1、雙向DC-DC變換器摘 要：系統(tǒng)采用采用兩象限D(zhuǎn)C-DC變換器為主拓?fù)洌許TM32為控制核心， 通過(guò)PI調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了雙向DC-DC變換功能。系統(tǒng)可通過(guò)按鍵切換充放電狀態(tài)，亦可自動(dòng)切換。充電狀態(tài)電流恒定且步進(jìn)可調(diào)，雙向DC變換效率均可達(dá)98.5%以上。具有涓流充電、過(guò)沖保護(hù)及恢復(fù)功能，系統(tǒng)人機(jī)界面友好，顯示精度高，且能通過(guò)蜂鳴器提示過(guò)沖保護(hù)狀態(tài)，布局緊湊，整機(jī)重量在280g以下。關(guān)鍵詞: Buck/Boost 雙向DC/DC變換 PI STM32一、方案論證與比較1.1.主拓?fù)浞桨阜桨敢唬弘p向Cuk變換器。電路可以通過(guò)兩個(gè)電感耦合，大大減小電流脈動(dòng)。缺點(diǎn)是該電路能量轉(zhuǎn)換用的電容需要耐受極大的脈動(dòng)

2、電流，同時(shí)開(kāi)關(guān)管及二極管導(dǎo)通時(shí)的最大電流都是L1、L2兩電感最大電流之和，開(kāi)關(guān)管、二極管截至承受的電壓都是電源電壓合負(fù)載電壓之和，因此其電流容量大、耐壓要求高。此外，電路器件較多，增加電路體積和重量。圖1-1 雙向Cuk變換器方案二：兩象限D(zhuǎn)C-DC變換器。該拓?fù)潆娐泛?jiǎn)單，所用器件少，可大大減小整體重量。電路控制簡(jiǎn)單，可靠性高，且整個(gè)系統(tǒng)雙向能量流動(dòng)效率高。缺點(diǎn)是電路增益方向固定。圖1-2 兩象限D(zhuǎn)C-DC變換器綜合考慮，系統(tǒng)只需要單方向增益調(diào)節(jié)，且考慮系統(tǒng)重量要求和效率要求，我們選擇方案三兩象限D(zhuǎn)C-DC變換器。1.2總體方案描述系統(tǒng)由雙向DC/DC變換電路、輔助電源、測(cè)量、控制與顯示五個(gè)部

3、分組成。主電路核心部分為DC/DC雙向變換電路 ，控制部分主要由STM32單片機(jī)構(gòu)成。單片機(jī)通過(guò)對(duì)電池端電壓、電流采樣形成閉環(huán)，再利用PI算法調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比，從而實(shí)現(xiàn)恒流充電及穩(wěn)壓放電。系統(tǒng)通過(guò)紅外遙控器來(lái)切換充放電狀態(tài)，并通過(guò)液晶實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)電壓電流及工作狀態(tài)。系統(tǒng)總體框圖如圖1-3所示。 圖1-4 系統(tǒng)總體框圖二、電路與程序設(shè)計(jì)2.1雙向DC/DC主回路與器件選擇2.1.1雙向DC/DC變換主電路雙向DC/DC變換主電路電路圖如圖2-1所示，其中U1為穩(wěn)壓源側(cè)電壓，U2為電池組側(cè)電壓。（a）主電路 (b)降壓電路 (c)升壓電路圖2-1 兩象限D(zhuǎn)C-DC變換器兩象限雙向DC-DC變換器

4、電路主要有兩種工作模式，包括Buck工作模式、Boost工作模式:（1） 在Buck工作模式下，開(kāi)關(guān)管Q1與Q2互補(bǔ)導(dǎo)通，當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，二極管D1和D2 承受反向電壓關(guān)斷，穩(wěn)壓源開(kāi)始向電池組充電，同時(shí)電感L儲(chǔ)能；當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)管Q2導(dǎo)通，電感電流經(jīng)Q2續(xù)流繼續(xù)對(duì)電池組充電，同時(shí)通過(guò)C1使輸出電壓穩(wěn)定。（2） 在Boost 工作模式下，開(kāi)關(guān)管Q1保持關(guān)斷狀態(tài)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q2導(dǎo)通時(shí)，電感L充電；當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q2關(guān)斷時(shí)，電池組向30負(fù)載放電，電容C2來(lái)維持放電電壓恒定不變。2.1.2開(kāi)關(guān)管選型本系統(tǒng)為兩象限D(zhuǎn)C-DC變換電路。電路開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，兩端電壓最大為最大輸入電壓38V，開(kāi)關(guān)管通過(guò)電

5、流最大為2A。為了減小開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通損耗，應(yīng)盡量減小導(dǎo)通電阻。同時(shí)應(yīng)盡量選擇結(jié)電容較小開(kāi)關(guān)管，減小其開(kāi)關(guān)損耗。經(jīng)過(guò)比較選擇，采用英飛凌公司產(chǎn)的導(dǎo)通電阻為4.5m，耐受電壓為100V，通流能力可達(dá)100A的IPP045N10N型MOS管。2.1.3 電容選型圖2-1中C2為穩(wěn)壓源側(cè)電容，穩(wěn)壓源最高電壓為38V，C1為電池側(cè)濾波電容，電池側(cè)最高電壓為24V，為了穩(wěn)定兩側(cè)電壓，防止電容被擊穿，C1 、C2均采用耐壓值為100V電解電容。同時(shí)，本系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率為40K，開(kāi)關(guān)頻率高，因選擇低ESR的CBB電容與電解電容并聯(lián)，可有效抑制電路高頻紋波。2.2測(cè)量控制電路2.2.1 電池組側(cè)與穩(wěn)壓源側(cè)電壓測(cè)量電池組

6、測(cè)電壓測(cè)量用于實(shí)現(xiàn)過(guò)沖保護(hù)功能，當(dāng)其電壓值超出24V時(shí)啟動(dòng)過(guò)沖保護(hù)，其電壓測(cè)量要求精度不高，綜合電路整體結(jié)構(gòu)，充放電效率及電路總重量等多方面因素考慮，選擇采用直接電阻分壓的方法進(jìn)行測(cè)量。而穩(wěn)壓源側(cè)電壓測(cè)量用于穩(wěn)定放電輸出電壓為30±0.5V，在保證精度的條件下，綜合電路整體結(jié)構(gòu)與電路總重量等因素下，同樣采用直接電阻分壓的方法進(jìn)行測(cè)量。兩者電路圖如圖2-2所示。其中，穩(wěn)壓源側(cè)電壓測(cè)量R1為110K，R2為8.2K,電池組一側(cè)電壓測(cè)量R1為68K，R2為9.1K。其后接入一電壓跟隨器隔離前級(jí)對(duì)后級(jí)的影響，使測(cè)量更為精準(zhǔn)。圖2-2 電壓測(cè)量電路圖2.2.2 充放電電流測(cè)量電路充放電電流測(cè)量

7、主要用于實(shí)現(xiàn)恒流充電與液晶充放電顯示模式切換功能，由于測(cè)量精度要求高，且要實(shí)現(xiàn)測(cè)量負(fù)電流的功能，因此，采用電流監(jiān)控器INA282實(shí)現(xiàn)此功能。首先，通過(guò)采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，用INA282進(jìn)行差分放大，加入偏置電阻R4=150K，為INA282的輸出提供一偏置電壓，使得-1A-2.5A電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為正的電壓信號(hào)。具體參數(shù)如圖2-3所示。圖2-3 電流測(cè)量電路圖2.2.3 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路采用IR2110驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片為雙通道高壓、高速電壓型功率開(kāi)關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)器，具有自舉浮動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電源簡(jiǎn)單，僅需一路電源即可同時(shí)驅(qū)動(dòng)上下橋臂。采用一片IR2110芯片實(shí)現(xiàn)半橋驅(qū)動(dòng)以控制開(kāi)關(guān)管的通斷

8、。其電路如圖2-4所示。圖2-4 驅(qū)動(dòng)電路圖2.3控制程序系統(tǒng)初始化后，默認(rèn)進(jìn)入60%固定占空比工作狀態(tài)，再通過(guò)紅外遙控選擇電路工作狀態(tài)，若為恒流充電狀態(tài)，則單片機(jī)通過(guò)電流環(huán)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制，使電路以恒定電壓對(duì)電池組充電，此時(shí)可通過(guò)紅外設(shè)定充電電流；若所選為穩(wěn)壓放電狀態(tài)，則單片機(jī)通過(guò)電壓環(huán)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制，從而使電路以30V恒定電壓進(jìn)行放電。若以上工作過(guò)程中檢測(cè)到電池組兩端電壓大于24V，則切斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)從而達(dá)到過(guò)充保護(hù)的功能。程序框圖如圖2-5所示。圖2-5 軟件控制框圖三、理論分析與計(jì)算3.1主回路主要器件參數(shù)選擇及計(jì)算 雙向DC/DC變換器主要器件為電感和兩側(cè)濾波電容。主電路原

9、理圖如圖3-1所示:圖3-1 主電路電路原理圖3.1.1 電感的選型系統(tǒng)工作在充電模式時(shí)，即在Buck電路模式下， 輸入電源電壓在2436V，輸出電壓在1821V，開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為40kHz，電感電流連續(xù)時(shí)，在工作范圍內(nèi)占空比D在0.50.875之間變化，取最小負(fù)載電流為0.4A，則電感大小應(yīng)滿足： (3-1)留取一定裕量，故選取L=300uH。系統(tǒng)工作在放電模式時(shí)，即在Boost電路模式下，輸入電源電壓Vin在1821V，輸出電壓Vo為30V，開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為40kHz，占空比的變化范圍為0.30.4，則取Iomin=0.3A,占空比為0.333時(shí)，臨界負(fù)載電流最小，則電感大小應(yīng)滿足： (3-2

10、)因此電感大小選擇為L(zhǎng)=300uH。3.1.2電容的選取系統(tǒng)放電時(shí)，占空比的變化范圍為0.30.4，為了滿足輸出電壓30V時(shí)紋波大小不超過(guò)0.5V，故設(shè)計(jì)電容大小使紋波電壓小于1%，此時(shí)有： (3-3)經(jīng)計(jì)算可得33F，考慮ESR特性，選擇C1=100uF。系統(tǒng)充電時(shí)，在工作范圍內(nèi)占空比D在0.50.875之間變化，為了滿足電流紋波小于1%，電壓紋波大小應(yīng)不超過(guò)0.5%，此時(shí)有： (3-4)式中開(kāi)關(guān)頻率取40kHz，電感大小L=300uH，取D=0.5，經(jīng)計(jì)算可得68F，考慮實(shí)際濾波效果，選擇C1=100uF。同時(shí)為了抑制電路中高頻諧波，分別在C1，C2兩端并聯(lián)大小為100nF的CBB電容。綜

11、上所述，主電路電感取L=300uH，穩(wěn)壓源側(cè)C1=100uF，電池側(cè)C2=100uF。3.2控制方法與參數(shù)計(jì)算圖3-1 控制原理圖 上圖為本設(shè)計(jì)PI控制原理框圖，該系統(tǒng)由PI控制器與被控對(duì)象組成，Uref（s）為給定值，U(s)為實(shí)際輸出反饋值，給定值與反饋值構(gòu)成控制偏差e(t) (3-5)e(t)作為PI控制的輸入，Uo(s)作為PID控制器的輸出和被控對(duì)象的輸入，所以此PI控制器的模擬控制規(guī)律為： (3-6)其中： Kp 控制器的比例系數(shù) Ti控制器的積分時(shí)間，也稱積分系數(shù) 比例部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式是： Kp*e（t）在該控制器中，比例環(huán)節(jié)的作用是對(duì)偏差瞬間做出反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)

12、生控制作用，時(shí)空質(zhì)量想偏少偏差的方向變化。控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kp，Kp越大，控制作用越強(qiáng)，則過(guò)渡過(guò)程越快，控制的靜態(tài)偏差也就消，但也容易產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式為: (3-7) 從該式可以看出，只要存在偏差，則他的控制作用就回不斷的增加；只有在偏差e（t）為零時(shí)，他的積分才能是一個(gè)常數(shù)，故可消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。由于以上分析為模擬式PI控制器，故采用后向差分離散化即可得到數(shù)字域的增量式PI控制方程(3-8) 為得到更好的控制效果，采用湊試法設(shè)置大致的參數(shù)，將系統(tǒng)投入運(yùn)行，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)微調(diào)，并進(jìn)行限幅。3.3提高效率的方法系統(tǒng)的主要損耗包括：場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通

13、電阻的損耗和開(kāi)關(guān)損耗；電感內(nèi)阻損耗。為減小損耗，進(jìn)一步提高效率，可以采用的方法有： 1) 選擇合適的開(kāi)關(guān)管：需要盡量減小開(kāi)關(guān)損耗同時(shí)滿足開(kāi)關(guān)管耐壓大于38V和通流能力大于2A的要求，因此擇IPP045N10N型開(kāi)關(guān)管，導(dǎo)通電阻小于 4.5m，可滿足設(shè)計(jì)要求。2) 盡量減小開(kāi)關(guān)頻率：為降低開(kāi)關(guān)損耗，應(yīng)盡量降低工作頻率，但由于開(kāi)關(guān)頻率降低，后級(jí)濾波電路器件體積會(huì)相應(yīng)增大，重量增加，故經(jīng)綜合考慮，選擇開(kāi)關(guān)頻率為40kHz。3) 電路工作時(shí)，采用同步整流技術(shù)，減小二極管導(dǎo)通損耗，可提高系統(tǒng)效率。4) 使整個(gè)系統(tǒng)更緊湊美觀，選擇電阻較小的導(dǎo)線連接電路，降低在電路上的消耗。四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試

14、儀器儀器型號(hào)數(shù)量三位半數(shù)字萬(wàn)用表FLUKE-15B3數(shù)字穩(wěn)壓源DF1743003C1五位半數(shù)字萬(wàn)用表Agilent U3420A2電子稱SB-B2000114.2測(cè)試條件使用數(shù)字穩(wěn)壓源通過(guò)開(kāi)關(guān)模塊為系統(tǒng)提供電源，將5節(jié)帶保護(hù)板電池串聯(lián)組成電池組，通過(guò)開(kāi)關(guān)接入電路。測(cè)試前，使電池電壓在19.5V左右。接入電路時(shí)，先讓電路工作在充電模式，測(cè)試穩(wěn)流充電效果，充電效率以及充電過(guò)壓保護(hù)。其后，通過(guò)開(kāi)關(guān)模塊切入放電電阻30，調(diào)節(jié)遙控使電路工作在放電狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，使用三位半數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量穩(wěn)壓源電壓US，穩(wěn)壓源側(cè)電壓U2，電池側(cè)電壓U1,使用五位半數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量穩(wěn)壓源側(cè)電流I2，電池組側(cè)電流I1，記錄

15、測(cè)試結(jié)果并計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)。4.3測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果4.3.1充電電流控制精度與測(cè)量精度檢測(cè)將裝置設(shè)定為充電模式，用穩(wěn)壓源提供穩(wěn)壓源側(cè)電壓U2=30V。使用紅外遙控，在充電電流為1-2A范圍內(nèi)以0.05A步進(jìn)值設(shè)定充電電流I10，用五位半數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量充電電流實(shí)際值I1，并觀察液晶上顯示的電流測(cè)量值Im，計(jì)算充電電流控制精度eic與測(cè)量精度edis，相關(guān)數(shù)據(jù)如下表4-1所示:表4-1 充電狀態(tài)電流控制精度數(shù)據(jù)電流設(shè)定值I10/A電流實(shí)際值I1/A電流測(cè)量值Im/A控制精度eic測(cè)量精度edis1.000.99600.9970.40%0.10%1.251.24951.2570.04%0.60%1.5

16、51.55411.5570.26%0.18%1.751.75831.7670.47%0.49%2.002.01222.0270.61%0.74%其中,控制精度,測(cè)量精度由測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，電流設(shè)定值與實(shí)際值之間的誤差小于5%，該系統(tǒng)滿足基本要求。4.3.2充電電流變化率檢測(cè)將裝置設(shè)定為充電模式，由紅外遙控設(shè)定充電電流I1=2A，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源輸出電壓，使穩(wěn)壓源側(cè)電壓U2分別為24V、30V、36V,并用五位半數(shù)字萬(wàn)用表分別測(cè)量充電電流I11、I1、I12，并計(jì)算充電電流變化率相關(guān)數(shù)據(jù)如表4-2所示:表4-2 充電狀態(tài)電流變化率測(cè)量數(shù)據(jù)I11/AI1/AI12/ASi2.01232.01222

17、.00560.333%其中充電電流變化率由測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，電流變化率SI在1%以下，該系統(tǒng)滿足基本要求。4.3.3變換器充電效率檢測(cè)將裝置設(shè)定為充電模式，由紅外遙控設(shè)定充電電流I1=2A，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源，使裝置輸入電壓U2=30V，由萬(wàn)用表測(cè)得裝置輸入電流I2與輸出電壓U1，電池組側(cè)實(shí)際電壓U1,電池組側(cè)實(shí)際電流I1，計(jì)算變換器充電效率，相關(guān)數(shù)據(jù)如表4-3所示。表4-3 充電狀態(tài)效率測(cè)量數(shù)據(jù)U1/VI1/AU2/VI2/A22.232.012029.651.530098.6%其中該系統(tǒng)充電效率達(dá)98.6%，滿足基本要求。4.3.4過(guò)充保護(hù)檢測(cè)將裝置設(shè)定為充電模式，在電池組輸入處串入滑線變阻

18、器，使 U1 增加，由紅外遙控設(shè)定 I1=2A，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源，使裝置輸入電壓U1逐漸增加，當(dāng) U1 達(dá)到24.01V時(shí)，裝置停止充電，實(shí)現(xiàn)過(guò)充保護(hù)功能。4.3.5變換器放電效率檢測(cè)將裝置設(shè)定為放電模式，由紅外遙控設(shè)定穩(wěn)壓源側(cè)電壓U2=30V，由萬(wàn)用表測(cè)得電池組側(cè)電壓U1,電池組測(cè)電流I1，穩(wěn)壓源側(cè)電壓實(shí)際值為U2,穩(wěn)壓源測(cè)電流I2，計(jì)算變換器充電效率，相關(guān)數(shù)據(jù)如表4-4所示。表4-4 放電狀態(tài)效率測(cè)量數(shù)據(jù)U2/VI2/AU1/VI1/A29.880.982117.311.720298.55%其中該系統(tǒng)充電效率達(dá)98.55%，滿足基本要求。4.3.6變換器放電電壓檢測(cè)調(diào)整直流穩(wěn)壓電源輸出電壓，使Us在3238V范圍內(nèi)變化，由三位半萬(wàn)用表測(cè)量穩(wěn)壓源測(cè)電壓U2，并計(jì)算絕對(duì)誤差,其中，相關(guān)數(shù)據(jù)如表4-5所示。表4-5 放電狀態(tài)電壓測(cè)量數(shù)據(jù)Us/V32343638U2/V29.8830.0430.0530.090.120.040.050.09該系統(tǒng)放電電壓，絕對(duì)誤差在0.5V以內(nèi)，滿足題目要求。4.3.7重量檢測(cè)將雙向DC-DC變換器，測(cè)控電路與輔助電源分別拆卸，稱重，總重為281g。該系統(tǒng)符合題目要求。4.4 測(cè)試結(jié)果分析該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)恒流充電，充電電流0.05A步進(jìn)可調(diào)，電源調(diào)整率Su<1%,充電電流顯示誤差edis<1%，具