雙向DCDC變換器

1、雙向DC-DC變換器摘要: 以FPGA和TM4C123G為控制核心，設(shè)計制作了雙向DC-DC變換器。本系統(tǒng)主要包括Buck/Boost雙向DC-DC變換電路、電壓電流采樣電路和輔助電源電路等，其中以Buck/Boost變換電路為核心，完成鋰電池組的充、放電，采用閉環(huán)反饋系統(tǒng)，實時監(jiān)測鋰電池組的電壓、電流，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)，控制輸出PWM波，從而控制Buck/Boost變換電路。經(jīng)測試，變換器可實現(xiàn)恒流充電，且充電電流在12A內(nèi)可調(diào)，步進值可設(shè)定，電流控制精度，測量精度，變換器充電效率，放電效率，且系統(tǒng)具有過充保護功能，閾值電壓，能自動轉(zhuǎn)換工作模式并保持。經(jīng)稱量，雙向DC-DC變換器、測控電路與輔

2、助電源三部分總重量為368g。此外，系統(tǒng)可識別充電、放電兩種模式，并實時顯示充、放電的電流與電壓，人機交互性良好。關(guān)鍵詞：BDC；鋰電池；PWM；PID；過充保護 1 方案論證1.1 方案比較與選擇 雙向DC-DC主回路方案一：非隔離式Buck/Boost BDC Buck變換器和Boost變換器的二極管換成雙向開關(guān)后具有同樣的結(jié)構(gòu)，構(gòu)成Buck/Boost BDC，圖1為其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在Buck/Boost BDC中，由于和均可流通雙向電流，因此電感L中的電流一直保持連續(xù)狀態(tài)。當(dāng)電感電流恒大于零時，能量由流向，是Boost變換器，鋰電池放電；當(dāng)電感電流恒小于零時，能量由流向，是Buck變換器，

3、鋰電池充電。圖1 非隔離式Buck/Boost BDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案二：隔離式Buck/Boost BDC非隔離式Buck/Boost BDC中插入高頻變壓器便構(gòu)成隔離式Buck/Boost BDC。圖2為其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其高頻逆變/整流和高頻整流/逆變單元可以由半橋、全橋、推挽等電路構(gòu)成，方案較多，設(shè)計電路比較靈活。圖2 隔離式Buck/Boost BDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析：方案二存在升壓啟動和開關(guān)管電壓尖峰問題，電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，方案一控制方便，電路結(jié)構(gòu)簡單，故選擇方案一。 PWM波控制方案方案一：TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制器，集成了全部的脈寬調(diào)制電路。片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器、誤差放大器、5V參考

4、基準(zhǔn)電壓源、功率晶體管，僅有兩個外置振蕩元件，內(nèi)置可調(diào)整死區(qū)時間。通過控制信號與上的正鋸齒波比較，來控制PWM波的占空比。實際電路中，可通過FPGA控制DAC的輸出電壓來作為TL494的外部控制信號，實現(xiàn)對TL494輸出PWM波占空比的控制。方案二：由FPGA同時產(chǎn)生兩路相位差為的PWM波，占空比和死區(qū)時間由FPGA設(shè)定，控制方法易于實現(xiàn)，且具有很高的靈活性。分析：方案一輸出PWM波精度較高，但需DAC對其進行控制，增加了系統(tǒng)的體積，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，方案二控制方便，電路結(jié)構(gòu)簡單，輸出PWM波精度可滿足要求，故選擇方案二。1.2 總體方案描述系統(tǒng)整體框圖如圖3所示，總體方案如下：系統(tǒng)以Buck/Bo

5、ost雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器為主體，實現(xiàn)鋰電池的充電和放電。系統(tǒng)實時監(jiān)測充電電壓、電流及的值，可根據(jù)預(yù)置電流值對鋰電池進行恒流充電、恒壓放電，經(jīng)PID算法調(diào)節(jié)，改變PWM波的占空比，將系統(tǒng)穩(wěn)定在設(shè)定狀態(tài)。此外，系統(tǒng)具有過充保護功能，識別兩種模式并實時顯示充、放電電流，人機交互界面良好。圖3 系統(tǒng)整體框圖2 理論分析與計算2.1 主回路主要器件參數(shù)選擇與計算本系統(tǒng)主回路為Buck/Boost雙向DC-DC變換器，為保證系統(tǒng)的性能，重點為MOSFET的選取、電感、電容的設(shè)計。 MOSFET選擇：為減小MOSFET的損耗、提高系統(tǒng)效率，擬選擇導(dǎo)通電阻小、柵極電荷小的MOSFET，且，綜合考慮，選擇CS

6、D19536，其關(guān)鍵指標(biāo)為 , , ，, ， ，完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計要求。電感設(shè)計：BDC電路中，選擇任一工作模式進行電感設(shè)計均可，此次在Buck工作模式下進行電感設(shè)計。設(shè)計要求，取。連續(xù)電流模式下電感值為： (1)其中，。取，則。取開關(guān)頻率，則由(1)得。輸出濾波電容設(shè)計：取，實際取，同時還并聯(lián)低ESR的小電容，降低等效阻抗，穩(wěn)態(tài)特性好。2.2 控制方法與參數(shù)計算本系統(tǒng)實時監(jiān)測、與的值，用ADS1256對其值進行采集，MCU對采集數(shù)據(jù)進行處理，通過PID調(diào)節(jié)，輸出具有一定占空比的PWM波對BDC主回路進行控制，使電路工作于設(shè)定正常狀態(tài)，即達(dá)到對充電或放電過程的控制。2.3 提高效率的方法(1)

7、選擇柵極電容與導(dǎo)通電阻較小的開關(guān)管；減小開關(guān)管的柵極串聯(lián)電阻，可改變控制脈沖的上升沿與下降沿時間、防止震蕩，減小開關(guān)管的漏極的沖擊電壓；同時在開關(guān)管的柵極和源極之間并聯(lián)較大阻值電阻，減小開關(guān)管斷開時的靜態(tài)電流。(2)合理設(shè)計電感?？紤]到題目對質(zhì)量的要求，應(yīng)盡量減小電感的體積，因此選擇EETR型號磁芯，其骨架較小，且其骨架為圓柱形，可使得繞線更加緊湊而減少漏感，從而減少尖峰電壓所引起的焦耳損耗；適當(dāng)增加電感氣隙來免因磁飽和所附加的銅損；采用多股細(xì)銅線代替單股粗線來繞制電感，從而降低銅損，減少鄰近效應(yīng)和趨膚效應(yīng)。(3)選擇合適的PWM波頻率。開關(guān)管的開關(guān)損耗會隨著系統(tǒng)的工作頻率的增高而增大，而輸出

8、電壓紋波又隨工作頻率的減小而增大，兼顧紋波與開關(guān)損耗，故選擇BDC電路的開關(guān)頻率為20kHz。 (4)選擇低ESR的電容，減小其損耗。3 電路與程序設(shè)計3.1 雙向DC-DC主回路設(shè)計與器件選擇Buck/Boost BDC主回路選擇IRS21867作為變換器的驅(qū)動芯片，IRS21867是有獨立的高、低端輸出的高壓、高速功率MOSFET和IGBT驅(qū)動器，高端功率管的最大工作電壓可達(dá)600V。其供電的電壓低、驅(qū)動電流大，能夠完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計要求。其電路圖如圖4所示。系統(tǒng)選用N溝道MOSFET CSD19536，其具有超低柵極驅(qū)動電荷和米勒電容，低熱阻，可在功率轉(zhuǎn)換中最大限度的降低損耗。圖4 Bu

9、ck-Boost BDC主回路3.2 電壓、電流取樣電路如附圖1所示，直流電壓、經(jīng)電阻分壓后經(jīng)過射極跟隨器輸入至A/D轉(zhuǎn)換器。其中射極跟隨器用高精度的雙運放OPA2211設(shè)計完成。選用康銅絲作為電流的取樣電阻，康銅絲阻值小，溫度系數(shù)低，穩(wěn)定性能好，其兩端的電壓經(jīng)過INA118的放大輸入至A/D轉(zhuǎn)換電路。INA118是雙向電流監(jiān)控器，精度高、溫漂小，其增益，系統(tǒng)中選用千分之一精度電阻，其阻值為，可保證增益的穩(wěn)定，增益為51。3.3 A/D采樣電路如附圖2所示，本系統(tǒng)選用的ADC為24位多通道、高精度的ADS1256，ADS1256可同時采集四路模擬信號，最大輸入電壓為5V，故其分辨力可達(dá)到，在實

10、際電路中可達(dá)16位，分辨力可達(dá)，完全可以達(dá)到要求。3.4 過充保護電路系統(tǒng)實時對鋰電池兩端電壓進行采樣，當(dāng)檢測到為24V時，切斷PWM波的輸出，達(dá)到保護電池的目的。3.5 輔助電源設(shè)計系統(tǒng)中芯片正常工作下的供電電壓有12V、5V、-5V、3.3V。如附圖3所示，系統(tǒng)輔助電源由處進行供電，而范圍為3238V，故選用輸入電壓范圍為的TPS54340首先將其降至12V，然后利用LM7805將12V降至5V，利用LM1117將其降至3.3V。-5V利用MAX764得到。 3.6 控制程序設(shè)計本系統(tǒng)采用TM4C123G與FPGA為控制核心，F(xiàn)PGA實現(xiàn)了對ADS1256的高速采樣，實時監(jiān)測充電電流、電池

11、電壓，以及DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入端電壓并通過LCD顯示。系統(tǒng)為一個數(shù)字反饋系統(tǒng)，采用PID算法，完成恒流充電和恒壓放電等功能，且當(dāng)充電電壓超過閾值為24V時，關(guān)閉PWM波，實現(xiàn)過充保護。程序流程圖如圖5所示。圖5 程序流程圖4 測試方案與測試結(jié)果4.1 測試儀器直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，型號 SG1733SB3A萬用表（6位半），型號 Agilent 34401A萬用表（4位半）3個，型號 FLUKE 454.2 測試條件與測試結(jié)果(1) 充電電流控制精度測試：在條件下，以步進0.1V在12V范圍內(nèi)設(shè)置充電電流值，測量實際的電流值，并將結(jié)果記錄于表1中。電流控制精度，其中，為實際電流，為設(shè)定值。表1 電

12、流控制精度測試（）1.01.11.21.31.41.51.001071.100501.20021.30161.40091.50120.1070.0450.0170.120.0640.08續(xù)表1電流控制精度測試（）1.61.71.81.92.01.60101.70121.80041.90232.00150.06250.0710.0220.120.075由測試結(jié)果可得，完全能夠滿足要求。(2) 充電電流的變化率測試:設(shè)定，使在范圍內(nèi)變化，測量的值，并記錄于表2。電流變化率，其中，為時的充電電流值，為時的充電電流值，為時的充電電流值。表2 充電電流的變化率測試（）2430361.99851.9983

13、1.9981由測試結(jié)果可得，電流變化率，完全能夠滿足要求。(3) 充電模式下變換器效率測試：設(shè)定在，測量、的值，并計算效率。變換器效率，其中，。表3 充電模式下變換器效率測試21.0981.998229.9561.428198.54由測試結(jié)果可得，系統(tǒng)的充電效率，完全能夠滿足要求。(4) 充電電流測量精度測試：在范圍內(nèi)，設(shè)定充電電流值，記錄其顯示值，測量實際電流值，將結(jié)果記錄于表4。電流測量精度，其中為充電電流顯示值，為充電電流實際測量值。表4 充電電流測量精度測試1.01.21.41.61.82.01.00001.19991.40001.60001.79991.99990.998561.19

14、761.39861.59861.79841.99890.1440.1920.1000.0880.0830.050由測試結(jié)果可得，充電電流測量精度，完全能夠滿足要求。(5) 過充保護功能測試：設(shè)定，在A、B點之間串入滑線變阻器，使增加，記錄充電電流為0時的值，并將結(jié)果記錄于表5中。表5 過充保護功能測試（）測試1測試2測試3測試423.96824.03023.97223.975由測試結(jié)果可得，當(dāng)系統(tǒng)過充保護的閾值電壓，完全能夠滿足要求。(6) 放電模式變換器效率測試：在放電模式下，保持，測量、的值，并計算效率，將結(jié)果記錄于表6。變換器效率，其中，。表6 放電模式變換器效率測試17.0171.77

15、2130.0020.98597.99由測試結(jié)果可得，系統(tǒng)的放電效率，完全能夠滿足要求。(7) 自動轉(zhuǎn)換工作模式測試：接通、，斷開，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源輸出電壓，使在范圍內(nèi)變化，并測量的值，記錄于表7。表7自動轉(zhuǎn)換工作模式測試3234363830.00430.00430.00730.010-1.0067-0.28670.312920.96024由測試結(jié)果可得，變化時，雙向DC-DC變換電路能夠自動轉(zhuǎn)換工作模式并保持在，完全能夠滿足要求。(8) 將雙向DC-DC變換器、測控電路與輔助電源三部分置于電子秤，測得其總重量為362g，小于500g，滿足題目要求。4.3 測試結(jié)果分析通過對測試數(shù)據(jù)分析，本系統(tǒng)

16、完成了題目基本要求和發(fā)揮要求的全部內(nèi)容，變換器可實現(xiàn)恒流充電，充電電流在12A內(nèi)可調(diào)，步進值可通過按鍵設(shè)定為0.1A、0.05A、0.001A三檔，電流控制精度，測量精度，變換器充電效率，放電效率，且系統(tǒng)具有過充保護功能，閾值電壓，變化時變換器能自動轉(zhuǎn)換工作模式并保持。經(jīng)稱量，雙向DC-DC變換器、測控電路與輔助電源三部分總重量為362g。此外，系統(tǒng)可識別充電和放電兩種模式，并在LCD顯示屏中給出提示，顯示充電、放電的電流與電壓，人機交互性良好。5 總結(jié)本系統(tǒng)完成了題目的功能與指標(biāo)要求，具有一定的穩(wěn)定與安全性。本系統(tǒng)中MOSFET的選取與電感、電容的設(shè)計都是十分重要的，與系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性等密

17、切相關(guān)，并且選擇高精度的ADC以保證采樣精度。在對充、放電電流采樣時，選用雙向電流監(jiān)控器INA118，而ADS1256的輸入電壓必須為正值，因此必須對INA118接入?yún)⒖茧妷?，且INA118輸出電壓與該參考電壓以差分方式接至ADS1256。由于時間緊張，系統(tǒng)仍存在很多問題，仍可進一步改善，例如，可在現(xiàn)有條件下合理設(shè)計電感，選擇更加合適的磁心，減小電感的體積和質(zhì)量，從而減小系統(tǒng)的質(zhì)量。此外，系統(tǒng)充放電的效率還可進一步提高，通過電感、電容和MOSFET的選擇，合理的電路布局等可提高系統(tǒng)效率。6 參考文獻(xiàn)1 Sanjaya Maniktala.Switching Power Supplies A to ZM.北京.人民郵電出版社.2008.10.2 黃根春，周立青，張望先.全國大學(xué)生電