胡玉畇, 朱 武, 高守瑋
(1.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院, 上海 200072;2.上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)
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雙向DC/DC變換器的設(shè)計(jì)
胡玉畇1,2, 朱 武2, 高守瑋1
(1.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院, 上海 200072;2.上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)
設(shè)計(jì)了一種可以完成能量雙向流動(dòng)的雙向DC/DC變換器,通過D/A芯片控制開關(guān)電源芯片反饋端電阻的參考基準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源輸出電壓線性可調(diào),將該方法結(jié)合單片機(jī)程控,完成了雙向DC/DC變換器的測試.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,該方法可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng),并且具有控制精度高、效率高的特點(diǎn).
雙向DC/DC變換器; 開關(guān)電源; 反饋基準(zhǔn)
近年來,開關(guān)電源發(fā)展迅速,所謂開關(guān)電源就是利用電力電子技術(shù),控制功率開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間的比例,使得輸出電壓或者電流穩(wěn)定的一種電源.與線性電源相比,開關(guān)具有體積小,效率高的特點(diǎn).隨著開關(guān)電源開關(guān)頻率的提高,效率也越來越高,一般效率超過90%,紋波也越來越接近線性電源,有取代線性電源的趨勢.
雙向DC/DC變換器是指輸入、輸出電流的方向可以改變的開關(guān)電源,能實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸,在需要雙向能量流動(dòng)的應(yīng)用場合可以大幅度減輕系統(tǒng)的體積重量及成本,在電動(dòng)汽車、太陽能發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)、不間斷電源(UPS)系統(tǒng)以及電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,具有重要研究價(jià)值[1-2].
現(xiàn)有雙向DC/DC變換器大多采用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)器件進(jìn)行電壓/電流閉環(huán)控制,實(shí)時(shí)檢測開關(guān)電源輸出電壓/電流,并由DSP器件通過PID控制調(diào)節(jié)功率管的占空比,使輸出電壓/電流穩(wěn)定.該方法雖然可以達(dá)到對(duì)輸出電壓/電流的程控,但設(shè)計(jì)復(fù)雜,PID控制參數(shù)整定繁瑣,且開關(guān)頻率相對(duì)較低,導(dǎo)致電感體積較大,所以一般雙向DC/DC變換器體積較大.
因此,本文提出使用D/A芯片控制開關(guān)電源芯片反饋端電阻的參考基準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源輸出電壓線性可調(diào).使用該方法時(shí)結(jié)合單片機(jī)程控,完成了雙向DC/DC的設(shè)計(jì).
1.1 雙向DC/DC原理
雙向DC/DC變換器是指在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的前提下,根據(jù)需要改變電流的方向,從而實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)[1].本文中將兩臺(tái)單向DC/DC變換器反向并聯(lián),對(duì)外部電壓和蓄電池電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣,根據(jù)外部電壓和蓄電池電壓的情況,自動(dòng)使能Boost電路或者Buck電路[3].當(dāng)外部電壓較大時(shí),說明外部能量過剩,需要將能量轉(zhuǎn)移到鋰電池內(nèi)部,對(duì)鋰電池恒流充電,并且不斷改變充電電流的設(shè)定值,使得外部電壓恒定,能夠恰好吸收過剩能量而不影響其他電路的正常工作.當(dāng)外部電壓較小時(shí),說明當(dāng)前外部能量不夠使用,使能Boost電路,將電池能量輸出,以彌補(bǔ)能量不足,使得外部電壓恒定[4-5].雙向DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.
圖1 雙向DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
1.2 程控恒壓源的原理
典型的集成開關(guān)電源芯片大多使用外置電壓反饋,在輸出電壓和大地之間使用兩個(gè)電阻分壓并反饋到集成開關(guān)電源芯片內(nèi)部的誤差放大器,并自動(dòng)調(diào)節(jié)功率開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間的比例,使得反饋電壓與內(nèi)部參考電壓一致,從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定.
TPS54340典型的集成式開關(guān)電源如圖2所示,其輸出電壓UOUT由反饋電阻的比例確定,其公式如下:
(1)
式中:R1,R2——反饋電阻;UFB——開關(guān)電源反饋電壓.
圖2 TPS54340典型運(yùn)用電路
本文使用D/A芯片控制開關(guān)電源芯片反饋端電阻的參考電位,以實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源輸出電壓線性可調(diào).改進(jìn)后的TPS54340運(yùn)用如圖3所示,使用D/A芯片輸出控制電壓UC替代反饋電阻分壓的參考基準(zhǔn),則
(2)
顯然,輸出電壓受控制電壓UC以及反饋電阻R1和R2的比值確定.當(dāng)R1和R2的比值確定時(shí),UOUT受控制電壓UC線性可調(diào).
圖3 改進(jìn)后TPS54340電路
本文使用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103作為控制單片機(jī),配合德州儀器生產(chǎn)的12-Bit D/A轉(zhuǎn)換芯片TLV5636,經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后,控制集成開關(guān)電源芯片TPS54340反饋電阻的參考基準(zhǔn),構(gòu)成雙向DC/DC中鋰離子電池恒流充電部分,其與TLC1871 Boost電路并聯(lián).同時(shí),本文設(shè)計(jì)了電流/電壓實(shí)時(shí)檢測OLED顯示功能和配套的上位機(jī),雙向DC/DC變換器的完整結(jié)構(gòu)如圖4所示.
雙向DC/DC變換器的上位機(jī)使用Microsoft Visual Basic 2010軟件開發(fā),使用串口與STM32F103單片機(jī)進(jìn)行通信,STM32F103定時(shí)將當(dāng)前電流/電壓發(fā)送至上位機(jī)顯示.
圖4 雙向DC/DC變換器結(jié)構(gòu)
使用雙向DC/DC變換器配合必要的測試電路,搭建整個(gè)測試平臺(tái),如圖5所示.
圖5 測試平臺(tái)實(shí)物
使用單片機(jī)對(duì)D/A芯片TLV5636進(jìn)行步進(jìn)給值,同時(shí)測量開關(guān)電源芯片TPS54340在電阻負(fù)載100 Ω,輸入電壓12 V下的輸出情況,根據(jù)9次實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制程控電源的輸出曲線如圖6所示.由圖6可以看出,開關(guān)電源芯片TPS54340的輸出電壓隨D/A芯片TLV5636的給值呈線性關(guān)系,測試結(jié)果與式(2)一致.
圖6 程控電源的輸出測試
在使用測試平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試中,測試負(fù)載電阻為10 Ω,STM32F103通過D/A芯片給出階躍信號(hào)后,測試平臺(tái)的輸出可以在1.16 ms內(nèi)達(dá)到輸出電壓的90%,反應(yīng)非常靈敏,且穩(wěn)定后無震蕩,其動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖7所示.
圖7 動(dòng)態(tài)響應(yīng)
外部電源電壓為30.0 V時(shí),雙向DC/DC變換器恒流充電特性測試結(jié)果見表1.在充電電流1~2 A時(shí),其電流控制精度不低于0.8%.設(shè)定雙向DC/DC變換器恒壓為30.0 V,恒壓輸出特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2.調(diào)整外部電源輸出電壓在32~38 V時(shí),雙向DC/DC變換器能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作模式,使得外部電壓保持30±0.2 V.在雙向DC/DC變換器自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作模式下,實(shí)測充電效率不低于96.3%,放電效率不低于96.9%.
表1 雙向DC/DC變換器恒流充電特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果
表2 雙向DC/DC變換器恒壓特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果 V
(1) 使用D/A芯片控制開關(guān)電源芯片反饋端的參考基準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源輸出電壓線性可調(diào).
(2) 完成了雙向DC/DC變換器的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了能量雙向流動(dòng),動(dòng)態(tài)響應(yīng)好,電流控制精度不低于0.8%,充放電效率不低于96%.
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(編輯 桂金星)
Design of Bidirectional DC/DC Converter
HU Yuyun1,2, ZHU Wu2, GAO Shouwei1
(1.SchoolofMechatronicalEngineering&Automation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China; 2.SchoolofElectronicsandInformationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)
A design of bidirectional DC/DC converter is introduced,which uses the D/A chip to control the reference potential of the switching power supply chip,and realizes linear adjustable power supply output.This method is used to complete the design of bidirectional DC/DC converter.Experiments show that this method can realize bidirectional flow of energy,and has high control accuracy with high efficiency.
bidirectional DC/DC converter; switching power supply; feedback reference
10.3969/j.issn.1006-4729.2017.03.011
2016-03-16
胡玉畇(1993-),男,在讀碩士,安徽黃山人.主要研究方向?yàn)榍度胧街悄軆x器儀表及測試計(jì)量技術(shù).E-mail:yuyunhu@t.shu.edu.cn.
TN86
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1006-4729(2017)03-0270-03