压不敏感。

6. 输出电容的选择

输出电容器的有效串联电阻(ESR)和电感器值会直接影响输出纹波电压。利用电感器纹波电流((IL)和输出电容器的ESR可以简单地估测输出纹波电压。 输出电压纹波是由输出电容的ESR引起的电压值，和由输出电容冲放电引起的电压纹波之和 有些厂家的DC/DC产品的内部由补偿环路，以实现最佳的瞬态响应和环路稳定性。当然，内部补偿能够理想地支持一系列工作条件，而且能够敏感地响应输出电容器参数变化。

7. BOOST 与 BUCK的拓扑结构

如上图，BOOST 与 BUCK电路结构不一样, Boost 电路是电感在输入电源与升压整流管之间, 开关管接电源地. BUCK 是电感在开关管与出电源之间,续流二级管反向接开关管与电源地

什么是双向DC-DC

有双向DC-DC变换器 就是保持变换器两端直流电压极性不变的情况下，能够根据需要调节能量传递方向直流变换器 个人观点

图中双向桥式DC/DC变换器的两个电容起什么作用？大小该怎么取值？

这个是典型的逆变、变压、整流三块电路，两个电容都是起到滤波平滑电流的作用（这种说法可能不确切），至于电压纹波限制在5%时电容的大小，确实不知道怎么计算，但电容的大小跟蓄电池的容量有很大关系，如果容量小，但对应的电容也小，若蓄电池容量大，则对应的电容也大。还是根据实际情况进行选择比较合适。

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