针对电动车领域电压变比小,无需电气隔离的要求,非隔离的半桥型双向DC/DC变换器具有成本低,控制简单,效率高的优点。当电流容量大时,采用多相交错并联的结构,在减小每相电路电流应力的同时,减小了总输出电流的纹波,降低了对输出滤波器件的要求,有利于提高变换器的功率密度和实现系统集成。本文介绍了基于半桥结构的交错并联双向DC/DC变换器,采用半桥型双向DC/DC变换器功率电路的通用数学模型,设计了结合buck和boost工作模式的数字控制器,其能够进行两种工作模式的自然切换,实现电流的平滑双向流动。
本文以电感体积系数和最大电流作为电感设计的综合指标。在满足变换器工作模式的前提下,通过对电感体积系数和最大电流值的综合优化,减小了电感的体积,降低了电路中最大电流,便于系统的实现和减小损耗。
针对双向DC/DC电路的输入和输出均可作为电源和负载的特性,采用具有通用意义的三阶功率电路模型进行了功率电路的建模,其包括了buck模式、boost模式、阻性负载、电池负载等多种情况。在此基础上,本文结合超级电容的电路模型进行了讨论。当一侧为纯阻性负载时,模型退化为普通的二阶buck和boost变换器。当两侧均为电源时,系统可以简化为一阶系统。
本文设计了结合buck模式和boost模式的电流型统一控制器,不同于传统的对两个工作模式采用单独控制器的方式,采用统一的控制器能够实现控制模式的自然切换,电流换向更加平滑。系统的波特图表明,经数字控制器补偿后的系统具有足够的幅值和相位裕度。
最后,介绍了样机的隔离采样电路和PCB的优化设计,并在样机上验证了功率电路和控制器的设计。实验结果表明,本文设计的双向DC/DC变换器能够实现超级电容侧150A电流的双向流动,达到了预期的设计指标。
