雙向DC-DC變換電路設計

董招輝， 單長虹， 陳文光

(南華大學 電氣工程學院， 湖南 衡陽 421001)

雙向DC-DC變換電路設計

董招輝， 單長虹， 陳文光

(南華大學 電氣工程學院， 湖南 衡陽 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，運用同步整流技術，以STM32F103ZET6單片機為控制核心，利用軟件補償網絡、數字校準技術以及PID控制算法使得系統控制精度高。電池充放電模式效率高且可自動切換。整個系統結構簡明，人機界面友好，運行穩定可靠。

DC-DC；同步整流; STM32F103ZET6

0 引言

2015年全國大學生電子設計競賽的A題要求設計一個雙向DC-DC變換電路用于對5節18650鋰電池串聯電路進行充放電。即要求實現兩個功能：一是電能從右邊直流供電電源經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變換器向右邊負載以恒壓U2(=30 V)放電。放電電流可調，并在左端電壓U1=24 V時能夠觸發保護功能。同時要求高效率及質量小(小于500 g)，有精度要求，能夠測量并顯示電流。電池的充放電功能可由按鍵設定，兩種功能間可自動轉換。

1 方案論證與選擇

1.1 主電路拓撲的選擇

方案1：采用隔離的雙向全橋DC-DC變換器

用移相軟開關控制方式實現橋臂的零電壓開關，對功率器件的電流/電壓的應力小，適用于高壓、大功率場合。主要優點為控制方法較為簡單，且可以通過引入有源鉗位電路、無源諧振電路和飽和電感使全部功率開關管均工作在軟開關狀態；缺點為環流能量較大，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計成本。

方案2：采用非隔離雙向Buck-Boost DC-DC變換器

該拓撲結構簡單、可靠性高、易于控制、所用器件少、重量輕、體積小，用MOSFET代替傳統的二極管整流，減少了導通損耗和整流損耗，無論是工作在Buck狀態還是Boost狀態，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：采用軟開關諧振技術

利用變換器中元器件間的諧振來實現開關管的零電壓開關，減少開關噪聲和開關損耗，系統效率高。但此方法增加了輔助開關管和諧振電感，使設備體積變大，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

用可控MOSFET代替傳統的二極管整流，減少導通損耗與整流損耗，有效地提高了系統效率。且單片機只需產生兩路互補的PWM控制信號，易于控制和系統的調試。但開關頻率不宜過高，否則會產生較大的開關尖峰，輸出電壓紋波大。

綜合考慮，采用方案2。

1.3 驅動方式的論證與選擇

方案1：變壓器隔離驅動

通過電-磁-電的變換實現隔離驅動。但變壓器不容易制作，參數設計不當會產生振蕩，設備體積大，增加了重量。該方案優點是很容易產生相位互補的兩路隔離驅動信號，不需要考慮Buck/Boost變換器兩個開關管不同驅動電路的懸浮供電問題。

方案2：光耦隔離驅動電路

使用帶光耦隔離的驅動電路芯片，輸入控制信號與輸出驅動信號電路間互相隔離，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，可靠性高，操作簡單和通用性強。缺點是需要懸浮的自舉電源。

方案3：采用MOS管自舉型驅動器

該芯片能輸出兩路獨立互補的PWM波，驅動電流達4 A，開關速度快，但驅動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 電路與程序設計

根據題目及任務要求，設計的變換電路系統框圖如圖1所示。采用STM32F103ZET6單片機作為核心控制器，利用內部的集成12位A/D分別對雙向DC-DC變換器兩端的電流I1和I2以及電壓U1和U2進行采樣。通過產生兩路互補的PWM信號來控制開關管，實現對電池充放電控制以及自動切換、充放電電流的大小控制和過充保護?？紤]到系統需要單片機作為輔助，且切換邏輯較為復雜，因此考慮不使用硬件電路輸出PWM而使用單片機生成PWM，采用PID數字閉環控制對電壓、電流進行精確的反饋控制，并且測量、切換、控制、顯示一體完成，能夠大量減少重量，簡化系統結構，提高穩定性。

圖1 系統框圖

2.1 雙向DC-DC主電路設計

主電路采用基于同步整流的非隔離Buck-Boost變換拓撲，選用低導通電阻的N-MOS管(CSD19536KCS)作為開關管，設計的主電路如圖2所示。場效應管驅動電路使用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 驅動電路

2.2 電流、電壓信號測量電路設計

測控電路由電流檢測電路(圖4(a))、電壓檢測電路(圖4(b))和STM32單片機最小系統組成，具體電路如圖4所示。電流檢測電路由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)時電阻上功耗為80 mW，效率損失很小。

電壓檢測電路由電阻分壓電路和隔離運放AD8552組成。在嵌入式系統的A/D輸入端，使用兩個二極管1N4148和3.3 V電源的正極及負極相連接，完成限幅功能，保護輸入端免受過壓沖擊損壞。使用電阻與電容設計低通濾波器進行濾波。

(a)電流檢測電路

(b)電壓檢測電路圖4 信號取樣放大電路

2.3 軟件設計

系統的程序由兩部分構成：主函數循環和Timer1定時器中斷服務程序。程序流程圖如圖5 所示。

(a)主程序 (b)定時器中斷程序圖5 程序流程圖

主程序負責人機交互，顯示并設定系統的輸出參數和狀態。Timer1定時器的中斷服務函數內，采集系統的輸入輸出電流和電壓，并根據系統當前的狀態采取相應的閉環控制。通過PID算法穩定設定的電流值或電壓值并分析參數，發現過充后立即停止充電。由于系統采用了軟件補償網絡、數字校準技術和PID控制算法進行電壓閉環和電流閉環，所以系統靈活性高，控制精確，穩定性好。

3 系統方案與測試結果

3.1 測試儀器

系統測試使用的儀器如表1所示。

表1 測試儀器

3.2 測試方法與測試結果

測試電路如圖6所示。

圖6 測試電路

1)基本要求部分

(1)充電模式下，U2=30 V，測試充電電流I1(控制精度)。

測試方法：在1～2 A范圍內，按鍵控制I1以0.01 A步進，并記錄I1(實測值)、I10(設定值)于表2中。

表2 記錄測試值

結論：電流控制誤差低于0.833%。

(2)測試充電電流I1的變化率測試。

測試方法：I1=2 A,U2在24～36 V范圍內變化，并記錄I1、U2于表3中。

表3 記錄測試值

結論：充電電流I1的變化率為0.95%。

(3)測試充電模式效率

測試方法：I1=2 A,U2=30 V，并記錄I1、I2、U1、U2。

(3)

結論：給定條件下的充電模式效率為98.08%。

(4) 電流測量精度測試

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

表4 記錄測試值

結論：電流測量誤差低于0.498%。

(5)測試過充保護。

測試方法：I1=2 A，調節滑線變阻器至停止充電，并記錄U1。

結論：過充保護閾值為23.8 V，誤差為0.2 V。

2)發揮部分

(1)測試放電模式效率

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

(4)

結論：給定條件下的放電模式效率為96.3%。

(2)測試自動切換模式

測試方法：接通S1、S2，斷開S3，Us在32～38 V范圍內變化，并記錄Us、U2于表5。

表5 記錄測試值

結論：雙向DC-DC電路能夠自動轉換工作模式并保持U2誤差在±0.2 V內。

(3)測量系統重量

測試方法：用電子秤稱重，并記錄重量。

結論：雙向DC-DC變換器、測控電路與輔助電源三部分的總重量為389 g，滿足設計要求。

4 結語

本系統以STM32F103ZET6單片機為控制核心，設計并制作了雙向DC-DC變換電路，其主電路拓撲為同步整流式非隔離Buck-Boost電路，運用到的核心技術為軟件補償網絡、數字校準技術和PID數字閉環控制。系統能量可雙向流動，并且具有過充報警功能。充電(Buck)模式轉換效率高達98%，電流控制精度高。放電(Boost)模式轉換效率高達96.3%。系統能自動轉換工作模式并保持U2=30±0.2 V。整個系統經過測試穩定可靠，完成了任務要求的所有功能，各項指標均超出了任務要求。

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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，主要從事電子技術理論教學、電力電子技術研究工作，E-mail:dongzhaohui1@126.com

TM46

A

1008-0686(2017)03-0114-04