双向DC-DC变换器损耗分析与热分析

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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、移和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，从屮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）图2.1单相DAB双向DC/DC变换器结构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

2、析移相DAB变换器的工作模态可知，变换器可实现变压器原、副边开关管的ZVS开通，所以开关管没有开通损耗，另外IG盯的反并联二极管在电流过零点自然关断，此过程也不产牛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U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ClSHB-500-50-

3、4*250uF(500V)C=100uFESR=1.75mQ输出滤波电容C2SHB-900-55-4*455uF(900V)C=220uFESR=0.75mQ开关频率fs20kHz由图2.2町以看岀，尽管移相控制DAB电路屮开关管的零电压开通很人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=5kWT作状态下，DAB电路的效率可达95.8%,主开关管温度达到62°Co图23为利用有限元分析软件Icepak対移和控

4、制DAB电路开关器件进行的热仿真温升结果。图23DAB电路主开关管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）卑卑杯旳卑E2.5串联谐振双向DC/DC变换眾结构1.2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变换器的工作模态町知，变换器町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辭原副边的相位差形成谐振电感的环流，进而达到调节电

5、压的作用，这样乂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-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Lrl=Lr2丝包线(0.1mm*600)lr_max=39.6A35.2uH谐振电容5=5STD-2000-0.68*50.68uF(2000V)3.4uFESR=lmQ变压器变比n铁基非晶1.25输入滤波电容ClSHB-500-50-4*250uF(500

6、V)C=100uFESR=1.75mQ输出滤波电容C2SHB-900-55-4*455uF(900V)C=220uFESR=0.75mQ谐振频率fr19kHz开关频率fs20kHz单级SRC电路损耗分布图单级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%o图为ICEPAK热分析结果。rXlogrYiogPPImPXgMP3两级谐振双向DC/DC变换器分析3.1工作过程分析（略）卑引附卑■（町两圾谐援受換暮癒扑一:SR

7、O离压冊Bomi（讨再圾谐按变换誥范扑二：低M!WB<>o%t+SRC图2J0呵种两ML谐扳双向DC/DC戛按零拓訂高压侧Buck-Boost+SRC器件标号型号规格参数值IG盯（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)门、T2FF300DU-24NFH300A/1200VVce(Sat)=2.0VVf=1.2VB