低压大电流DC

低压大电流DC—DC变换器原理分析

作者：王琥珺、赵超、向盼、何刚、何霖山、向浩

指导老师：伍卫

摘要：主要介绍的是应用于电池放电中的低压大电流DC—DC变换器。首先，就其工作原理做了详细的分析说明，在此基础上，进行了仿真和实验，并对结果进行了分析。可以得出本拓扑适合应用在低压大电流的结构中。与之前广泛应用的能量从半桥侧传递到倍流侧不同，其重点在于将倍流拓扑当作双BOOST拓扑进行放电，即能量从倍流侧传递到半桥侧，可实现输入输出电压相差倍数大，而且最大限度地提高了放电的效率。

关键词：双电感；结构拓扑；低压大电流

随着新能源迅速的发展，大功率动力电池已经被应用在电动工具、电动车辆，航空航天等领域，电池化成作为电池生产过程中的关键工序关系到电池的品质和质量，而且可以将电池放的电能回馈电网，节约成本。大容量锂离子电池生产数量越大，电池化成过程造成的能量浪费问题就会表现得越明显。必须在大容量锂离子电池大规模应用的前期对高效率的电池化成设备进行研究，为大容量锂离子电池大规模应用提供必需的生产设备，既为生产厂家节电节能，也符合国家节能减排的要求。本拓扑为半桥倍流电路，具有双电感，适合低压大电流的工作状态，放电输出给PWM整流逆变电路回馈到电网，本DC—DC变换器，控制策略简便，使用了PWM策略。本文对这种变换器的工作原理作出了详细的说明。

1.主电路拓扑结构

主电路拓扑结构如图1所示，由图1可以看出，输入级的拓扑为隔离型的双BOOST电路交替并联结构，输出级为半桥电路。本文介绍的低压DC—DC升压电路是应用于电池化成设备中，要求低压直流输入，高压直流才、输出，由于该电路要求特殊，升压倍数较高，低压侧电流较大，所以实现起来有一定难度。

本拓扑的有点：（1）由于双boost电路交替并联结构使流过每个电感的电流和变压器的电流为输出电流的一半，从而减低了电感、变压器的铜损及线路中的损耗；（2）本拓扑即便在较低输入电压和较小占空比情况下也可以输出较高的电压；（3）控制简便，动态响应很好。它的缺点是需要两个升压电感，在体积上相对要大些，有一种做磁集成的方法可以将两个电感和变压器集成到一个磁芯内，这样可以大大地减小体积。

2.电路基本工作原理

电路在一个周期内可分为4个不同的工作模式如图2所示，理想的工作波形如图3所示。

图3

模式1（t0~t1）在t0时刻，开关管s1关断，且s2一直处于导通状态，从图2

（a）中可以看出，在V1、L2、S2回路中，V1加在L2两端，且L2上的电流il2增大，iL1经V1、L1从变压器的“.”端流入N1,即iN1=iL1,且iL1减小,则两电感上的电流纹波有相互抵消的作用.加在N1上的电压为V1和电感L1两端电

压之和,感应到N2的电势eN2

开关S3开通，从“.”端流出的电流iN2经S3给C1充电。

模式2（t1~t2）时刻，开关管S1开通，S2继续导通，从图2（b）中可以看出，V1并在L1和L2两端，给L1、L2同时储能，iL1由减小变为增大，而iL2继续增大，所以I1也是增大的，此时刻电感中的电压与电流的关系：

，S1、S2同时导通时，变压器原副边电压为0，且S3、S4

关断，C1、C2给V2供电。

模式3（t2~t3）时刻，开关管S2断开，且S1为导通状态，从图2（c）中可以看出，在V1、L1、S1回路中，V1加在L1两端，且L1上的电流iL1继续增大，iL2经V1、L2从非“.”端流入N1,iN1=iN2，iL2开始减少，在此期间加在N1上的电压为V2和电感L2两端电压之和，感应到N2的电势为：

开关S4开通，从N2非“.”端流出的电流iN2经S4给C2充电。

模式4（t3~t4）时刻，开关管S2开通，在这个模式下，工作原理与模式2相同。如图2（d）所示，只是这时iL2由减小变为增大。而iL1继续增大，i1继续增大。

本拓扑采用控制调节占空比的方式来实现恒流放电，在一个开关周期中，电感L1或L2上的电压伏秒平衡，设S1或S2的占空比为D，当L1上电压伏秒平衡，可得知如下公式：V1Dt=（VN1—V1）（1—D）t,其中

由于V1与V2关系，可得通过脉宽调制的方式调节

占空比来控制主回路中电流的大小。

参考文献:

[1]李晶.大容量动力电池化成设备的研究[D].北京交通大学，2009.

[2]严仰光.双向直流变换器[M].南京：江苏科学技术出版社，2004：116-120.

[3]蔡拥军，叶欣.倍流同步整流同步整流在DC—DC变换器中工作原理分析[I]电源技术应用 2005 8/（3）.15-18