双向DCDC变换器

题目:双向DC-DC变换器1双向DC-DC变换器（A题）摘要：本系统以同步整流电路为核心构成双向DC/DC变换器，该变换器依据Buck和Boost电路在拓扑互为对偶，实现电能的双向传输，同时采用同步整流技术，使得电路可以在两种工作状态下实现自适应换流。本系统采用msp430单片机产生PWM信号，IR2110作为MOS管栅极驱动器，进行闭环数字PI控制，从而实现对电路的恒流、恒压控制。测试结果表明：当变换器在充电模式下，输入电压和充电电流在较宽范围内变化时，变换器具有良好的电流调整率和优异的电流控制精度，电流步进实现10mA可调；在放电模式下，电路具有良好的电压调整率。同时，系统还实现了充电电流的测量与显示，测量精度达到1mA。同时，变换器实现了非常高效的电能转换，充电模式下效率达到94%，放电模式下效率达到97%。此外，本设计可实时监测蓄电池荷电状态(SOC)并进行显示。关键词：双向DC/DC变换器同步整流PI控制IR2110SOC1系统方案本系统主要由双向DC-DC变换电路、测控电路模块、辅助电源模块，下面分别论证这几个模块的选择。1.1DC/DC变换电路的论证与选择方案一：双-单向DC/DC变换器采用两路DC/DC电源模块，一路单向buck在电池充电模式时使能，一路单向boost在电池放电模式时使能，两路模块可采用单片机控制继电器进行切换。此方案电路冗余，两路模块切换控制较为麻烦。方案二：带隔离变压器的双向全桥DC/DC变换器采用双向全桥DC/DC变换器，该变换器隔离变压器两侧均为全桥结构：高压侧为电压型全桥结构；低压侧为电流型全桥结构。但此方案需要的功率元件比较多。在导通的回路上至少有两个管压降，因此效率有所降低，由于变压器两侧均有四个开关管，损耗也略有增加。方案三：以同步整流为核心构成双向DC/DC变换器采用分立元件构成DC/DC双向变换器，与传统的采用双-单向DC/DC变换器来达到能量双向传输的方案相比，双向DC/DC变换器应用一个变换器来控制能量的双向传输，具有高效率、体积小、动态性能好和成本低等优势。综合以上三种方案，选择方案三。1.2测控电路的论证与选择测控电路主要由电流检测和电压检测模块进行测量，由MCU进行控制。本设计采用MSP430单片机进行控制，电阻分压进行电压采样，下面对电流检测模块进行论证与选择。方案一：低端电阻分压测量电流在负载与地之间串一个小阻值的采样电阻，串联电路中流过负载和取样电阻的电流大小相等，通过采样电阻的电压计算出负载电流。但分压阻值太大影响输2出功率、测量时需要高精度的AD才能得到高精度电流。在测量过程中发现，从负载输出端接电阻线上有很小的电阻，都会影响到电压的精度。方案二：采用高端双向电流并联监测芯片INA270德州仪器推出的电压输出、高端电流检测监控器——INA270具有-16V至+80V的宽泛共模输入范围，能够解决高共模电压下小分路压降的测量难题，还能通过介于两级之间的滤波器网络保护缓冲电压输出端。应用电路设计中非常方便，减少了应用电路设计的复杂性且提高了电路的可靠性和稳定性。综合以上两种方案，选择方案二。2系统理论分析与计算2.1电路设计的分析本文设计并制作了一个用于电池储能装置的双向DC-DC变换器，实现电池的充放电功能。单向buck转换器直流输入电压为24~36V，电流为1~2A；单向boost转换器直流输出电压为30V。该电路包括主电路、控制电路、测量电路和保护电路四部分。由IR2110控制开关管导通关断，控制电路和测量电路包括电流电压采样电路和单片机测量控制电路，保护电路是16850锂电池的过充保护。2.1.1Buck-boost变换电路的分析一般来说，Buck和Boost电路均可以实现单向供电功能。由于两种电路在拓扑结构上互为对偶，如果采用同步整流技术，将续流二极管替换为MOS管，那么两种电路就是同一套电路在不同方向上的实现。给予两个MOS管互补的开关信号，由于导通的MOS管不存在极性，电路不存在电流断续状态，电感中的电流可以实现反向，电路依据V1、V2以及开关信号占空比的关系自动工作在Buck或Boost状态，从而实现变换器的双向控制。图2.1单相DC/DC变换器原理图图2.2双向Buck-BoostDC/DC变换器32.1.3电流采样电路的分析本次选用INA270，IN+与IN-之间的电压VRS和输出电压Uo之间的关系是Uo=K*VRS,经过实验发现K大概在20.5左右。计算电流的公式如下：I=Uo/k/Rs微控制器通过AD转换可得到Uo的值，固定系数K可以从实验中得到，Uo/k便得出检测电阻RS两端的电压。而RS在一个已经做好的电路里是固定的，可以通过实验得出RS的阻值，用RS两端的电压除以RS的阻值便可得到流经RS电流。因为INA270的输入阻抗很大而RS的阻值很小，RS和负载便是串联关系，所以流经RS电流也就是负载上的电流。因此只要得出Uo的值便可计算出对应的负载电流I,并且两者成线性关系。令Ks=K*Rs,那么I便等于Uo/Ks,而一个电路Ks是确定的已知的。所以微控制器只要用AD测出Uo再除以一个Ks便是所测负载的电流了。图2.3INA270典型应用电路2.2主回路器件的选择及参数计算经过对Buck电路需求以及对Boost电路需求的计算，最终主电路采用专用MOS管驱动器IR2110和N沟道MOS管CSD19536KCS，具有频率高，效率高，控制简单，承受电压电流较大等特点，是理想的半桥驱动电路。2.2.1IR2110半桥驱动电路参数计算基于对IR2110全桥电路的分析，IR2110用于驱动半桥的电路如图2.4所示。图中C1、VD1分别为自举电容和二极管，C2为VCC的滤波电容。假定在S1关断期间C1已充到足够的电压（VC1≈VCC）。当HIN为高电平时VM1开通，VM2关断，VC1加到S1的门极和发射极之间，C1通过VM1，Rg1和S1门极栅极电容Cgc1放电，Cgc1被充电。此时VC1可等效为一个电压源。当HIN为低电平时，VM2开通，VM1断开，S1栅电荷经Rg1、VM2迅速释放，S1关断。经短暂的死区时间（td）之后，LIN为高电平，S2开通，VCC经VD1，S2给C1充电，迅速为C1补充能量。如此循环反复。4图2.4半桥驱动电路自举二极管（VD1）和电容（C1）是IR2110在PWM应用时需要严格挑选和设计的元器件，应根据一定的规则进行计算分析。在电路实验时进行一些调整，使电路工作在最佳状态。经理论及实验分析后，我们采用0.1uF的CBB电容和快速恢复二极管FR107。2.2.2双向DC/DC电路参数计算（1）输入输出电容的选择由于本电路输入输出端对偶，因此需要在输入输出端均接入滤波电容，电容需要滤掉主要的开关纹波，选择电容C足够大，这里选用4700uf铝电解电容，为减小电容的ESR，在U1、U2端滤波电容并联ESR小的高频电解电容。（2）升降压电感的选择由于双向DC/DC电路采用无极性mosfet导通，并用mosfet代替传统的续流二极管，电感不存在断续模式，因此电感按以下公式计算：，取为220uH2.2.3INA270电流采样电路参数计算对于INA270，当选取的RS能提供电压范围为50mV~100mV时就获得了最好的性能。因此选取50m欧的采样电阻。供电旁路电容是为了让电源纹波更小，采用最小的旁路电容0.01μF和0.1μF放置在靠近输出引脚处。2.2.4系统效率计算在输入电压为30V时，BUCK输入电流为2A的测试条件下，假设此时最小的输出充电电压为18V，则输出功率为36W，若要使效率达到90%以上，那么允许损耗的功率为4W。（1）开关管的损耗开关管的功率损耗（包括开关损耗与导通损耗）直接与开关频率有关，本设计选用的moesfet内阻为2.3m欧，经估算其损耗为2*0.2W=0.4W。（2）电感储能损耗：储能电感损耗公式,其功率约为1.5W。(3)其他损耗：估算为1W。经过计算可得到系统的功率损耗约为2.9W,即使在最糟糕的情况下，效率也能满uHkIDDs952*505.0*5.0*38]f)1(U[maxLmaxi5足要求。3电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图系统总体框图如图3.1所示，直流稳压源经过负载电阻与双向DC/DC变换器连接后，再与电池组连接；同时对负载电路、电池组电路进行电流电压检测，检测信号送入MSP430单片机对其进行分析处理，产生PWM波控制双向DC/DC变换器的状态，外接LCD液晶屏显示电流和4*4键盘进行控制，从而实现对电池组充放电以及保护的功能。整个模块由直流稳压电源经辅助电源供电。图3.1系统总体框图3.1.2主电路原理图主电路由buck-boost基本电路组成，其原理图如下：图3.2主电路原理图63.1.3控制电路原理图主电路主要由IR2110进行控制，其电路原理图如下：图3.3控制电路原理图3.1.4辅助电源电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V和12V电压，确保电路的正常稳定工作。本设计采用芯片LM2596实现。图3.4辅助电源电路原理图3.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现电路的控制和显示功能。1）键盘实现功能：控制电路关断和电流步进值。2）显示部分：显示电流值。73.2.2程序流程图图3.5程序流程图四发挥功能本设计还具有SOC测量显示功能，其全称是StateofCharge，即荷电状态，代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，本设计通过简单拟合充电电流电压关系、BP神经网络控制，对电池SOC进行了测量，并在屏幕上显示。五、测试工作环境条件1、测试方案（1）电流变化率的测试方法：设U2=36V时，充电电流值为11I；U2=30V时，充电电流值为1I；U2=24V时，充电电流值为12I，则%100||S112111IIII。（2）DC-DC变换器效率：%100|P|211P，2、测试仪器(1)示波器：Tektronix/TDS2012/100MHz/1GS/S(2)万用表：LINI-TUT805A、HoneytekDT9802(3)可调稳压电源：DF1731SC2A六、作品成效总结分析1、可控恒流充电测试(V)充电电流电流控制精度%100|P|122P8设定值(A)实际值(A)显示值(A)(%)301.00.9990.9990.1%1.11.0991.0980.09%1.31.2991.2980.08%1.51.4991.4980.07%1.81.7981.7970.11%2.01.9981.9990.1%2、充电电流变化率测试U2(V)I1(A)IS(%)361.9990.05%301.999241.9993、充电效率测试U1(V)I1(A)U2(V)I2(A)23.3229.781.6594.8%4、过充保护测试I1(A)阈值电压(V)223.95、放电效率测试U1(V)I1(A)U2(V)I2(A)17.131.7129.920.9597.0%6、稳压输出测试sU(V)U2(V)3229.973530.013830.09七、参考资料[1]康华光.电子技术基础（模拟部分）.北京：高等教育出版社，2006[2]黄根春，周立青，张望先.全国大学生电子设计竞赛教程——基于TI器件设计方法.北京：电子工业出版社，2011[3]全国大学生电子设计竞赛组委会.2011年全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编.北京：北京理工大学出版社，2012[4]李龙文，张宝华.开关电源设计与最新控制IC应用.北京：中国电力出版社，2013[5]胡仁杰,堵国樑.2013全国大学生电子设计竞赛优秀作品设计报告选编.南京：9东南大学出版社，201410附录1：电路原理图测量电路原理图测量电路分别为INA270芯片构成的输出电流检测电路和电压检测电路，其原理图如下：电流I1测量原理图输入输出电压测量原理图11附录2：源程序//***************