双向DC-DC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-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=1.75mΩ输出滤波电容C2SHB-900-55-4*455uF（900V）C=220uFESR=0.75mΩ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2.3DAB电路主开关管Icepak热仿真温升曲线105732621050100150低压侧IGBT高压侧IGBT储能电感变压器移相DAB电路损耗分布损耗/W2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-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)3.4uFESR=1mΩ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=1.75mΩ输出滤波电容C2SHB-900-55-4*455uF（900V）C=220uFESR=0.75mΩ谐振频率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）901173425020406080100120低压侧IGBT高压侧IGBT谐振电感变压器单级SRC电路损耗分布损耗…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/1700VVce(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=1mΩ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=1.75mΩ输出滤波电容C2SHB-900-55-4*455uF（900V）C=220uFESR=0.75mΩ两级直流耦合电容CmSHB-900-55-4*855uF（900V）C=440uFESR=1.75mΩ谐振频率fr19kHz开关频率fBuck-Boost5kHzfSRC20kHz682015302401020304050607080SCRBuck-BoostBuck-Boost电感谐振电感变压器SRC+高压侧Buck-Boost电路损耗分布损耗…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(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=1mΩ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=1.75mΩ输出滤波电容C2SHB-900-55-4*455uF（900V）C=220uFESR=0.75mΩ两级直流耦合电容CmSHB-900-55-4*855uF（900V）C=440uFESR=1.75mΩ谐振频率fr19kHz开关频率fBuck-Boost5kHzfSRC20kHz56302025180102030405060SCRBuck-BoostBuck-Boost电感谐振电感变压器低压侧Buck-Boost+SRC电路损耗分布损耗/W4.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=1mΩ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=1.75mΩ输出滤波电容C2SHB-900-55-4*455uF（900V）C=220uFESR=0.75mΩ两级直流耦合电容CmSHB-900-55-4*855uF（900V）C=440uFESR=1.75mΩ谐振频率fr19kHz开关频率fBuck-Boost5kHzfSRC20kHz52272025180102030405060SCRBuck-BoostBuck-Boost电感谐振电感变压器低压侧Buck-Boost+SRC（MOSFET）电路损耗分布损耗…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225266157149142050100150200250300双向DABSRC高压侧Buck-Boost+SRC低压侧Buck-boost+SRC低压侧Buck-Boost+SRC（MOSFET）DC/DC变换器总损耗对比柱式图总损耗/W95.50%94.68%96.86%97.02%97.16%93.00%93.50%94.00%94.50%95.00%95.50%96.00%96.50%97.00%97.50%双向DABSRC高压侧Buck-Boost+SRC低压侧Buck-boost+SRC低压侧Buck-Boost+SRC（MOSFET）DC/DC变换器总效率对比柱式图总…