雙向DC-DC變換器損耗分析與熱分析

1、第 章 雙向DC/DC變換器損耗分析這一章節(jié)主要對常見的幾種DC/DC變換器拓撲的損耗進行分析，對比了三類拓撲結(jié)構(gòu)：PWM加移相控制的DAB雙向DC/DC變換器、移相控制的單級串聯(lián)諧振雙向DC/DC變換器以及兩級諧振雙向DC/DC變換器進行了分析和研究。通過主流的有限元熱分析軟件Icepak對各類DC/DC變換器主開關(guān)器件進行熱分析，從中選取一種溫度最低的拓撲結(jié)構(gòu)。1 雙向DAB變換器分析1.1 工作過程（略）1.2 移相DAB變換器的損耗及溫升分析移相DAB電路產(chǎn)生損耗的元件主要包括：高/低壓側(cè)主開關(guān)管、儲能電感、高頻變壓器和濾波電容。分析移相DAB變換器的工作模態(tài)可知，變換器可實現(xiàn)變壓器原

2、、副邊開關(guān)管的ZVS開通，所以開關(guān)管沒有開通損耗，另外IGBT的反并聯(lián)二極管在電流過零點自然關(guān)斷，此過程也不產(chǎn)生二極管反向恢復(fù)損耗。器件標號型號規(guī)格參數(shù)值IGBT（低壓側(cè)）S1 S4三菱CM300DU-24NFH300A/1200VVce(sat)=2.0VVF=1.2VIGBT（高壓側(cè)）S5 S6三菱CM300DY-34A300A/1700VVce(sat)=1.65VVF=1.5V儲能電感Lk絲包線（0.1mm*600）iLk_max=55A66.8uH變壓器變比n 鐵基非晶1.25輸入濾波電容C1SHB-500-50-4*250uF（500V）C=100uFESR=1.75m輸出濾波電容

3、C2SHB-900-55-4*455uF（900V）C=220uFESR=0.75m開關(guān)頻率fs20kHz圖2.2 移相DAB變換器損耗分布圖由圖2.2可以看出，盡管移相控制DAB電路中開關(guān)管的零電壓開通很大程度的降低了開關(guān)損耗，但是考慮導(dǎo)通損損耗以及關(guān)斷損耗以后，電路中損耗的主要部分依然是開關(guān)器件的損耗。因此為了提高系統(tǒng)熱穩(wěn)定性，我們通常會對電源系統(tǒng)主開關(guān)器件進行熱學(xué)仿真。通過理論計算以及建模仿真我們可以得到P=5kW工作狀態(tài)下，DAB電路的效率可達95.8%，主開關(guān)管溫度達到62。圖2.3為利用有限元分析軟件Icepak對移相控制DAB電路開關(guān)器件進行的熱仿真溫升結(jié)果。圖2.3 DAB電路

4、主開關(guān)管Icepak熱仿真溫升曲線2 單級串聯(lián)諧振雙向DC/DC變換器分析2.1 工作過程分析（略）2.2 單級串聯(lián)諧振雙向DC/DC變換器損耗及溫升分析單級串聯(lián)諧振雙向DC/DC變換器產(chǎn)生損耗的元件包括：高/低壓側(cè)主開關(guān)管、儲能電感、諧振電感、高頻變壓器和濾波電容。分析級串聯(lián)諧振雙向DC/DC變換器的工作模態(tài)可知，變換器可實現(xiàn)變壓器原邊開關(guān)管的零電壓開通，但是并沒有實現(xiàn)其他開關(guān)器件的軟開關(guān)，而且SCR電路需要通過調(diào)節(jié)變壓器原副邊的相位差形成諧振電感的環(huán)流，進而達到調(diào)節(jié)電壓的作用，這樣又增加了電路的導(dǎo)通損耗，降低了系統(tǒng)效率。器件標號型號規(guī)格參數(shù)值IGBT（低壓側(cè)）S1 S4三菱CM300DU-

5、24NFH300A/1200VVce(sat)=2.0VVF=1.2VIGBT（高壓側(cè)）S5 S6三菱CM300DY-34A300A/1700VVce(sat)=1.65VVF=1.5V儲能電感Lr1=Lr2絲包線（0.1mm*600）Ir_max=39.6A35.2uH諧振電容Cr1=Cr2STD-2000-0.68*50.68uF(2000V)3.4uF ESR=1m變壓器變比n 鐵基非晶1.25輸入濾波電容C1SHB-500-50-4*250uF（500V）C=100uFESR=1.75m輸出濾波電容C2SHB-900-55-4*455uF（900V）C=220uFESR=0.75m諧振

6、頻率fr19kHz開關(guān)頻率fs20kHz圖 單級SRC電路損耗分布圖分析圖 可知，單級SRC電路的主要損耗仍然產(chǎn)生于變壓器原副邊的IGBT，這主要由于低壓側(cè)電流較大，以及高低壓側(cè)開關(guān)頻率較高等因素。通過理論計算，在功率為5kW時單級SRC的效率接近95%。圖 為ICEPAK熱分析結(jié)果。3 兩級諧振雙向DC/DC變換器分析3.1 工作過程分析（略）高壓側(cè)Buck-Boost+SRC器件標號型號規(guī)格參數(shù)值IGBT（低壓側(cè)）S1 S4三菱CM300DU-24NFH300A/1200VVce(sat)=2.0VVF=1.2VIGBT（高壓側(cè)）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電感L絲包線IL_max=18A1.1mH諧振電感Lr1=Lr2絲包線（0.1mm*600）Ir_max=39.6A35.2uH諧振電容Cr1=Cr2STD-2000-0.68*50.68uF(2000V)3.4uFESR=1m變壓器變比n 鐵基非晶1.25輸入濾波電容C1SHB-500-50-4*250uF（500V）C=100uFESR=1.75m輸出濾波電容C2SHB-900-55-4*455uF（900

8、V）C=220uFESR=0.75m兩級直流耦合電容CmSHB-900-55-4*855uF（900V）C=440uFESR=1.75m諧振頻率fr19kHz開關(guān)頻率fBuck-Boost5kHzfSRC20kHz低壓側(cè)Buck-Boost+SRC器件標號型號規(guī)格參數(shù)值IGBT（低壓側(cè)）S1 S4三菱CM300DU-24NFH300A/1200VVce(sat)=2.0VVF=1.2VIGBT（高壓側(cè)）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電感L絲包線IL_max=32.5A1.1mH諧振電感Lr1=Lr2絲包線（0.1mm*600）Ir_max=39.6A35.2uH諧振電容Cr1=Cr2STD-2000-0.68*50.68uF(2000V)3.4uFESR=1m變壓器變比n 鐵基非晶1.25輸入濾波電容C1SHB-500-50-4*250uF（500V）C=100uFESR=1.75m輸出濾波電容C2SHB-900-55-4*455uF（900V）C=220uFESR=0.75m兩級直流耦合電容CmSHB-900-55-4*855uF（900V）C=440uFESR=1.

10、75m諧振頻率fr19kHz開關(guān)頻率fBuck-Boost5kHzfSRC20kHz4. 低壓側(cè)Buck-Boost+SRC（MOSFET）器件標號型號規(guī)格參數(shù)值IGBT（低壓側(cè)）S1 S4SANYO2SK234814A/1200VVce(sat)=2.5VVF=1.5VIGBT（高壓側(cè)）S5 S8SANYO2SK234814A/1200VVce(sat)=2.5VVF=1.5VIGBT(Buck-Boost)T1、T2FF300DU-24NFH300A/1200VVce(sat)=2.0VVF=1.2VBuck-Boost電感L絲包線IL_max=32.5A1.1mH諧振電感Lr1=Lr2絲包線（0.1mm*600）Ir_max=39.6A35.2uH諧振電容Cr1=Cr2STD-2000-0.68*50.68uF(2000V)3.4uFESR=1m變壓器變比n 鐵基非晶1.25輸入濾波電容C1SHB-500-50-4*250uF（500V）C=100uFESR=1.75m輸出濾波電容C2SHB-900-55-4*455uF（900V）C=220uFESR=0.75m兩級直流耦合電容CmSHB-900-55-4*855uF（900V