双向零电压-零电流全桥式直流直流转换器

1、Southern Taiwan University of Technology Department of Electrical Engineering 雙向零電壓雙向零電壓-零電流全橋式直流零電流全橋式直流/直流轉換器直流轉換器 A Bidirectional ZVS-ZCS Full-Bridge DC-DC Converter 22022/2/21 摘要 系統簡介 雙向電路架構簡介 操作原理 模擬與實驗結果 結論大綱大綱32022/2/21 本文所提出的雙向零電壓-零電流全橋式直流/直流轉換器，以傳統的全橋式轉換器為基礎，來做電路之改良的。 轉換器一次側及二次側皆使用全橋轉換器架構，為

2、了使轉換器整體效率提高，主開關達到零電壓換(ZVS)及零電流換(ZCS)，此架構可應用於電池充放電系統、不斷電系統（UPS）、分散式電源供應系統等。摘要摘要42022/2/21燃料電池系統燃料電池系統 下圖所示為燃料電池系統方塊圖，其中包含了燃料電池、升降壓轉換器、負載、蓄電池以及雙向直流/直流轉換器。當系統啟動或負載加重的瞬間，由於燃料電池內的化學反應不及，此時可由蓄電池經由雙向直流/直流轉換器以補足負載所需的能量。而當蓄電池所儲存的能量過低時，系統也可利用燃料電池所釋出的能量，藉由雙向直流/直流轉換器對蓄電池充電，使蓄電池時時維持在理想的狀態下。 52022/2/21雙向電路架構簡介雙向電

3、路架構簡介u利用等效電感Lr 和諧振電容Cr1 產生諧振，使得開關在零電流及零電壓換的情 形下工作外，同步整流開關部份亦工作在零電流的情況底下。u輸入電流Iin 因有一輸入電感Lin1具有波小之穩定直流電流值。u利用一怠滯時間，利用變壓器的激磁電流將寄生電容之電壓充放至零，使得主開關具有柔性換的工作。62022/2/21u 假設輸入端電感L夠大，輸入電流波小。u 輸出電容夠大所以可將輸出電容電壓視為定值。u 轉換器操作上可分為二種模式：降壓/充電模式與昇壓/放電模式，其兩種模式的電路操作原理及開關達柔的效果皆相同，故將針對降壓/充電模式進行詳細的描述，其昇壓/放電模式將不再描述。 操作原理操作

4、原理（續）（續）72022/2/21操作原理操作原理（續）（續）82022/2/21操作原理操作原理（續）（續）211421313212122111 1)( 1)()( 1)()( 1)(ttmsdsttmsrcdsttmsrcdsttmsdsdtICtVdtICtvtVdtICtvtVdtICtV（1）92022/2/21)()(tVNNtvrcpss（2）操作原理操作原理（續）（續）102022/2/21u元件參數共振電容Cr1：6 F磁化電感Lm：479.9 H共振電感Lr：0.912 H輸入電感Lin1：60 H變壓器匝數比N為1.83：1u電氣規格輸入電壓Vin：48 V輸出電壓Vo

5、：2521 V輸出功率Po：300 W換頻率fs：28 kHz模擬與實驗結果模擬與實驗結果-降壓降壓/充電模式（續）充電模式（續） 112022/2/21模擬與實驗結果模擬與實驗結果-降壓降壓/充電模式（續）充電模式（續）開關ZVS波形圖divVVgs/201divVVds/501divVVgs/202divVVds/502divstime/10122022/2/21模擬與實驗結果模擬與實驗結果-降壓降壓/充電模式（續）充電模式（續）開關ZCS波形圖 divVVgs/201divAIds/101divVVds/501divstime/10 132022/2/21模擬與實驗結果模擬與實驗結果-降

6、壓降壓/充電模式（續）充電模式（續） 如圖所示的實驗波形為諧振電容 在滿載情況下的電壓及變壓器一次側電流 。可以從波形圖中輕易的看到輸入電壓為一穩定的直流電流值有關。 1rCpi divVVgs/201divVVcr/401divAip/20divstime/10 142022/2/21模擬與實驗結果模擬與實驗結果-降壓降壓/充電模式（續）充電模式（續） 圖為降壓/充電模式時輸出同步整流開關 在負載 情況底下的電壓 及電流 波形。由波形中看到電流 從零開始上升 為零，因此同步整流開關在導通時操作於零電流的情況底下；並且電流 下降至零時 也為零，故可以說同步整流開關在截止時操作於零電流的情況底下

7、。 divstime/10 divVVdsa/201divAIdsa/2011aQw3001dsaV1dsaI1dsaV1dsaI1dsaI1dsaV152022/2/21u元件參數共振電容Cr2：6.6 F磁化電感Lm：141.8 H共振電感Lr：0.49 H輸入電感Lin2：20 H輸出電容：10000 F變壓器匝數比N為1：1.83u電氣規格輸入電壓Vin：24 V輸出電壓Vo：4739 V輸出功率Po：200 W換頻率fs：27 kHz模擬與實驗結果模擬與實驗結果-昇壓昇壓/放電模式（續）放電模式（續） 162022/2/21模擬與實驗結果模擬與實驗結果-昇壓昇壓/放電模式（續）放電模

8、式（續）開關ZVS波形圖divVVgsa/201divVVdsa/501divVVgsa/202divVVdsa/502divstime/10172022/2/21模擬與實驗結果模擬與實驗結果-昇壓昇壓/放電模式（續）放電模式（續） 開關ZCS波形圖divVVgsa/201divAIdsa/101divVVdsa/501divstime/10 182022/2/21模擬與實驗結果模擬與實驗結果-昇壓昇壓/放電模式（續）放電模式（續） 如圖所示的實驗波形為諧振電容 在滿載情況下的電壓及變壓器一次側電流 。可以從波形圖中輕易的看到輸入電壓為一穩定的直流電流值有關。 2rCsidivVVgsa/201divVVcr/402divAis/20divstime/10 192022/2/21 四個主開關在零電流及零電壓情況下換，並利用四個同步整流器，使換損失降低，因此系統整體效率提高 轉換器