雙向DC-DC變換電路設(shè)計(jì)

董招輝， 單長(zhǎng)虹， 陳文光

(南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 湖南 衡陽(yáng) 421001)

雙向DC-DC變換電路設(shè)計(jì)

董招輝， 單長(zhǎng)虹， 陳文光

(南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 湖南 衡陽(yáng) 421001)

本文介紹的雙向DC-DC變換電路采用非隔離Buck-Boost電路作為主電路，運(yùn)用同步整流技術(shù)，以STM32F103ZET6單片機(jī)為控制核心，利用軟件補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)以及PID控制算法使得系統(tǒng)控制精度高。電池充放電模式效率高且可自動(dòng)切換。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明，人機(jī)界面友好，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

DC-DC；同步整流; STM32F103ZET6

0 引言

2015年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的A題要求設(shè)計(jì)一個(gè)雙向DC-DC變換電路用于對(duì)5節(jié)18650鋰電池串聯(lián)電路進(jìn)行充放電。即要求實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是電能從右邊直流供電電源經(jīng)變換器向左邊鋰電池組以I1恒流充電；二是電能從左邊鋰電池組經(jīng)變換器向右邊負(fù)載以恒壓U2(=30 V)放電。放電電流可調(diào)，并在左端電壓U1=24 V時(shí)能夠觸發(fā)保護(hù)功能。同時(shí)要求高效率及質(zhì)量小(小于500 g)，有精度要求，能夠測(cè)量并顯示電流。電池的充放電功能可由按鍵設(shè)定，兩種功能間可自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

1 方案論證與選擇

1.1 主電路拓?fù)涞倪x擇

方案1：采用隔離的雙向全橋DC-DC變換器

用移相軟開關(guān)控制方式實(shí)現(xiàn)橋臂的零電壓開關(guān)，對(duì)功率器件的電流/電壓的應(yīng)力小，適用于高壓、大功率場(chǎng)合。主要優(yōu)點(diǎn)為控制方法較為簡(jiǎn)單，且可以通過引入有源鉗位電路、無(wú)源諧振電路和飽和電感使全部功率開關(guān)管均工作在軟開關(guān)狀態(tài)；缺點(diǎn)為環(huán)流能量較大，且由于主要使用變壓器漏感傳遞能量，降低了變換器效率，增加了功率變壓器的設(shè)計(jì)成本。

方案2：采用非隔離雙向Buck-Boost DC-DC變換器

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、易于控制、所用器件少、重量輕、體積小，用MOSFET代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二極管整流，減少了導(dǎo)通損耗和整流損耗，無(wú)論是工作在Buck狀態(tài)還是Boost狀態(tài)，均能獲得很高的效率。

綜合考慮，采用方案2。

1.2 控制方案論證與選擇

方案1：采用軟開關(guān)諧振技術(shù)

利用變換器中元器件間的諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)，減少開關(guān)噪聲和開關(guān)損耗，系統(tǒng)效率高。但此方法增加了輔助開關(guān)管和諧振電感，使設(shè)備體積變大，重量增加，且易受其雜散電容的影響，較難控制。

方案2：采用同步整流技術(shù)

用可控MOSFET代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二極管整流，減少導(dǎo)通損耗與整流損耗，有效地提高了系統(tǒng)效率。且單片機(jī)只需產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM控制信號(hào)，易于控制和系統(tǒng)的調(diào)試。但開關(guān)頻率不宜過高，否則會(huì)產(chǎn)生較大的開關(guān)尖峰，輸出電壓紋波大。

綜合考慮，采用方案2。

1.3 驅(qū)動(dòng)方式的論證與選擇

方案1：變壓器隔離驅(qū)動(dòng)

通過電-磁-電的變換實(shí)現(xiàn)隔離驅(qū)動(dòng)。但變壓器不容易制作，參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生振蕩，設(shè)備體積大，增加了重量。該方案優(yōu)點(diǎn)是很容易產(chǎn)生相位互補(bǔ)的兩路隔離驅(qū)動(dòng)信號(hào)，不需要考慮Buck/Boost變換器兩個(gè)開關(guān)管不同驅(qū)動(dòng)電路的懸浮供電問題。

方案2：光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路

使用帶光耦隔離的驅(qū)動(dòng)電路芯片，輸入控制信號(hào)與輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)電路間互相隔離，隔斷主電路高電壓部分與微處理器的直接連接。該方案電氣絕緣能力和抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，操作簡(jiǎn)單和通用性強(qiáng)。缺點(diǎn)是需要懸浮的自舉電源。

方案3：采用MOS管自舉型驅(qū)動(dòng)器

該芯片能輸出兩路獨(dú)立互補(bǔ)的PWM波，驅(qū)動(dòng)電流達(dá)4 A，開關(guān)速度快，但驅(qū)動(dòng)回路未與功率板隔離，干擾大。

綜合以上三種方案，采用方案2。

2 電路與程序設(shè)計(jì)

根據(jù)題目及任務(wù)要求，設(shè)計(jì)的變換電路系統(tǒng)框圖如圖1所示。采用STM32F103ZET6單片機(jī)作為核心控制器，利用內(nèi)部的集成12位A/D分別對(duì)雙向DC-DC變換器兩端的電流I1和I2以及電壓U1和U2進(jìn)行采樣。通過產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM信號(hào)來(lái)控制開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池充放電控制以及自動(dòng)切換、充放電電流的大小控制和過充保護(hù)?？紤]到系統(tǒng)需要單片機(jī)作為輔助，且切換邏輯較為復(fù)雜，因此考慮不使用硬件電路輸出PWM而使用單片機(jī)生成PWM，采用PID數(shù)字閉環(huán)控制對(duì)電壓、電流進(jìn)行精確的反饋控制，并且測(cè)量、切換、控制、顯示一體完成，能夠大量減少重量，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高穩(wěn)定性。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.1 雙向DC-DC主電路設(shè)計(jì)

主電路采用基于同步整流的非隔離Buck-Boost變換拓?fù)?，選用低導(dǎo)通電阻的N-MOS管(CSD19536KCS)作為開關(guān)管，設(shè)計(jì)的主電路如圖2所示。場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路使用TLP250為核心器件，上橋臂需用到自舉電路供電，電路如圖3所示。

圖2 同步整流非隔離Buck-Boost電路

圖3 驅(qū)動(dòng)電路

2.2 電流、電壓信號(hào)測(cè)量電路設(shè)計(jì)

測(cè)控電路由電流檢測(cè)電路(圖4(a))、電壓檢測(cè)電路(圖4(b))和STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)組成，具體電路如圖4所示。電流檢測(cè)電路由0.02 Ω的采樣電阻和INA282組成。INA282是一款專用電流采樣芯片，其增益為50?？紤]到單片機(jī)A/D的采樣范圍為0～3.3 V，采樣電阻阻值為Rs=20 mΩ，反饋電壓為：VIFB=50×Rs×I，滿載(2A)時(shí)電阻上功耗為80 mW，效率損失很小。

電壓檢測(cè)電路由電阻分壓電路和隔離運(yùn)放AD8552組成。在嵌入式系統(tǒng)的A/D輸入端，使用兩個(gè)二極管1N4148和3.3 V電源的正極及負(fù)極相連接，完成限幅功能，保護(hù)輸入端免受過壓沖擊損壞。使用電阻與電容設(shè)計(jì)低通濾波器進(jìn)行濾波。

(a)電流檢測(cè)電路

(b)電壓檢測(cè)電路圖4 信號(hào)取樣放大電路

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的程序由兩部分構(gòu)成：主函數(shù)循環(huán)和Timer1定時(shí)器中斷服務(wù)程序。程序流程圖如圖5 所示。

(a)主程序 (b)定時(shí)器中斷程序圖5 程序流程圖

主程序負(fù)責(zé)人機(jī)交互，顯示并設(shè)定系統(tǒng)的輸出參數(shù)和狀態(tài)。Timer1定時(shí)器的中斷服務(wù)函數(shù)內(nèi)，采集系統(tǒng)的輸入輸出電流和電壓，并根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)采取相應(yīng)的閉環(huán)控制。通過PID算法穩(wěn)定設(shè)定的電流值或電壓值并分析參數(shù)，發(fā)現(xiàn)過充后立即停止充電。由于系統(tǒng)采用了軟件補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)和PID控制算法進(jìn)行電壓閉環(huán)和電流閉環(huán)，所以系統(tǒng)靈活性高，控制精確，穩(wěn)定性好。

3 系統(tǒng)方案與測(cè)試結(jié)果

3.1 測(cè)試儀器

系統(tǒng)測(cè)試使用的儀器如表1所示。

表1 測(cè)試儀器

3.2 測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果

測(cè)試電路如圖6所示。

圖6 測(cè)試電路

1)基本要求部分

(1)充電模式下，U2=30 V，測(cè)試充電電流I1(控制精度)。

測(cè)試方法：在1～2 A范圍內(nèi)，按鍵控制I1以0.01 A步進(jìn)，并記錄I1(實(shí)測(cè)值)、I10(設(shè)定值)于表2中。

表2 記錄測(cè)試值

結(jié)論：電流控制誤差低于0.833%。

(2)測(cè)試充電電流I1的變化率測(cè)試。

測(cè)試方法：I1=2 A,U2在24～36 V范圍內(nèi)變化，并記錄I1、U2于表3中。

表3 記錄測(cè)試值

結(jié)論：充電電流I1的變化率為0.95%。

(3)測(cè)試充電模式效率

測(cè)試方法：I1=2 A,U2=30 V，并記錄I1、I2、U1、U2。

(3)

結(jié)論：給定條件下的充電模式效率為98.08%。

(4) 電流測(cè)量精度測(cè)試

測(cè)量方法：I1=1～2 A，并記錄I1、I10在1～2 A范圍內(nèi)變化，并記錄I1、I1(顯示)于表4。

表4 記錄測(cè)試值

結(jié)論：電流測(cè)量誤差低于0.498%。

(5)測(cè)試過充保護(hù)。

測(cè)試方法：I1=2 A，調(diào)節(jié)滑線變阻器至停止充電，并記錄U1。

結(jié)論：過充保護(hù)閾值為23.8 V，誤差為0.2 V。

2)發(fā)揮部分

(1)測(cè)試放電模式效率

測(cè)試方法：斷開S1，接通S2，保持U2=30±0.5 V，并記錄I1、I2、U1、U2。

(4)

結(jié)論：給定條件下的放電模式效率為96.3%。

(2)測(cè)試自動(dòng)切換模式

測(cè)試方法：接通S1、S2，斷開S3，Us在32～38 V范圍內(nèi)變化，并記錄Us、U2于表5。

表5 記錄測(cè)試值

結(jié)論：雙向DC-DC電路能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作模式并保持U2誤差在±0.2 V內(nèi)。

(3)測(cè)量系統(tǒng)重量

測(cè)試方法：用電子秤稱重，并記錄重量。

結(jié)論：雙向DC-DC變換器、測(cè)控電路與輔助電源三部分的總重量為389 g，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)以STM32F103ZET6單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)并制作了雙向DC-DC變換電路，其主電路拓?fù)錇橥秸魇椒歉綦xBuck-Boost電路，運(yùn)用到的核心技術(shù)為軟件補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)和PID數(shù)字閉環(huán)控制。系統(tǒng)能量可雙向流動(dòng)，并且具有過充報(bào)警功能。充電(Buck)模式轉(zhuǎn)換效率高達(dá)98%，電流控制精度高。放電(Boost)模式轉(zhuǎn)換效率高達(dá)96.3%。系統(tǒng)能自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作模式并保持U2=30±0.2 V。整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試穩(wěn)定可靠，完成了任務(wù)要求的所有功能，各項(xiàng)指標(biāo)均超出了任務(wù)要求。

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Design of Bi-directional DC-DC Conversion Circuit

DONG Zhao-hui, SHAN Chang-hong, CHEN Wen-guang

(CollegeofElectricalEngineering,NanhuaUniversity,Hengyang421001,China)

A bi-directional DC-DC conversion circuit is designed by using a non-isolated Buck-Boost circuit as a main circuit, using synchronous rectification technology with STM32F103ZET6 microcontroller core in this paper. The use of software compensation networks, digital calibration technology and PID control algorithm enables the system control and grants high accuracy. Battery charge and discharge mode has high efficiency and can automatically switch.The entire system structure is simple, the man-meachine interface is friendly， operation is stable and reliable.

DC-DC; synchronous rectification; STM32F103ZET6

2016-06-16;

2016-08-09

董招輝(1980-)，女，碩士，講師，主要從事電子技術(shù)理論教學(xué)、電力電子技術(shù)研究工作，E-mail:dongzhaohui1@126.com

TM46

A

1008-0686(2017)03-0114-04