實(shí)訓(xùn)教學(xué)的雙向DC-DC變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楚雄師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院 李山玉

互邦信息技術(shù)有限公司 阮姜偉

楚雄師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院 胡永貴 李秋寧 杞春芳 凃志偉 李家旺

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)基于實(shí)訓(xùn)教學(xué)的雙向DC-DC變換器，它主要由信號(hào)處理電路，變換器主控電路，電壓電流采樣電路等構(gòu)成。它通過(guò)手動(dòng)實(shí)現(xiàn)雙向能量傳遞切換，即能量可以正向傳輸（自左向右），反向傳遞（自右向左）。變換器的放電負(fù)載用純電阻，其輸入電壓由直流電源提供，該設(shè)計(jì)可為設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目方案提供參考。

隨著傳統(tǒng)能源迅速消耗帶來(lái)的能源危機(jī)和污染問(wèn)題，可再生能源如太陽(yáng)能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)受到了人們?cè)絹?lái)越多的重視。雙向DC-DC變換器以其能量能夠雙向流動(dòng)，使用的總體器件數(shù)目少，能夠快速地進(jìn)行兩個(gè)方向功率傳輸?shù)那袚Q，并且具有高效率、體積小、成本低等優(yōu)勢(shì)，在需要雙向能量流動(dòng)的場(chǎng)合對(duì)于改善系統(tǒng)的體積、重量有重要研究?jī)r(jià)值。雙向DC-DC變換器在航天、航空電源、分布式能源、電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載電源、不間斷電源（UPS）、蓄電池儲(chǔ)能充放電系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

雙向DC-DC變換器的原理示意圖如圖1所示。變換器在能量傳輸模式控制信號(hào)的控制下，可以正向傳輸，也可以反向傳輸。

圖1 雙向DC-DC變換器的原理示意圖

大多數(shù)的實(shí)用電路系統(tǒng)匹配雙向DC-DC變換器設(shè)計(jì)方案雖然實(shí)用性強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能量傳遞模式切換自動(dòng)完成，測(cè)試條件難以人為控制。為此，設(shè)計(jì)一套方便用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)的雙DC-DC變換器，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)試條件便于實(shí)現(xiàn)人為控制，測(cè)試電源用直流電源，負(fù)載用純電阻負(fù)載。

1 基于實(shí)訓(xùn)教學(xué)的雙向DC-DC變換器的工作原理

基于實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)的雙向DC-DC變換器有兩種工作模式：正向恒流放電模式（能量自左向右傳輸）和反向升壓放電模式（能量自右向左傳輸），兩種工作模式通過(guò)按鍵手動(dòng)切換。變換器設(shè)置為正向恒流放電模式，單片機(jī)產(chǎn)生的47KHZ的PWM信號(hào)控制IR2104驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制升降壓主控電路，測(cè)試電源輸入的30V直流電壓經(jīng)升降壓主控電路變換后對(duì)電阻負(fù)載恒流放電，電壓電流采樣電路分別采樣負(fù)載兩端的電壓和流過(guò)負(fù)載的電流送給信號(hào)處理電路，經(jīng)信號(hào)處理電路處理后在液晶上顯示負(fù)載兩端的電壓與流過(guò)負(fù)載的電流。電壓電流采樣電路采樣得到的電流由程序內(nèi)部的PID算法調(diào)節(jié)信號(hào)處理電路輸出的PWM占空比使充電電流恒定（當(dāng)充電電流大于預(yù)設(shè)電流，緩慢減少PWM占空比，使充電電流與預(yù)設(shè)電流相等；當(dāng)充電電流小于預(yù)設(shè)電流，增大PWM占空比，使充電電流與預(yù)設(shè)電流相等），負(fù)載兩端的電壓高于24V（可調(diào)整負(fù)載阻值來(lái)使電壓升高）時(shí)變換器停止工作（模擬對(duì)電源充電的過(guò)充保護(hù)功能）；當(dāng)設(shè)置為反向升壓放電模式，單片機(jī)發(fā)生的47KHZ的PWM信號(hào)控制IR2104驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制升降壓主控電路，將測(cè)試電源輸入的20V直流電壓經(jīng)升降壓主控電路變換升壓至30V后負(fù)載恒壓放電，電壓檢測(cè)電路用于檢測(cè)負(fù)臷兩端的電壓，電壓檢測(cè)電路采樣得到的電壓由PID算法調(diào)節(jié)信號(hào)處理電路輸出的PWM占空比，使升降壓主控電路輸出電壓維持恒定（當(dāng)放電電壓增大，減少PWM占空比；當(dāng)放電電壓減少，增大PWM占空比）。輔助電源電路給單片機(jī)，液晶以及IR2104驅(qū)動(dòng)芯片供電。

他自己揭開(kāi)了他輕功的謎底，但不論是踩著磚棱飛奔，還是在馬匹墜澗途中借力上躥，都不是一般人能做到的，這等功力，仍舊是人間罕見(jiàn)。

2 程序流程

程序部分主要調(diào)節(jié)放電電流與電壓的穩(wěn)定。通過(guò)按鍵選擇能量傳輸電流模式，當(dāng)選擇正向恒流放電模式時(shí)，由PID算法調(diào)節(jié)輸出占空比來(lái)調(diào)節(jié)充電流的恒定，當(dāng)充電電壓達(dá)到24V時(shí)變換器停止工作（模擬變換過(guò)充保護(hù)）；當(dāng)選擇反向能量傳輸模式時(shí)，由PID算法調(diào)節(jié)輸出占空比來(lái)調(diào)節(jié)放電電壓，使放電電壓穩(wěn)定。按鍵主要選擇能量傳輸模式以及電流步進(jìn)值的調(diào)節(jié)。液晶顯示主要顯示能量正向傳輸時(shí)的放電電流，輸出電壓；能量反向傳輸時(shí)的輸出電壓。

3 基于實(shí)訓(xùn)教學(xué)的雙向DC-DC變換器電路模塊

3.1 信號(hào)處理電路

圖2 信號(hào)處理電路圖

基于實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)的雙向DC-DC變換器信號(hào)處理電路圖如圖2所示。STC12C5A60S2單片機(jī)是信號(hào)處理電路的主要部分，主要功能是產(chǎn)生PWM信號(hào)。電壓電流采樣電路采樣得到的信號(hào)送到單片機(jī)P1.0，P1.1，P1.2端口，經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換，一方面把采樣得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換最終在液晶屏上顯示出來(lái)，另一方面，采樣得到的電壓電流信號(hào)由程序內(nèi)部的PID算法調(diào)節(jié)信號(hào)處理電路輸出的PWM占空比使放電電流以及放電電壓恒定；單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的47KHZ的PWM信號(hào)從P1.3端口輸出送給IR2104驅(qū)動(dòng)芯片；P0用于控制液晶顯示。P2.0，P2.1，P2.2連接到按鍵電路，控制充能量傳輸模式和實(shí)現(xiàn)恒流放電的電流值設(shè)置。

圖3 雙向DC-DC變換器升降壓主控電路

3.2 升降壓主控電路

基于實(shí)訓(xùn)教學(xué)雙向DC-DC變換器升降壓主控電路如圖3所示。它主要由兩個(gè)開(kāi)關(guān)管IRF540，電感，二極管，電阻和電容組成。當(dāng)電路工作在正向傳輸能量恒流模式時(shí)，測(cè)試電源V1作為輸入，V2作為輸出，Q1作為主開(kāi)關(guān)管。當(dāng)信號(hào)處理電路產(chǎn)生的PWM信號(hào)處于高電平時(shí)，即基于IR2104構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路Ho輸出高電平，Lo輸出低電平，此時(shí)Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)閉，電感L儲(chǔ)存能量，V1對(duì)電容器C2、C3及C4充電，同時(shí)對(duì)電阻負(fù)載放電；當(dāng)信號(hào)處理電路產(chǎn)生的PWM信號(hào)處于低電平時(shí)，即Ho輸出低電平，Lo輸出高電平，此時(shí)開(kāi)關(guān)管Q2處于開(kāi)通狀態(tài)，Q1處于關(guān)閉狀態(tài)，Q1阻斷V1向輸出端傳送電能，Q2開(kāi)啟作為蓄流通路，電感L為外部提供電能。開(kāi)關(guān)管Q1、Q2交替開(kāi)通關(guān)閉期間，Q1、Q2之間產(chǎn)生方波，經(jīng)過(guò)后級(jí)的LC濾波電路，輸出紋波較小的直流電壓。

當(dāng)電路工作在升壓模式時(shí)，測(cè)試電源V2作為輸入，V1作為輸出，Q2作為主開(kāi)關(guān)管。當(dāng)信號(hào)處理電路輸出的PWM信號(hào)處于高電平時(shí)，即Ho為高電平，Lo為低電平，此時(shí)開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)閉，Q2阻斷電源給電感儲(chǔ)能，電感和電源共同向V1輸送電能，經(jīng)過(guò)后級(jí)的LC濾波電路，輸出紋波較小的直流電壓；當(dāng)信號(hào)處理電路輸出的PWM信號(hào)處于低電平時(shí)，即Ho輸出低電平，Lo輸出高電平，此時(shí)開(kāi)關(guān)管Q2處于導(dǎo)通狀態(tài)，Q1處于關(guān)閉狀態(tài)，測(cè)試電源V2與電感構(gòu)成導(dǎo)通回路，電感L儲(chǔ)存能量。

3.3 IR2104驅(qū)動(dòng)電路

雙向DC-DC變換器IR2104驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。信號(hào)處理電路產(chǎn)生的PWM信號(hào)送到IR2104驅(qū)動(dòng)芯片的IN輸入端口，當(dāng)PWM處于高電平電平時(shí)，IR2104驅(qū)動(dòng)芯片Ho同向輸出端為高電平，Lo反向輸出端為低電平，此時(shí)Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)閉；當(dāng)PWM處于低電平時(shí)，IR2104驅(qū)動(dòng)芯片的Ho同向輸出端為低電平，Lo反向輸出端為高電平，此時(shí)Q2導(dǎo)通，Q1關(guān)閉。

圖4 IR2104驅(qū)動(dòng)電路圖

圖5 電源電路圖

3.4 電流采樣電路

當(dāng)0.02Ω的康銅絲采樣得到的電流采樣信號(hào)，送到集成運(yùn)放（放大器一般選用LM358），經(jīng)過(guò)放大器放大后的信號(hào)再送到信號(hào)處理電路處理。雙向DC-DC變換器電流調(diào)節(jié)范圍為1A～2A。

3.5 電壓采樣電路

由于單片機(jī)最高只能檢測(cè)5V的電壓，故電壓采樣返回值Vfb應(yīng)當(dāng)小于5V。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，電壓采樣電路一般由兩個(gè)9K和1K的電阻構(gòu)成，分壓電阻分壓采樣得到的電壓輸入到單片機(jī)ADC端口。

3.6 按鍵電路

按鍵電路一般有三個(gè)按鍵，一個(gè)按鍵作為充電/放電模式選擇；一個(gè)鍵為充電電流增加（單擊一次電流增加0.1A，最大為2A）；還有一個(gè)鍵為充電電流減少（單擊一次電流減少0.1A，最小為1A）。

3.7 液晶顯示電路

用于顯示負(fù)載放電電壓和電流，和顯示充放電模式。一般1602液晶屏就可以顯示所需要的數(shù)據(jù)。

3.8 電源電路

基于IR2104構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路需要12V的電壓，電流采樣電路，基于單片機(jī)構(gòu)成的信號(hào)處理電路以及顯示電路需要5V的電壓供電，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)12V和5V的電源。如圖5所示，把15V-24V的電源經(jīng)過(guò)LM2596降壓為12V，然后進(jìn)過(guò)LM7805降壓得到5V的電壓供電路使用。

結(jié)論：測(cè)試表明：變換器工作在能量正向傳輸（恒流模式），恒流特性較好，輸入電壓調(diào)整能力較強(qiáng)，效率較高；變換器工作在能量反向傳輸（升壓模式），電壓調(diào)整率，穩(wěn)壓系數(shù)以及負(fù)載調(diào)整率都比較好，效率也比較高，但紋波抑制能力較差。將恒流放電負(fù)載用純電阻，輸入電源都用直流電源，這樣方便調(diào)試滿足要求測(cè)試條件，可以大大縮短變換器特性測(cè)試的時(shí)間。