双向DCDC变换器损耗分析与热分析.docx
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双向DCDC变换器损耗分析与热分析
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、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-24NFH
300A/1200V
Vce(sat)=2.0V
VF=1.2V
IGBT(高压侧)
S5~S6
三菱CM300DY-34A
300A/1700V
Vce(sat)=1.65V
VF=1.5V
储能电感
Lk
丝包线(0.1mm*600)
iLk_max=55A
66.8uH
变压器变比
n
铁基非晶
1.25
输入滤波电容
C1
SHB-500-50-4*2
50uF(500V)
C=100uF
ESR=1.75mΩ
输出滤波电容
C2
SHB-900-55-4*4
55uF(900V)
C=220uF
ESR=0.75mΩ
开关频率
fs
20kHz
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2.3DAB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)
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-24NFH
300A/1200V
Vce(sat)=2.0V
VF=1.2V
IGBT(高压侧)
S5~S6
三菱CM300DY-34A
300A/1700V
Vce(sat)=1.65V
VF=1.5V
储能电感
Lr1=Lr2
丝包线(0.1mm*600)
Ir_max=39.6A
35.2uH
谐振电容
Cr1=Cr2
STD-2000-0.68*5
0.68uF(2000V)
3.4uFESR=1mΩ
变压器变比
n
铁基非晶
1.25
输入滤波电容
C1
SHB-500-50-4*2
50uF(500V)
C=100uF
ESR=1.75mΩ
输出滤波电容
C2
SHB-900-55-4*4
55uF(900V)
C=220uF
ESR=0.75mΩ
谐振频率
fr
19kHz
开关频率
fs
20kHz
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-24NFH
300A/1200V
Vce(sat)=2.0V
VF=1.2V
IGBT(高压侧)
S5~S8
三菱CM300DY-34A
300A/1700V
Vce(sat)=1.65V
VF=1.5V
IGBT(Buck-Boost)
T1、T2
FF300DU-24NFH
300A/1200V
Vce(sat)=2.0V
VF=1.2V
Buck-Boost电感
L
丝包线
IL_max=18A
1.1mH
谐振电感
Lr1=Lr2
丝包线(0.1mm*600)
Ir_max=39.6A
35.2uH
谐振电容
Cr1=Cr2
STD-2000-0.68*5
0.68uF(2000V)
3.4uF
ESR=1mΩ
变压器变比
n
铁基非晶
1.25
输入滤波电容
C1
SHB-500-50-4*2
50uF(500V)
C=100uF
ESR=1.75mΩ
输出滤波电容
C2
SHB-900-55-4*4
55uF(900V)
C=220uF
ESR=0.75mΩ
两级直流耦合电容
Cm
SHB-900-55-4*8
55uF(900V)
C=440uF
ESR=1.75mΩ
谐振频率
fr
19kHz
开关频率
fBuck-Boost
5kHz
fSRC
20kHz
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-24NFH
300A/1200V
Vce(sat)=2.0V
VF=1.2V
IGBT(高压侧)
S5~S8
三菱CM300DY-34A
300A/1700V
Vce(sat)=1.65V
VF=1.5V
IGBT(Buck-Boost)
T1、T2
FF300DU-24NFH
300A/1200V
Vce(sat)=2.0V
VF=1.2V
Buck-Boost电感
L
丝包线
IL_max=32.5A
1.1mH
谐振电感
Lr1=Lr2
丝包线(0.1mm*600)
Ir_max=39.6A
35.2uH
谐振电容
Cr1=Cr2
STD-2000-0.68*5
0.68uF(2000V)
3.4uF
ESR=1mΩ
变压器变比
n
铁基非晶
1.25
输入滤波电容
C1
SHB-500-50-4*2
50uF(500V)
C=100uF
ESR=1.75mΩ
输出滤波电容
C2
SHB-900-55-4*4
55uF(900V)
C=220uF
ESR=0.75mΩ
两级直流耦合电容
Cm
SHB-900-55-4*8
55uF(900V)
C=440uF
ESR=1.75mΩ
谐振频率
fr
19kHz
开关频率
fBuck-Boost
5kHz
fSRC
20kHz
4.低压侧Buck-Boost+SRC(MOSFET)
器件
标号
型号
规格
参数值
IGBT(低压侧)
S1~S4
SANYO
2SK2348
14A/1200V
Vce(sat)=2.5V
VF=1.5V
IGBT(高压侧)
S5~S8
SANYO
2SK2348
14A/1200V
Vce(sat)=2.5V
VF=1.5V
IGBT(Buck-Boost)
T1、T2
FF300DU-24NFH
300A/1200V
Vce(sat)=2.0V
VF=1.2V
Buck-Boost电感
L
丝包线
IL_max=32.5A
1.1mH
谐振电感
Lr1=Lr2
丝包线(0.1mm*600)
Ir_max=39.6A
35.2uH
谐振电容
Cr1=Cr2
STD-2000-0.68*5
0.68uF(2000V)
3.4uF
ESR=1mΩ
变压器变比
n
铁基非晶
1.25
输入滤波电容
C1
SHB-500-50-4*2
50uF(500V)
C=100uF
ESR=1.75mΩ
输出滤波电容
C2
SHB-900-55-4*4
55uF(900V)
C=220uF
ESR=0.75mΩ
两级直流耦合电容
Cm
SHB-900-55-4*8
55uF(900V)
C=440uF
ESR=1.75mΩ
谐振频率
fr
19kHz
开关频率
fBuck-Boost
5kHz
fSRC
20kHz
5.总结
温升由大到小:
双向DAB(42℃)SRC(38℃)高压侧Buck-Boost+SRC(18℃)低压侧Buck-Boost+SRC(14℃)低压侧Buck-Boost+SRC(MOSFET)(12℃)
总损耗对比
总效率对比
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- 关 键 词:
- 双向 DCDC 变换器 损耗 分析