基于DSPIC30F2020的雙向DC/DC變換器的設(shè)計

汪麗燕，阮志煌，謝子鳴

（1.湖北科技學(xué)院，湖北 咸寧 437100；2.湖北省電力建設(shè)第二工程公司，湖北 武漢 430030）

基于DSPIC30F2020的雙向DC/DC變換器的設(shè)計

汪麗燕1，阮志煌1，謝子鳴2

（1.湖北科技學(xué)院，湖北 咸寧 437100；2.湖北省電力建設(shè)第二工程公司，湖北 武漢 430030）

本系統(tǒng)以雙向半橋（兩象限）DC/DC電路為主電路，以DSPIC30F2020單片機(jī)為主控制器，實現(xiàn)了向DC/DC變換器的功能?？刂破髟O(shè)定充放電模式，通過對輸出電流和輸出電壓進(jìn)行采樣，利用閉環(huán)控制策略，結(jié)合PID控制算法使得充電模式下恒流輸出，放電模式下恒壓輸出。實驗表明，該設(shè)計具有高穩(wěn)定性、高精度、高效率的特點(diǎn)和完備的保護(hù)功能。

雙向DC/DC變換器；恒流充電；恒壓輸出；DSPIC30F2020

雙向DC/DC變換器因其電路拓?fù)浜唵?、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電動汽車、不間斷電源系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、航空電源系統(tǒng)等領(lǐng)域。相對于傳統(tǒng)的單向DC/DC變換器，雙向DC/DC變換器作為電力電子變換器發(fā)展中的分支，可實現(xiàn)能量的雙向傳輸，在許多儲能系統(tǒng)中起著重要的作用，引起了越來越多學(xué)者的關(guān)注。

針對傳統(tǒng)的雙向DC/DC變換器體積大、效率低、電路復(fù)雜和設(shè)計成本高等缺點(diǎn)，本設(shè)計采用DSPIC30F2020單片機(jī)為主控制器，以鋰電池為實驗對象，選用buck、boost開關(guān)電源結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種雙向DC/DC變換器，經(jīng)過實驗表明了變換器具有高穩(wěn)定性、高精度、高效率等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

（1）雙向DC/DC變換器系統(tǒng)整體設(shè)計。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，系統(tǒng)整體包括電池組，輔助電源，測控電路，雙向DC-DC變換電路和直流穩(wěn)壓模塊等幾個主要組成部分。控制器以DSPIC30F2020微控制器為核心。DSPIC30F2020是美國微芯公司生產(chǎn)的一種新型低價格高性能的16位數(shù)字信號控制器。該控制器自帶16位分辨率的PWM驅(qū)動引腳、12位A/D轉(zhuǎn)換器模塊和多個外部中斷源，并且具有抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。這些特性可以滿足雙向DC/DC變換器控制的精度和速度要求。本控制系統(tǒng)通過電壓檢測和電流檢測將充電電流和放電電壓實時反饋到PIC30F2020微控制器的A/D轉(zhuǎn)換模塊，系統(tǒng)對輸出的PWM進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)系統(tǒng)控制精度要求。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

（2）輔助電源電路設(shè)計。本系統(tǒng)從直流穩(wěn)壓電源取電，控制系統(tǒng)需要一路12V的直流電壓驅(qū)動上橋壁功率場效應(yīng)管電路和3.3V的直流電壓為微控制器供電，且需要一路單獨(dú)隔離的12V直流電壓驅(qū)動下橋臂功率場效應(yīng)管。本設(shè)計采用耐高壓的LM2596-12V進(jìn)行從取電端（24～36V）到12V電壓的轉(zhuǎn)變，采用LM2596-5V進(jìn)行從12V電壓到5V電壓的轉(zhuǎn)變，LM2596是一種耐高壓的降壓型開關(guān)電源芯片，能夠輸出3A的驅(qū)動電流，外圍器件簡單，自身功耗極低，簡化了電路的設(shè)計。本設(shè)計采用隔離升壓模塊B0512LS產(chǎn)生一路隔離的12V直流電源，B0512LS是一種高效率、低功耗的DC/DC隔離電源模塊，可將5V直流電壓轉(zhuǎn)換成隔離的12V直流電壓，并且可輸出100mA左右的電流，滿足驅(qū)動功率場效應(yīng)管的需求。由于以微控制器為主的電路功耗較小，所以采用線性穩(wěn)壓電源芯片AMS1117-3.3V將5V直流電源轉(zhuǎn)換成3.3V直流電源。輔助電源電路如圖2所示。

圖2 輔助電源電路

（3）主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路設(shè)計。為滿足電壓雙向變換的要求，主電路拓?fù)鋺?yīng)包括Buck降壓拓?fù)潆娐泛虰oost升壓拓?fù)浠倦娐?，并且可通過微控制器來控制切換拓?fù)漕愋?。主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路設(shè)計如圖3所示

圖3 主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路

當(dāng)電路工作在充電模式下，單片機(jī)對上面的開關(guān)管進(jìn)行通斷控制，使電路工作于BUCK降壓狀態(tài)，外接直流穩(wěn)壓電源對電池組充電；當(dāng)電路工作在放電模式下，單片機(jī)對下面的開關(guān)管進(jìn)行通斷控制，使電路工作于BOOST升壓狀態(tài)，電池組對外接電阻負(fù)載供電。該電路運(yùn)用兩個帶驅(qū)動能力的光耦分別驅(qū)動上下兩個功率開關(guān)管，將微控制器與主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路隔離，對控制器具有保護(hù)作用。

（4）系統(tǒng)控制電路設(shè)計。本次設(shè)計以Microchip公司推出的DSPIC30F2020單片機(jī)作為主控芯片,該單片機(jī)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)計算能力和數(shù)據(jù)吞吐能力。由于它具有的DSP運(yùn)算功能，同時具有單片機(jī)的體積小和價格低廉的特點(diǎn)，且該單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)置晶振，外圍電路少，運(yùn)行起來快速穩(wěn)定。本設(shè)計通過外接鍵盤和OLED顯示電路來實現(xiàn)充放電工作模式的切換和輸入輸出電壓電流的顯示，通過采樣電路對輸入輸出電壓電流進(jìn)行采樣，并通過單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換功能運(yùn)用閉環(huán)控制策略實現(xiàn)恒流充電和穩(wěn)壓放電。系統(tǒng)控制電路如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)控制電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的控制部分是由軟件實現(xiàn)的，軟件主要完成的功能是通過按鍵設(shè)定充放電模式。在充電模式下恒流輸出，電流在1～2A范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào)，并且在電壓超過閾值時過充保護(hù)；在放電模式下實現(xiàn)恒流輸出等。

（1）軟件控制思想。為了保證雙向DC/DC變換器的穩(wěn)定工作，需要對該系統(tǒng)實行反饋控制。本系統(tǒng)在充電模式下采用電流負(fù)反饋控制方式，在放電模式下采用電壓負(fù)反饋控制方式?？刂品桨溉鐖D5所示，在充電模式下采樣充電電流，在放電模式下采樣放電電壓。

圖5 雙向DC/DC變換器控制框圖

（2）程序控制流程。程序要完成對多個方面的控制，最核心的是對功率場效應(yīng)管的控制，即控制驅(qū)動上下兩個功率場效應(yīng)管的波形。DSPIC30F2020微控制器內(nèi)部帶有PWM發(fā)生電路，控制時只需給定PWM的占空比即可?？刂颇膫€開關(guān)管導(dǎo)通，取決于按鍵設(shè)定的充放電模式。微控制器通過采樣電壓和電流，結(jié)合PID算法，進(jìn)行數(shù)字PID控制，經(jīng)微處理器計算的出PWM的占空比值,并且為了減少干擾，軟件采用同步采樣的方法，即在PWM上升沿后2微秒，再去采樣，這樣就可以避免采樣到毛刺，進(jìn)行錯誤的判斷，導(dǎo)致輸出電壓電流不穩(wěn)。

控制系統(tǒng)在控制的過程中，還要對鋰電池組的放電電壓和充電電流進(jìn)行檢測，檢測到故障時，切斷功率場效應(yīng)管以達(dá)到保護(hù)鋰電池組和電路的目的完備控制流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖

3 系統(tǒng)測試與結(jié)論

為了驗證雙向DC/DC變換器的性能，在完成電路制作和軟件調(diào)試后，記錄了本系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)如表1所示，分別測試了恒流充電和恒壓放電模式下的充電電流和放電電壓以及兩種模式下變換器的轉(zhuǎn)換效率，并且測試了過充保護(hù)功能。

表1 系統(tǒng)性能測試

從表1的系統(tǒng)性能測試數(shù)據(jù)來看，本設(shè)計可以在充電模式下系統(tǒng)可以按照歩進(jìn)可調(diào)的設(shè)定電流恒流充電，再放電模式下恒壓輸出。兩種模式下變換器的轉(zhuǎn)換效率均較高，且該系統(tǒng)具有過充保護(hù)的功能，實現(xiàn)了雙向DC/DC變換器的基本性能指標(biāo)。該數(shù)據(jù)證明了文章方法的可行性。

［1］劉真.微電網(wǎng)儲能雙向DC-DC變換器研究與設(shè)計［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2014.

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［3］胡雪峰，龔春英.適用于光伏/燃料電池發(fā)電的組合式直流升壓變換器［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2012，32（15）：8-15.

［4］陳靈敏.一種應(yīng)用于電動汽車的雙向雙向DC-DC變換器研究［J］.通信電源技術(shù)，2009，（7）:11-13.

［5］王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)（第5版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［6］高劍.基于PFF控制的推挽全橋雙向DC-DC變換器的研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2013.

Design of Bidirectional DC/DC Converter Based on DSPIC30F2020

WANG Li-yan1，RUAN Zhi-huang1，XIE Zi-ming2
（1.Hubei University of Science and Technology，Xianning，Hubei 437100，China；2.Hydro Electric Power System Engineering Company，Wuhan，Hubei 430030，China）

Thesystemwhichtakesbidirectionalhalfbridge（twoquadrants）DC/DCcircuitasmaincircuitandDSPIC30F2020 SCM as main controller realizes the features of bidirectional DC/DC converter.The controller is set to charge and discharge mode，output current and output voltage are sampled，using a closed-loop control strategy，combined with PID control algorithm，which makes constant current output through charging mode and constant voltage output through the discharge mode.The results of experiments show that the design has high stability，high accuracy，high efficiency and complete protection.

Bidirectional DC/DC converter;constant current charging；constant voltage output；DSPIC30F2020

TN712

A

2095-980X（2017）02-0060-02

2017-02-03

汪麗燕（1987-），女，湖北咸寧人，碩士，助教，主要研究方向：控制理論研究及應(yīng)用。