双向DC-DC变换器损耗分析与热分析

1、第 章 双向DC/DC变换器损耗分析这一章节主要对常见的几种DC/DC变换器拓扑的损耗进行分析，对比了三类拓扑结构：PWM加移相控制的DAB双向DC/DC变换器、移相控制的单级串联谐振双向DC/DC变换器以及两级谐振双向DC/DC变换器进行了分析和研究。通过主流的有限元热分析软件Icepak对各类DC/DC变换器主开关器件进行热分析，从中选取一种温度最低的拓扑结构。1 双向DAB变换器分析1.1 工作过程（略）1.2 移相DAB变换器的损耗及温升分析移相DAB电路产生损耗的元件主要包括：高/低压侧主开关管、储能电感、高频变压器和滤波电容。分析移相DAB变换器的工作模态可知，变换器可实现变压器原

2、、副边开关管的ZVS开通，所以开关管没有开通损耗，另外IGBT的反并联二极管在电流过零点自然关断，此过程也不产生二极管反向恢复损耗。器件标号型号规格参数值IGBT（低压侧）S1 S4三菱CM300DU-24NFH300A/1200VVce(sat)=2.0VVF=1.2VIGBT（高压侧）S5 S6三菱CM300DY-34A300A/1700VVce(sat)=1.65VVF=1.5V储能电感Lk丝包线（0.1mm*600）iLk_max=55A66.8uH变压器变比n 铁基非晶1.25输入滤波电容C1SHB-500-50-4*250uF（500V）C=100uFESR=1.75m输出滤波电容

3、C2SHB-900-55-4*455uF（900V）C=220uFESR=0.75m开关频率fs20kHz图2.2 移相DAB变换器损耗分布图由图2.2可以看出，尽管移相控制DAB电路中开关管的零电压开通很大程度的降低了开关损耗，但是考虑导通损损耗以及关断损耗以后，电路中损耗的主要部分依然是开关器件的损耗。因此为了提高系统热稳定性，我们通常会对电源系统主开关器件进行热学仿真。通过理论计算以及建模仿真我们可以得到P=5kW工作状态下，DAB电路的效率可达95.8%，主开关管温度达到62。图2.3为利用有限元分析软件Icepak对移相控制DAB电路开关器件进行的热仿真温升结果。图2.3 DAB电路

4、主开关管Icepak热仿真温升曲线2 单级串联谐振双向DC/DC变换器分析2.1 工作过程分析（略）2.2 单级串联谐振双向DC/DC变换器损耗及温升分析单级串联谐振双向DC/DC变换器产生损耗的元件包括：高/低压侧主开关管、储能电感、谐振电感、高频变压器和滤波电容。分析级串联谐振双向DC/DC变换器的工作模态可知，变换器可实现变压器原边开关管的零电压开通，但是并没有实现其他开关器件的软开关，而且SCR电路需要通过调节变压器原副边的相位差形成谐振电感的环流，进而达到调节电压的作用，这样又增加了电路的导通损耗，降低了系统效率。器件标号型号规格参数值IGBT（低压侧）S1 S4三菱CM300DU-

5、24NFH300A/1200VVce(sat)=2.0VVF=1.2VIGBT（高压侧）S5 S6三菱CM300DY-34A300A/1700VVce(sat)=1.65VVF=1.5V储能电感Lr1=Lr2丝包线（0.1mm*600）Ir_max=39.6A35.2uH谐振电容Cr1=Cr2STD-2000-0.68*50.68uF(2000V)3.4uF ESR=1m变压器变比n 铁基非晶1.25输入滤波电容C1SHB-500-50-4*250uF（500V）C=100uFESR=1.75m输出滤波电容C2SHB-900-55-4*455uF（900V）C=220uFESR=0.75m谐振

6、频率fr19kHz开关频率fs20kHz图 单级SRC电路损耗分布图分析图 可知，单级SRC电路的主要损耗仍然产生于变压器原副边的IGBT，这主要由于低压侧电流较大，以及高低压侧开关频率较高等因素。通过理论计算，在功率为5kW时单级SRC的效率接近95%。图 为ICEPAK热分析结果。3 两级谐振双向DC/DC变换器分析3.1 工作过程分析（略）高压侧Buck-Boost+SRC器件标号型号规格参数值IGBT（低压侧）S1 S4三菱CM300DU-24NFH300A/1200VVce(sat)=2.0VVF=1.2VIGBT（高压侧）S5 S8三菱CM300DY-34A300A/1700VVc

7、e(sat)=1.65VVF=1.5VIGBT(Buck-Boost)T1、T2FF300DU-24NFH300A/1200VVce(sat)=2.0VVF=1.2VBuck-Boost电感L丝包线IL_max=18A1.1mH谐振电感Lr1=Lr2丝包线（0.1mm*600）Ir_max=39.6A35.2uH谐振电容Cr1=Cr2STD-2000-0.68*50.68uF(2000V)3.4uFESR=1m变压器变比n 铁基非晶1.25输入滤波电容C1SHB-500-50-4*250uF（500V）C=100uFESR=1.75m输出滤波电容C2SHB-900-55-4*455uF（900

8、V）C=220uFESR=0.75m两级直流耦合电容CmSHB-900-55-4*855uF（900V）C=440uFESR=1.75m谐振频率fr19kHz开关频率fBuck-Boost5kHzfSRC20kHz低压侧Buck-Boost+SRC器件标号型号规格参数值IGBT（低压侧）S1 S4三菱CM300DU-24NFH300A/1200VVce(sat)=2.0VVF=1.2VIGBT（高压侧）S5 S8三菱CM300DY-34A300A/1700VVce(sat)=1.65VVF=1.5VIGBT(Buck-Boost)T1、T2FF300DU-24NFH300A/1200VVce(

9、sat)=2.0VVF=1.2VBuck-Boost电感L丝包线IL_max=32.5A1.1mH谐振电感Lr1=Lr2丝包线（0.1mm*600）Ir_max=39.6A35.2uH谐振电容Cr1=Cr2STD-2000-0.68*50.68uF(2000V)3.4uFESR=1m变压器变比n 铁基非晶1.25输入滤波电容C1SHB-500-50-4*250uF（500V）C=100uFESR=1.75m输出滤波电容C2SHB-900-55-4*455uF（900V）C=220uFESR=0.75m两级直流耦合电容CmSHB-900-55-4*855uF（900V）C=440uFESR=1.

10、75m谐振频率fr19kHz开关频率fBuck-Boost5kHzfSRC20kHz4. 低压侧Buck-Boost+SRC（MOSFET）器件标号型号规格参数值IGBT（低压侧）S1 S4SANYO2SK234814A/1200VVce(sat)=2.5VVF=1.5VIGBT（高压侧）S5 S8SANYO2SK234814A/1200VVce(sat)=2.5VVF=1.5VIGBT(Buck-Boost)T1、T2FF300DU-24NFH300A/1200VVce(sat)=2.0VVF=1.2VBuck-Boost电感L丝包线IL_max=32.5A1.1mH谐振电感Lr1=Lr2丝包线（0.1mm*600）Ir_max=39.6A35.2uH谐振电容Cr1=Cr2STD-2000-0.68*50.68uF(2000V)3.4uFESR=1m变压器变比n 铁基非晶1.25输入滤波电容C1SHB-500-50-4*250uF（500V）C=100uFESR=1.75m输出滤波电容C2SHB-900-55-4*455uF（900V）C=220uFESR=0.75m两级直流耦合电容CmSHB-900-55-4*855uF（900V