基于PWM技術(shù)的新型高效率直流斬波器

摘 要：本系統(tǒng)以Buck降壓，Boost升壓斬波電路為核心設(shè)計(jì)新型高效率直流斬波器。通過(guò)STM32檢測(cè)顯示輸出電流，以及對(duì)電路的過(guò)充保護(hù)。采用TL494產(chǎn)生頻率為150kHz的PWM波形，進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出電流可調(diào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：充電模式時(shí)，電源輸入的直流電壓在比較寬的范圍內(nèi)變化時(shí)，電源輸出直流電壓能夠保持較高的穩(wěn)定性且變化率不大于1%。電流可進(jìn)行線性步進(jìn)，控制精度為0.05%，效率達(dá)到91%以上。放電模式時(shí)，輸出電壓恒定，變換器效率可達(dá)96%。本電路能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作模式，且重量在500g以內(nèi)。

【關(guān)鍵詞】Buck電路 Boost電路 TL494 STM32

分布式電源系統(tǒng)應(yīng)用的普及推廣以及電池供電移動(dòng)式電子設(shè)備的飛速發(fā)展，其電源系統(tǒng)需用的直流斬波模塊越來(lái)越多，對(duì)其性能要求越來(lái)越高。除去常規(guī)電性能指標(biāo)以外，對(duì)其體積要求越來(lái)越小，也就是對(duì)其功率密度的要求越來(lái)越高，對(duì)轉(zhuǎn)換效率要求也越來(lái)越高，也即發(fā)熱越來(lái)越少。這樣其平均無(wú)故障工作時(shí)間才越來(lái)越長(zhǎng)，可靠性越來(lái)越好。因此如何開發(fā)設(shè)計(jì)出更高功率密度、更高轉(zhuǎn)換效率、更低成本更高性能的直流斬波器始終是近二十年來(lái)電力電子技術(shù)工程師追求的目標(biāo)。本品將提供一種新型的更加高效的直流斬波器。

1 系統(tǒng)方案

1.1 雙向直流斬波模塊的比較與選擇

方案一：雙向同步整流電路

該方案從左向右是Buck降壓充電電路，從右向左是Boost升壓放電電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用元器件少，輸出紋波電壓小。整個(gè)電路體積小、重量輕，轉(zhuǎn)換效率高且輸出穩(wěn)定。對(duì)元器件參數(shù)要求嚴(yán)格，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的整體控制如圖1。

方案二：Buck降壓，Boost升壓型電路

該方案將直流電壓通過(guò)Buck型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行降壓變換，然后采用Boost型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行升壓變換。電路原理簡(jiǎn)單易懂，但所用元器件過(guò)多，且Buck型變換器驅(qū)動(dòng)電路和控制電路的電源方案較麻煩，可靠性不高，如圖2、圖3。

方案三：集成Buck電路，集成Boost電路

該方案使用集成芯片可較容易實(shí)現(xiàn)電路的雙向轉(zhuǎn)換，精度相對(duì)較高，體積較小重量相對(duì)較輕，抗干擾能力強(qiáng)。但是不易實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的步進(jìn)控制，輸出紋波電壓大，易對(duì)用電器造成損壞且成本較高。

通過(guò)以上綜合分析比較，方案一雙向同步整流電路是實(shí)現(xiàn)雙向直流斬波的理想選擇。

1.2 PWM控制方案的論證和選擇

一般PWM方波產(chǎn)生的方法有單片機(jī)產(chǎn)生方法和芯片產(chǎn)生方法，為此設(shè)想了以下幾種控制方案：

方案一：采用TL494產(chǎn)生PWM

該方案電路穩(wěn)定性強(qiáng)，TL494有兩個(gè)線性放大器輸入能同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓和電流的反饋與調(diào)節(jié)，驅(qū)動(dòng)電流大可以達(dá)500mA，死區(qū)電壓受外界輸加電壓控制，以實(shí)現(xiàn)死區(qū)電壓控制，且外圍電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)試。

方案二：采用SG3525產(chǎn)生PWM

采用SG3525，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單且其驅(qū)動(dòng)電流小，具有振蕩器外部同步功能。但是頻率過(guò)高時(shí)，發(fā)熱嚴(yán)重，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。只有一個(gè)反饋端，不易實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的保護(hù)和控制。

方案三：采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM

該方案采用單片機(jī)編程產(chǎn)生所需要的方波信號(hào)，易于調(diào)節(jié)和反饋，紋波小，抗干擾能力強(qiáng)。但是反應(yīng)速度慢，反饋調(diào)節(jié)速度相對(duì)硬件較差，不易實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定

比較三種方案，發(fā)現(xiàn)方案一，相對(duì)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單易行，可以實(shí)現(xiàn)電壓電流的反饋調(diào)節(jié)以及死區(qū)電壓的控制。綜上所述，選用方案一。

2 電路與程序設(shè)計(jì)

2.1 電路的設(shè)計(jì)

2.1.1 系統(tǒng)總體框圖，如圖4。

2.1.2 測(cè)量控制電路原理圖及相應(yīng)流程圖

用TL494產(chǎn)生PWM波控制場(chǎng)效應(yīng)管的開啟與關(guān)斷，用STM32通過(guò)AD采集輸出電壓電流實(shí)現(xiàn)電路的測(cè)量與整個(gè)電路的通斷與切換，如圖5。

2.2 程序的設(shè)計(jì)

2.2.1 程序功能描述與設(shè)計(jì)思路

1）程序功能描述

根據(jù)題目要求軟件部分主要實(shí)現(xiàn)顯示功能。

顯示部分：顯示輸出電流。

控制部分：控制電路的轉(zhuǎn)換與通斷，控制電流的步進(jìn)。

2）程序設(shè)計(jì)思路

用WCS2705電流傳感器測(cè)輸出電流，通過(guò)STM32單片機(jī)AD采集轉(zhuǎn)換，顯示在液晶上，通過(guò)控制繼電器的開關(guān)控制整個(gè)電路的轉(zhuǎn)換與通斷，并且可以通過(guò)DA輸出實(shí)現(xiàn)電流的步進(jìn)。

2.2.2 程序流程圖

主程序流程圖和計(jì)算公式流程圖如圖6，圖7所示。

3 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

3.1 主回路主要器件選擇及計(jì)算

3.1.1 主要器件的選擇

本電路采用TL494芯片作方波發(fā)生器，以IR2104驅(qū)動(dòng)兩個(gè)MOS管實(shí)現(xiàn)同步整流，MOS管選用耐壓值為85V的75NF75。電感以鐵氧體磁芯EE-22用直徑為1mm的繞線多股并繞繞成，采用耐壓值留有一定余量的電容。

3.1.2 主要器件的參數(shù)計(jì)算

3.2 控制方法與參數(shù)計(jì)算

用TL494產(chǎn)生方波，經(jīng)過(guò)IR2104強(qiáng)方波峰值升為10V，驅(qū)動(dòng)MOS管75NF75，從而實(shí)現(xiàn)電路的升降壓功能，其開關(guān)頻率為150kHz。

3.3 提高效率的方法

（1）在開關(guān)電源次級(jí)輸出端的肖特基上并一個(gè)小功率快速二極管來(lái)代替RC吸收。

（2）輸出端二極管的開關(guān)速度要盡可能快。

（3）加強(qiáng)變壓器制作工藝減小漏感。

（4）增大分壓取樣電阻阻值。

（5）提高開關(guān)頻率。

4 測(cè)試條件、方案與測(cè)試結(jié)果

4.1 測(cè)試條件及測(cè)試方案

4.1.1 測(cè)試條件與儀器

測(cè)試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無(wú)誤，硬件電路保證無(wú)虛焊。

測(cè)試儀器：GOS-630FCMO模擬示波器，8903F數(shù)字電參數(shù)測(cè)量?jī)x（500V 40A），安捷倫五位半數(shù)字萬(wàn)用表，mf47萬(wàn)用表，滑線變阻器。

4.1.2 充電模式的測(cè)試方案

接通S1、S3，斷開S2，將裝置設(shè)定為充電模式。

（1）在U2=30V條件下對(duì)電池進(jìn)行恒流充電，充電電流在I1 在1～2A內(nèi)變化，且可步進(jìn)0.05A，并檢測(cè)實(shí)際步進(jìn)的電流值I1，由公式

得其電流控制精度。

（2）設(shè)定I1=2A，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓，使U2=36V時(shí)，測(cè)其充電電流為I11；使U2=30V時(shí)，測(cè)其充電電流為I1；使U2=24V時(shí)，測(cè)其充電電流值為I12，通過(guò)公式

求得電流變化率SI1。

（3）設(shè)定I1=2A，當(dāng)U2=30V時(shí)，用萬(wàn)用表分別測(cè)量其輸入電壓U1和輸入電流I1，通過(guò)公式

（4）用萬(wàn)用表測(cè)量輸出電流I1和顯示電流I3比較，通過(guò)公式

求得其精度d。

（5）設(shè)定I1=2A， 在A、B之間串入滑動(dòng)變阻器（10W 3A），調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使U1增加至24V以上，觀察繼電器是否斷開。

4.1.3 放電模式的測(cè)試方案

斷開S1接通S2 ，將裝置設(shè)定為放電模式。

設(shè)定U2=30V，分別用萬(wàn)用表測(cè)輸入電壓U1、輸入電流I1和輸出電流I2，通過(guò)公式

4.2 測(cè)試結(jié)果

4.2.1 電壓變化范圍測(cè)量

接通S1，、S2，斷開S3，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源輸出電壓，使Us在32～38V范圍內(nèi)變化時(shí)，雙向DC-DC電路保持U2=30V±0.5V。測(cè)量結(jié)果如表1示。

4.2.2 電流變化率計(jì)算

設(shè)定I1=2A，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓，使U2=36V時(shí)，測(cè)其充電電流為I11；使U2=30V時(shí)，測(cè)其充電電流為I1；使U2=24V時(shí)，測(cè)其充電電流值為I12，通過(guò)公式

結(jié)果如表2所示。

4.2.3 電流控制精度測(cè)量計(jì)算

在U2=30V條件下對(duì)電池進(jìn)行恒流充電，充電電流在I1 在1～2A內(nèi)變化，且可步進(jìn)0.05A，并檢測(cè)實(shí)際步進(jìn)的電流值I1，由公式

4.2.4 測(cè)量電流精度

用萬(wàn)用表測(cè)量輸出電流I1和顯示電流I3比較，通過(guò)公式

4.2.5 充電時(shí)變換器效率計(jì)算

設(shè)定I1=2A，當(dāng)U2=30V時(shí)，用萬(wàn)用表分別測(cè)量其輸入電壓U1和輸入電流I1，通過(guò)公式

4.2.6 放電時(shí)變換器效率

設(shè)定U2=30V，分別用萬(wàn)用表測(cè)輸入電壓U1、輸入電流I1和輸出電流I2，通過(guò)公式

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結(jié)論：

（1）該電源輸出的直流電壓和電流能夠保持較高的穩(wěn)定性且步進(jìn)可調(diào)；

（2）電源具有過(guò)流過(guò)壓保護(hù)功能；

（3）具有自動(dòng)切換模式功能；

（4） 效率達(dá)到90%以上；

綜上所述，本設(shè)計(jì)為一種新型的基于PWM技術(shù)的高效率直流斬波器。

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作者簡(jiǎn)介

李昌晉（1994-），男，山東省臨沂市人?，F(xiàn)在山東師范大學(xué)大學(xué)本科在讀學(xué)生。研究方向?yàn)殡娫措娐吩O(shè)計(jì)、視頻技術(shù)分析、短距離視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)研究、通信技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理等。

作者單位

山東師范大學(xué) 山東省濟(jì)南市 250358