DC-DC变换器设计论文
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二〇一六年一月十五日
前言
直流变换技术已被广泛的应用于开关电源及直流电动机驱动中，如不间断电源（UPS）、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及20世纪80年代兴起的电动汽车的控制，从而使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。由于变压器的输入是电网电压经不可控整流而来的直流电压，所以直流斩波不仅能起到调压的作用，同时还能起到有效地抑制网侧谐波电流的作用。
直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter），直流斩波电路（DC Chopper）一般是指直接将直流变成直流的情况，不包括直流-交流-直流的情况。
直流斩波电路的种类很多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路cuk斩波电路，Sepic斩波电路，Zeta斩波电路，前两种是最基本电路,一方面，这两种电路应用最为广泛，另一方面，熟用这两种电路可为理解其他斩波电路打下坚实基础。升压直流电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的DC-DC 变换器 ,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用。随之出现了诸如降压
电路、升降压电路、复合电路等多种方式的变换电路。直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。
升压斩波电路实际上采用的就是PWM技术。PMW控制方式是目前采用最广泛的一种控制方式，它具有良好的调整特性。随着电子技术的发展，近年来已发展各种集成控制芯片，这种芯片只需要外接少量元器件就可以工作，这不但简化设计，还大幅度的减少元器件数量、连线和焊点。所以，此次课题设计选题为设计使用全控型器件为MOSFET的升压斩波电路，主要讨论升压斩波主电路、控制电路、驱动电路和保护电路的原理和设计。
目录
一、设计要求以及小组工作分配 (6)
二、设计方案分析 (7)
2.1全控型器件MOSFET管的介绍 (7)
2.2、DC-DC升压斩波电路的工作原理 (9)
2.3、斩波电路输入输出电压的关系 (10)
2.4、DC-DC升压斩波电路稳压原理 (11)
三、主要单元电路设计 (12)
3.1、控制电路原理与设计 (12)
3.2、驱动电路原理与设计 (13)
3.3、保护电路原理与设计 (15)
3.4、PIC16f887单片机介绍 (16)
四、总电路设计与调试 (19)
五、附录 (23)
六、总结 (26)
七、致谢 (13)
一、设计要求以及小组工作分配
1. 数字控制的DC-DC 变换器
如下图，设计一个DC-DC 变换电路:
要求与提示：
1、当输入电压U i 在10~15V 变化时，输出电压U o =20V 不变，U o 稳态相对误差不超过2%，即恒压输出；
2、输出负载电流I 2范围0~1A;
3、试计算电源效率%1001
2
?==
I U I U P P i o i o η 4、主电路可以采用boost 电路（升压电路），控制电路可以采用PIC16F887
2.组员任务分配
1、查询资料
2、电路设计
3、参数计算
4、PIC 编程学习
5、仿真学习
6、焊制电路板
DC-DC
I 1
I 2
U i U o
+
_
+
_
二、设计方案分析
1.全控型器件MOSFET管的介绍
1.1 简单介绍
MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。
功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称功率MOSFET （Power MOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor--SIT）。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。
功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为：耗尽型—当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道；增强型—对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。
1.2 功率MOSFET的结构
功率MOSFET的内部结构和电气符号如图6所示；其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小
功率MOS管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。
图6 MOSFET的结构与电气图形符号
1.3 功率MOSFET的工作原理
截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。
导电：在栅源极间加正电压U GS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子-电子吸引到栅极下面的P区表面。
当U GS大于U T（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。
2.升压斩波电路原理
升压直流变流器用于需要提升直流电压的场合，其原理图如图1-2所示。
电路中V 导通时，电流由E 经升压电感L 和V 形成回路，电感L 储能；当V 关断时，电感产生的反电动势和直流电源电压方向相同互相叠加，从而在负载侧得到高于电源的电压，二极管的作用是阻断V 导通是，电容的放电回路。调节开关器件V 的通断周期，可以调整负载侧输出电流和电压的大小。
假设L 值、C 值很大，V 通时，E 向L 充电，充电电流恒为1I ，同时C 的电压向负载供电，因C 值很大，输出电压0u 为恒值,记为0U 。设V 通的时间为on t ，此阶段L 上积蓄的能量为E 1I on t 。
V 断时，E 和L 共同向C 充电并向负载R 供电。设V 断的时间为off t ，则此期间电感L 释放能量为：
off t 10E)I -(U
稳态时，一个周期T 中L 积蓄能量与释放能量相等
off
on t I E U t 101)(EI -=
化简得：
E t T
E t t off
off
off
on =+=
t U 0
上式中1t
T off
≥，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。
off t T
——升压比，调节其即可改变0U 。将升压比的倒数记作β，即T off
t =β。和导通占空比，有如下关系：
1=+βα
因此，式（1-2）可表示为：
E -11
E 1
U 0α
β
=
=
升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因:一是L 储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C 可将输出电压保持住。在以上分析中，认为V 处于通态期间因电容C 的作用使得输出电压Uo 不变，但实际上C 值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，U 。必然会有所下降，故实际输出电压会略低于理论所得结果，不过，在电容C 值足够大时，误差很小，基本可以忽略。
3.DC-DC 升压斩波电路输入、输出电压的关系
由直流斩波电路的原理可知
E
t T
E t t off
off
off
on =+=
t U 0
输入电压为输入直流电压范围：10V~15V ，要求输出直流电压：20V 。所以只要根据输入的电压控制全控晶闸管MOSFET 关断的时间和开通的时间比就可，即升压比就可得到所需电压。由计算得：
43
21≤≤β
4.DC-DC升压斩波电路稳压原理
在如下图所示的结构框图中，控制电路用来产生MOSFET降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在MOSFET控制端与公共端之间，可以使其开通或关断的信号。通过控制MOSFET的开通和关断来控制MOSFET降压斩波电路工作。用单片机输出PWM方波（经过驱动电路放大后）控制MOS管的开关，来调节输出电压。将输出电压送回PIC单片机模数转换模块，通过反馈调节PWM占空比调节电压，使输出稳定。控制电路中保护电路是用来保护电路，防止电路产生过电流、过电压现象而损坏电路设备。
控制电路
驱动电路
主电路
三、主要电路设计
1、主电路设计，升压斩波主电路前面已经提到过，这里直接给出电路图
2、控制电路设计
控制电路需要实现的功能是产生PWM波信号，用于控制斩波电路主要功率器件MOSFET的通断，通过对占空比的调节，达到控制输出电压的大小稳定。
3、驱动电路设计
该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，该部分主要完成以下几个功能：
(1)提供适当的正向和反向输出电压，使电力MOSFE 管可靠的开通和关断；
(2)提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使MOSFET能迅速建立栅控电场而导通；
(3)尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率；
(4) 足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；
(5)具有灵敏的过流保护能力。
而电力MOSFET 是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的第一个显著特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小；第二个显著特点是开关速度快、工作频率高。但是电力MOSFET电流容量小，耐压低，多用于功率不超过10Kw 的电力电子装置。
在功率变换装置中,根据主电路的结构，起功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式.美国IR公司生产的IR2110驱动器，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选。根据设计要求、驱动要求及电力MOSFET 管开关特性,选择如下电路来完成
4、保护电路设计
电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护、du/dt保护和di/dt 也是必须的。
抑制过电压的方法：用非线性元件限制过电压的幅度，用电阻消耗生产过电压的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。
对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。所以我们选用用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的震动。保护电路如图所示。
除此之外还有其他的保护装置，如下：
一、防止阳极电压上升率过高保护
在保护电路中串联接入适当的电感即可起到防止阳极电压上升
率过高的保护。
二、晶闸管的过电压保护
晶闸管的过电压能力较差，当它承受超过反向击穿电压时，会被反向击穿而损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。
对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用阻容保护。
三、晶闸管的过电流保护
常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，直流快速开关过电流保护。
快速熔断器保护是最有效的保护措施；过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（只有在短路电流不大时才有用）直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。
因此，最佳方案是用快速熔断器保护。
5、PIC16f887单片机简单介绍
5.1引脚图
5.2 A/D 转换步骤
如下步骤给出了使用 ADC 进行模数转换的示例：1）端口配置：
?禁止引脚输出驱动器（见 TRIS 寄存器）?将引脚配置为模拟输入引脚
2）配置 ADC 模块：
?选择 ADC 转换时钟
?配置参考电压
?选择 ADC 输入通道
?选择结果的格式
?启动 ADC 模块
3）配置 ADC 中断（可选）：
?清零 ADC 中断标志位
?允许 ADC 中断
?允许外设中断
?允许全局中断 (1)
4）等待所需的采集时间 (2)。
5）将 GO/DONE 置 1 启动转换。
6）由如下方法之一等待 ADC 转换结束：
?查询 GO/DONE 位
?等待 ADC 中断（允许中断）
7）读 ADC 结果
8) 将 ADC 中断标志位清零
5.3 PWM 模式
PWM模式在CCPx引脚上产生脉宽调制信号。由以下寄
存器确定占空比、周期和分辨率：
? PR2
? T2CON
? CCPRxL
? CCPxCON
在脉宽调制（ PWM）模式下， CCP 模块可在 CCPx 引脚上输出分辨率高达 10 位的 PWM 信号。由于 CCPx引脚与端口数据锁存器复用，必须清零相应的 TRIS 位,才能使能 CCPx 引脚的输出驱动器。
四、总电路设计以及仿真结果图示
1、总电路图
2、仿真结果
在本次的设计中，采用了protues软件作为仿真工具来进行电路的模拟.Proteus软件具有智能原理图设计和电路仿真功能，其中有超过27000种元器件的丰富的器件库，可方便地创建新元件，可以通过模糊搜索智能快速定位所需要的器件；还能自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；使用总线器件和总线布线使电路设计简
明清晰；在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件，就可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。
仿真结果如下
用于锂电池化成系统的桥式DC/DC变换器.......................... 错误!未定义书签。1引言.. (2) 2 双向H桥DC/DC变换器拓扑分析................................ 错误!未定义书签。 双向DC/DC变换器 (3) 双向H桥DC/DC变换器结构分析 (3) 双向H桥DC/DC变换器工作状态分析 (4) 正向工作状态模型分析 (4) 反向工作状态模型分析 (4) 3 硬件电路分析设计............................................ 错误!未定义书签。 器件参数选择分析 (5) 主开关管的选择 (5) 滤波电感参数的计算 (6) 硬件电路分析设计 (6) 驱动电路分析设计 (6) 4 系统结构与控制 (9) 系统结构 (9) 控制系统结构 (9) DC/DC变换器控制方法 (10) 电压控制模式 (10) 电流控制模式 (10) 软件设计 (10) 5 实验调试与结果分析 (11) 实验平台搭建 (11) 样机调试 (12) 供电电源调试 (12) 驱动信号调试 (12) 单片机程序，VB工程调试 (13) 保护与采样电路测试 (14) 开环、闭环测试 (15) 小结 (17) 6 总结 (17) 7 谢辞 (17) 参考文献...................................................... 错误!未定义书签。用于锂电池化成系统的桥式DC/DC变换器 摘要：随着锂电池在生活中各个方面的广泛普及，锂电池在生产过程中重要的化成环节逐渐成为关注的焦点。本文主要设计介绍了使用于锂电池化成系统的桥式变换器部分，包含计算机监控、DC/DC双向变换器。双向DC/DC变换器通过调节MOSFET的占空比，实现对锂电池的智能充放电。本文对双向DC/DC变换器的工作原理进行了分析，并通过样机对预期功能进行验证。 关键字：电池化成；双向DC/DC变换器；实验分析 Abstract：As the lithium battery becomes more and more popular in every aspects of
2015年全国大学生电子设计竞赛 双向DC-DC变换器（A题） 学号：1440720117 吕刚 2015年12月30日
摘要 本设计主要由双向DC-DC变换电路、测控显示电路、辅助电源三部分构成，其中双向DC-DC变换电路降压部分采用XL4016开关降压型DC-DC转换芯片，最高转换效率可达93%，升压部分采用XL6019开关型升压/降压芯片，具有低纹波，输入范围广，转换效率高的特点。恒流部分采用PWM控制原理，形成一个闭环回路，控制电流恒定，恒压部分完全由硬件控制，单片机辅助控制的方式。以上部分确保系统满足题目要求，实现恒流充电，恒压放电，过压保护功能，并且有着较高的转换效率。 在本次设计中恒压部分完全有硬件控制，硬件自身形成一个闭环控制回路，对电压进行调节使其恒定题目要求的精度范围。单片机通过光耦电路的工作与停止，恒流部分由PWM调节占空比，使其恒流。 关键字电池充放电升压降压XL4016 XL6019 STM32
目录 一、系统方案 (1) 1、双向DC-DC变换电路的论证与选择 (1) 2、测量控制方案和辅助电源的论证与选择 (1) 3、控制方法的论证与选择 (1) 二、系统理论分析与计算 (2) 三、电路与程序设计 (3) 1、电路的设计 (3) （1）系统总体框图 (3) 2、程序的设计 (5) （1）程序功能描述与设计思路 (5) （2）程序流程图 (6) 3、程序流程图 (7) 四、测试仪器与数据分析 (7) 附录1：电路原理图 (9) 附录2：源程序 (10)
双向DC-DC变换器（A题） 【本科组】 一、系统方案 本设计主要由双向DC-DC变换电路、测控显示电路、辅助电源三部分构成，其中双向DC-DC变换电路降压部分采用XL4016开关降压型DC-DC转换芯片，最高转换效率可达93%，升压部分采用XL6019开关型升压/降压芯片，具有低纹波，输入范围广，转换效率高的特点。恒流部分采用PWM控制原理，形成一个闭环回路，控制电流恒定，恒压部分完全由硬件控制，单片机辅助控制的方式。以上部分确保系统满足题目要求，实现恒流充电，恒压放电，过压保护功能，并且有着较高的转换效率。 1、双向DC-DC变换电路的论证与选择 方案1:由降压斩波变换电路(即Buck变换电路)和升压斩波变换电路（即Boost 电路）组成双向DC-DC变换电路，分别各使用一个全控型器件VT（IGBT或MOSFET）,对输入直流电源进行斩波控制通过调整全控型器件VT的控制信号占空比来调整输出电压。 方案2：采用XL4016开关型降压芯片和XL6019开关型升压/降压芯片构成升压、降压电路具有低纹波，内助功率MOS,具有较高的输入电压范围，内置过电流保护功能与EN引脚逻辑电平关断功能。 综合以上两种方案，考虑到时间的限制，选择了比较容易实现的方案2。 2、测量控制方案和辅助电源的论证与选择 由于瑞萨单片机开发套件数量有限，所以我们选择了一款相对便宜，速度快，性价比较高的STM32103V8T6作为控制器，显示部分由于收到题目对作品重量的要求，选择了质量轻，分辨率较高的0.96寸OLED屏幕显示。由于市场上所售开关电源模块的，纹波大的因素，所以辅助电源选择了一个较小的9V变压器，进行，整流滤波作为辅助电源。 3、控制方法的论证与选择 方案1：采用PWM调节占空比的方法控制降压芯片的控制端，达到控制恒流和控制恒压的目的，采用PWM调节软件较为复杂，而且PWM调节较为缓慢，软件控制难度大。 方案2：恒压部分完全有硬件控制，硬件自身形成一个闭环控制回路，对电压进行调节使其恒定题目要求的精度范围。单片机通过光耦电路的工作与停止，恒流部分由PWM调节占空比，使其恒流。 综合以上两种方案，选择软件较为简单，硬件较为复杂的方案2。
A 双向 DC-DC 变换器
摘要：本设计实现了一种基于 MSP430F2616 单片机的可程控双向 DC-DC 变换器。 系统由 18650 电池组、直流稳压电源充电电路、同步 Boost-Buck 电路、滤波电 路、辅助电源、单片机、键盘、AD 转换电路、显示器等电路组成。充电模式下， 输入为 30V 直流电，通过同步降压拓扑结构形成稳定的约 20V 的直流电压，该直 流电压经过程控降压模块实现可程控输出电流。电流经过二次滤除纹波可得到稳 定的电流输出。放电模式下，通过同步升压拓扑结构形成稳定的 30V 电压输出。 同时该电源变换器具过充保护的功能，提高了电源的安全性和稳定性。本电源效 率高、步进精度高、输出电流稳定、安全性高、重量小轻便可携带；通过按键与 显示器实现人机交互，人机交互友好。 关键字：DC-DC，恒流，效率
1 方案论证
变换器设计方案
题目要求电池组在充电模式下，输入直流电为 24~36V 的条件下可以输出恒
流 2A，放电模式可以输出恒压 30V，所以本次设计需要利用双向 DC-DC 拓扑结构。
方案一：采用隔离型 DC-DC 双向变换器。借鉴非隔离单向变换器中反并联开
关管或二极管，以构成非隔离双向变换器的思想，也可以从隔离型单向变换器演
变得到隔离型正激双向 DC-DC 变换器。该方案在需要电气隔离的场合应用比较广
泛。
方案二：采用全桥 DC-DC 双向变换器。通过移相可使控制其开关器件实现零
电压开关。开关器件的电压、电流应尽量小；变压器为双向励磁，利用率较高，
在中、大功率场合有广泛的应用。
方案三：采用 Boost-Buck 双向变换器。常见的非隔离型单向变换器的拓扑
结构有 Buck、Boost、Buck/Boost 等电路。在这些单向变换器的二极管两端反并
联开关管，在开关管两端反并联二极管，即可构成与之对应的 Boost-Buck 双向
变换器电路。
三种方案理论上都能够实现本设计需要的双向 DC-DC 电压变换。正激双向
DC-DC 变换器虽然成本低，驱动电路容易，但由于变压器会处于单向励磁状态，
变压器利用率较低，并且需要额外设计磁复位电路，适用的电路范围较小。全桥
DC-DC 双向变换器虽处于双向励磁状态，利用率较高，但其电路拓扑结构复杂难
以实现；但相比于非隔离双向变换器而言，其效率还是较低的，达不到本设计需
要的效率达到 95%以上的要求。这两种隔离型双向变换器均需要用到变压器，比
较笨重，会超出该设计的系统总质量小于 500g 的要求。而 Boost-Buck 双向变换
器电路精简，无变压器较为轻便，利用率较高，因此本次设计采用 Boost-Buck
双向 DC-DC 拓扑结构。
恒流恒压设计方案
为满足充电模式下，输入为 24~36V 变化时，稳定输出恒定 2A 电流，输入电
压不变情况下充电电流步进可调，充电模式下本电源需要实现降压恒流功能。为
满足放电模式时候，保持输出电压不变，本电源在放电模式下需实现恒压功能。
方案一：采用程序控制 PWM 占空比实现恒压恒流功能。利用高精度 ADC 芯片
对负载进行采样得到负载两端的电压或者电流，根据公式： VOUT VIN TON TON TOFF
（1）
其中
VOU
T
为输出加在负载两端的电压，
VIN
为输入电压，
TON TON TOFF
为控制
PWM
信
2015年全国大学生电子设计竞赛双向DC-DC变换器（A题） 2015年8月15日
摘要 本设计主要由双向DC-DC变换电路、测控显示电路、辅助电源三部分构成，其中双向DC-DC变换电路降压部分采用XL4016开关降压型DC-DC转换芯片，最高转换效率可达93%，升压部分采用XL6019开关型升压/降压芯片，具有低纹波，输入范围广，转换效率高的特点。恒流部分采用PWM控制原理，形成一个闭环回路，控制电流恒定，恒压部分完全由硬件控制，单片机辅助控制的方式。以上部分确保系统满足题目要求，实现恒流充电，恒压放电，过压保护功能，并且有着较高的转换效率。 在本次设计中恒压部分完全有硬件控制，硬件自身形成一个闭环控制回路，对电压进行调节使其恒定题目要求的精度范围。单片机通过光耦电路的工作与停止，恒流部分由PWM调节占空比，使其恒流。 关键字电池充放电升压降压XL4016 XL6019 STM32
目录 一、系统方案 (1) 1、双向DC-DC变换电路的论证与选择 (1) 2、测量控制方案和辅助电源的论证与选择 (1) 3、控制方法的论证与选择 (1) 二、系统理论分析与计算 (2) 三、电路与程序设计 (3) 1、电路的设计 (3) （1）系统总体框图 (3) 2、程序的设计 (5) （1）程序功能描述与设计思路 (5) （2）程序流程图 (6) 3、程序流程图 (7) 四、测试仪器与数据分析 (7) 附录1：电路原理图 (9) 附录2：源程序 (10)
双向DC-DC变换器（A题） 【本科组】 一、系统方案 本设计主要由双向DC-DC变换电路、测控显示电路、辅助电源三部分构成，其中双向DC-DC变换电路降压部分采用XL4016开关降压型DC-DC转换芯片，最高转换效率可达93%，升压部分采用XL6019开关型升压/降压芯片，具有低纹波，输入范围广，转换效率高的特点。恒流部分采用PWM控制原理，形成一个闭环回路，控制电流恒定，恒压部分完全由硬件控制，单片机辅助控制的方式。以上部分确保系统满足题目要求，实现恒流充电，恒压放电，过压保护功能，并且有着较高的转换效率。 1、双向DC-DC变换电路的论证与选择 方案1:由降压斩波变换电路(即Buck变换电路)和升压斩波变换电路（即Boost 电路）组成双向DC-DC变换电路，分别各使用一个全控型器件VT（IGBT或MOSFET）,对输入直流电源进行斩波控制通过调整全控型器件VT的控制信号占空比来调整输出电压。 方案2：采用XL4016开关型降压芯片和XL6019开关型升压/降压芯片构成升压、降压电路具有低纹波，内助功率MOS,具有较高的输入电压范围，内置过电流保护功能与EN引脚逻辑电平关断功能。 综合以上两种方案，考虑到时间的限制，选择了比较容易实现的方案2。 2、测量控制方案和辅助电源的论证与选择 由于瑞萨单片机开发套件数量有限，所以我们选择了一款相对便宜，速度快，性价比较高的STM32103V8T6作为控制器，显示部分由于收到题目对作品重量的要求，选择了质量轻，分辨率较高的0.96寸OLED屏幕显示。由于市场上所售开关电源模块的，纹波大的因素，所以辅助电源选择了一个较小的9V变压器，进行，整流滤波作为辅助电源。 3、控制方法的论证与选择 方案1：采用PWM调节占空比的方法控制降压芯片的控制端，达到控制恒流和控制恒压的目的，采用PWM调节软件较为复杂，而且PWM调节较为缓慢，软件控制难度大。 方案2：恒压部分完全有硬件控制，硬件自身形成一个闭环控制回路，对电压进行调节使其恒定题目要求的精度范围。单片机通过光耦电路的工作与停止，恒流部分由PWM调节占空比，使其恒流。 综合以上两种方案，选择软件较为简单，硬件较为复杂的方案2。
全国大学生电子设计竞赛双向D C D C变换器A 题设计报告 Hessen was revised in January 2021
2015年全国大学生电子设计竞赛 双向 DC-DC 变换器（A题） 【本科组】 2015年8月13日
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摘要 本系统介绍了一种双向DC-DC变换器的基本原理和实现方法。由SG3525芯片产生的PWM波经三极管传入到电路中，驱动MOSFET管，使其关断或导通，使电压升高或降低。同时，可由单片机监测相应信号经判断后控制继电器选择放电或充电的模式使电路保持在一直正常情况下运行。当充电电压超出限幅值时，单片机可自动断开主电路，以保护系统安全。此外，本系统在设计时注重了高精度的要求，使输出电流步进可控，且步进值小于。而系统中各元件的选择以低损耗为标准，提高了系统的低功耗特性，使系统的效率达到最高。本系统经过多次模拟与实验，基本完成各项要求。 关键字：DC-DC变换；低损耗；自动；可控；充电 ABSTRACT This system introduces the basic principle and realization method of a kind of bidirectional DC-DC converter. The PWM wave generated by the SG3525 chip is introduced into the circuit by the transistor, driving the MOSFET tube, making it shut off or on, so that the voltage is raised or lowered. At the same time, the signal can be monitored by a single chip microcomputer to control the relay selection discharge or charging mode to keep the circuit under normal circumstances. When the charging voltage exceeds the limit, the single chip microcomputer can automatically disconnect the main circuit to protect the system security. In addition, the system is designed with high accuracy requirements, so that the output current is controlled, and the step value is less than . In the system, the selection of the components of the system is the standard, which improves the system's low power consumption characteristics, so that
摘要 本系统基于双向同步整流原理，主电路在拓扑结构上整合Buck和Boost两种电路，配合MOS管驱动电路、电流检测电路、辅助电源电路以及输出过流保护电路，使该DC/DC 变换器实现能量的双向流通。系统由STM32F103ZET6单片机控制电流的步进可调，同时控制PWM波产生相应恒定电压值，使用TI的MOS管CSD19535代替续流二极管，大大提高了系统效率。本系统在充电模式可达到98%的转换效率，放电模式达到98%的转换效率，电流检测电路使用TI高精度检流芯片INA282，恒定输出的电流精度稳定在1.5%以内，电压精度稳定在1%以内，同时在LCD上显示所处状态，符合基本要求与发挥部分的参数要求。本设计创新点在于将电池充电过程分为三个阶段，通过显示屏实时显示电池所处的充电状态。 关键词 DC/DC电路同步整流STM32
目录 1 方案论证 (3) 1.1 方案描述 (3) 1.2 方案比较与选择 (3) 1.2.1 主控器方案比较与选择 (3) 1.2.2 显示屏方案比较与选择 (3) 1.2.3 电流检测方案比较与选择 (4) 1.2.4 PWM生成方式比较与选择 (4) 1.2.5 驱动电路方案比较与选择 (2) 2 电路与程序设计 (3) 2.1 双向DC/DC主回路与器件 (3) 2.2 测量控制电路、控制程序 (3) 2.2.1 测量控制电路 (3) 2.2.2 控制算法 (3) 2.2.3 主程序设计 (4) 3 理论分析与计算 (5) 3.1 主回路主要器件参数选择及计算 (5) 3.1.1 MOS管驱动芯片IR2110 (5) 3.1.2 电流检测芯片INA282 (5) 3.1.3 功率管选择CSD19535 (6) 3.1.4 电感参数计算 (6) 3.2 控制方法与参数计算 (6) 3.3 提高效率的方法 (7) 4 测试方案与测试结果（见附件） (7) 4.3 测试结果分析 (7) 5 结束语 (8) 6 参考文献 (8)
双向DC-DC变换器 摘要： 双向DC/DC变换器是一种可以实现“一机两用”的设备，可用其得到能量的双向传输，并且在有些需要能量双向流动的场合，双向DC/DC变换器可大幅度减轻系统的体积、重量以及成本价值，有着重要的研究意义。 首先介绍的是双向DC/DC变换器的概念、应用场合以及其研究现状，并在此基础上分析了电压—电流型双向全桥DC/DC变换器；Buck充电模式时，高压侧开关有驱动信号，低压侧开关管驱动信号封锁，仅用功率开关管的体二极管整流；此时电路为电压型全桥结构；Boost放电模式时，低压侧开关管有驱动信号，高压侧开关管驱动信后封锁，仅用功率开关管的体二极管整流；此时电路为电流型全桥结构。然后，分别对buck充电模式和boost放电模式的工作原理进行了分析。最后利用Proteus软件分别对buck充电模式和boost放电模式的开环和闭环进行了仿真，给出了各部分的波形图，最后得出的仿真结果和理论一致。 关键词：双向DC-DC变换器 Buck充电模式 Boost放电模式
目录 前言 (3) 1.方案论证 (4) 1.1方案一 (6) 1.2 方案二 (6) 1.3 方案选择 (7) 2.电路设计和原理 (7) 2.1 5V电压源电路设计 (7) 2.2 0.1s (8) 2.2.1 引脚及功能表 (9) 2.2.2 (10) 2.3 计数电路设计 (11) 2.4电路设计 (13) 2.5显示电路设计 (14) 2.6控制电路设计 (15) 3.软件仿真调试 (15) 3.1 软件介绍 (15) 3.2 调试步骤及方法 (16) 4.故障分析及解决方法 (17) 5.总结与体会 (18) 附录： (20) A、总体电路图 (20) B、元器件清单 (20) C、元器件功能与管脚 (21) D、参考文献 (24)
2015年全国大学生电子设计竞赛双向DC-DC 变换器（A题） 2015年8月16日
摘要:本系统以同步整流电路为核心构成双向DC--DC电路，用两块LT8705构建双向DC—DC,当系统选择了充电模式，则关断放电的LT8705模块，当放电的时候则关断充电LT8705模块。自动模式的时候通过系统自动调整输入输出模式，使得系统达到稳定。系统充电电流I1在1~2A 围步进可调；设定I1=2A后，U2在24~36V围变化时，充电电流I1的变化率小于1%；设定I1=2A，在U2=30V条件下，变换器的效率达到95%；12864实时显示充电电流的数值，精度误差小于2%；具有过充保护功能；放电模式时，保持U2=30±0.5V，变换器效率达到97%，满足题目要求。 关键词：双向DC-DC电路；LT8705；关断保护
目录 一、系统方案 (1) 1.1双向DC-DC 电路方案论证与选择 (1) 1.2电流监测反馈模块的选择 (2) 1.3电流电压测量AD模块的论证与选择 (3) 1.4辅助电源的选择 (4) 1.5单片机的选择 (5) 二、理论分析与计算 (6) 2.1提高效率的方法 (6) 三、核心部分电路及程序设计 (7) 四、测试方法与数据 (8) 五、结果分析 (10) 六、参考文献 (11)
一、系统方案 1.1双向DC-DC 电路方案论证与选择 方案1：采用双向Buck-Boost DC-DC变换电路。工作原理：当Q2保持关断，Q1采用PWM工作方式工作时，变换器实际是一个Buck电路，能量从V1传到V2。当Q1保持关断，Q2采用PWM工作方式工作时，交换器相当于一个Boost电路，能量从V2传到V1。如图1所示。其可以实现降压充电又可实现升压输出，有较好的灵活性。驱动开关管部分电路简单，但效率达不到要求。 图1 双向Buck-Boost DC-DC变换电路 方案2：采用LT8705降压-升压型DC-DC控制器，该器件可以在输入电压高于、低于或等于输出电压的情况下运作。输入电压围：2.8V至80V；输出电压1.3V至80V。同步整流：效率高达98%，可同步的固定频率：100KHz至400KHz。该方案的优点，效率极高，可以很好的满足题目的效率要求。电路原理图见附图1。 方案3：采用双向半桥DC-DC变换电路。如图2，电路由两个半桥组成，
2015年全国大学生电子设计竞赛试题 参赛注意事项 （1）8月12日8:00竞赛正式开始。本科组参赛队只能在【本科组】题目中任选一题；高职高专组参赛队在【高职高专组】题目中任选一题，也可以选择【本科组】题目。 （2）参赛队认真填写《登记表》内容，填写好的《登记表》交赛场巡视员暂时保存。 （3）参赛者必须是有正式学籍的全日制在校本、专科学生，应出示能够证明参赛者学生身份的有效证件（如学生证）随时备查。 （4）每队严格限制3人，开赛后不得中途更换队员。 （5）竞赛期间，可使用各种图书资料和网络资源，但不得在学校指定竞赛场地外进行设计制作，不得以任何方式与他人交流，包括教师在内的非参赛队员必须迴避，对违纪参赛队 取消评审资格。 （6）8月15日20:00竞赛结束，上交设计报告、制作实物及《登记表》，由专人封存。 【本科组】 一、任务 设计并制作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，功能可由按键设定，亦可自动转换。系统结构如图1所示，图中除直流稳压电源外，其他器件均需自备。电池组由5节18650型、容量2000~3000mAh的锂离子电池串联组成。所用电阻阻值误差的绝对值不大于5%。 图1 电池储能装置结构框图 二、要求 1．基本要求 接通S1、S3，断开S2，将装置设定为充电模式。 （1）U2=30V条件下，实现对电池恒流充电。充电电流I1在1~2A范围内步进可调，步进值不大于0.1A，电流控制精度不低于5%。 （2）设定I1=2A，调整直流稳压电源输出电压，使U2在24~36V范围内变化时，要求充电电流I1的变化率不大于1%。 （3）设定I1=2A，在U2=30V条件下，变换器的效率 190% η≥。 （4）测量并显示充电电流I1，在I1=1~2A范围内测量精度不低于2%。 （5）具有过充保护功能：设定I1=2A，当U1超过阈值U1th=24±0.5V时，停止充电。
双向DC-DC变换器 摘要：双向DC-DC变换器是能够根据能量的需要调节能量双向传输的直流到直流的变换器。本文阐述的双向DC-DC变换器通过集成运放加三极管组成的恒流源实现实现电池的充电功能以及由TL494组成的升压电路实现对电池的放电功能，LCD液晶屏用于显示充电电池的充电电流，并且能够自动转换变换器充放电工作模式。此作品电路简单，效率较高，性能稳定；可以满足题目的要求，可适用于直流不停电系统、太阳能电池变换器、电动汽车等方面。 关键词：双向DCDC变换器；恒流源；TL494
一、方案论证与比较： 恒流源方案比较： 方案一：由晶体三极管组成的恒流源，利用三极管集电极电压变化对电流影响，并在电路中采用电流负反馈来提高输出电流的恒定。由于晶体管参数受温度变化影响，要采用温度补偿及稳压措施，增加电路的复杂性且输出电流不便调节。 方案二：集成运算放大器和MOS管组成的压控型恒流源，利用运放来驱动功率管MOSFET的导通程度，获得相应的输出电流在采样电阻上产生的采样电压作为反馈电压送到运放的反相输入端，并与同相输入端的给定电压进行比较，依此对MOS管的驱动电压进行调整，达到对功率管的导通电流进行调整的目的；采用放大器负反馈构成的恒流源，可以获得较高精度、较大的电流输出。因此本设计采用方案二。 DC-DC升压电路方案比较： 方案一：结构如下图所示，可以实现输出端与输入端的隔离，适合于输入电压与输出电压之比远大于一或远小于一的情形，但由于采用多次变换，电路中的损耗较大，效率低，而且结构复杂。 直流交流交流直流逆变电路变压器整流电路滤波器 图1—1 方案二：用Boost升压电路，拓扑结构如图1-2所示。开关的导通和关断受到外部PWM信号控制，电感L将交替的储存和释放能量，电感L储能后使电压泵升，而电容C可将输出电压保持住，输出电压与输入电压的关系为 u0=(Ton+Toof),通过改变PWM控制信号的占空比可以实现相应输出电压的变化。该电路采取直接直流变流的方式升压，电路结构较为简单，损耗较小，效率较高。
双向DC-DC 变换器 摘要:以FPGA 和TM4C123G 为控制核心，设计制作了双向DC-DC 变换器。本系统主要包括Buck/Boost 双向DC-DC 变换电路、电压电流采样电路和辅助电源电路等，其中以Buck/Boost 变换电路为核心，完成锂电池组的充、放电，采用闭环反馈系统，实时监测锂电池组的电压、电流，经过PID 调节，控制输出PWM 波，从而控制Buck/Boost 变换电路。经测试，变换器可实现恒流充电，且充电电流在1~2A 内可调，步进值可设定，电流控制精度0.12%ic e ≤，测量精度 0.192%m e ≤，变换器充电效率198.54%η≥，放电效率297.99%η≥，且系统具有过充保护功能，阈值电压1(240.032)th U V =±，能自动转换工作模式并保持 2(300.010)U V =±。经称量，双向DC-DC 变换器、测控电路与辅助电源三部分总重量为368g 。此外，系统可识别充电、放电两种模式，并实时显示充、放电的电流与电压，人机交互性良好。 关键词：BDC ；锂电池；PWM ；PID ；过充保护
1 方案论证 1.1 方案比较与选择 1.1.1 双向DC-DC 主回路 方案一：非隔离式Buck/Boost BDC Buck 变换器和Boost 变换器的二极管换成双向开关后具有同样的结构，构成 Buck/Boost BDC ，图1为其拓扑结构。在Buck/BoostBDC 中，由于1S 和2S 均可流通双向电流，因此电感L 中的电流一直保持连续状态。当电感电流恒大于零时，能量由b V 流向o V ，是Boost 变换器，锂电池放电；当电感电流恒小于零时，能量由o V 流向b V ，是Buck 变换器，锂电池充电。 图1非隔离式Buck/Boost BDC 拓扑结构 方案二：隔离式Buck/Boost BDC 非隔离式Buck/Boost BDC 中插入高频变压器便构成隔离式Buck/Boost BDC 。图2为其拓扑结构。其高频逆变/整流和高频整流/逆变单元可以由半桥、全桥、推挽等电路构成，方案较多，设计电路比较灵活。 图2隔离式Buck/Boost BDC 拓扑结构 分析：方案二存在升压启动和开关管电压尖峰问题，电路结构较复杂，方案 一控制方便，电路结构简单，故选择方案一。 1.1.2PWM 波控制方案 方案一：TL494是一种固定频率脉宽调制器，集成了全部的脉宽调制电路。片内置线性锯齿波振荡器、误差放大器、5V 参考基准电压源、功率晶体管，仅有两个外置振荡元件，内置可调整死区时间。通过控制信号与T C 上的正锯齿波比较，来控制PWM 波的占空比。实际电路中，可通过FPGA 控制DAC 的输出电压来作为TL494的外部控制信号，实现对TL494输出PWM 波占空比的控制。
666IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,VOL.19,NO.3,MAY 2004 A PWM Plus Phase-Shift Control Bidirectional DC–DC Converter Dehong Xu ,Member,IEEE ,Chuanhong Zhao ,Student Member,IEEE ,and Haifeng Fan Abstract—A pulse-width modulation (PWM)plus phase-shift control bidirectional dc–dc converter is proposed.In this converter,PWM control and phase-shift control are combined to reduce cur-rent stress and conduction losses,and to expand ZVS range.The operation principle and analysis of the converter are explained,and ZVS condition is derived.A prototype of PWM plus phase-shift bidirectional dc–dc converter is built to verify the analysis.Index Terms—Bidirectional dc–dc converter,conduction loss,phase-shift,pulse-width modulation. I.I NTRODUCTION B IDIRECTIONAL dc–dc converters will be widely used in applications such as dc uninterrupted power supplies,aerospace power systems,electric vehicles and battery chargers.In order to minimize the size and weight of the converters,switching frequency must be increased.But the increase of switching frequency results in higher switching losses.There are many techniques to solve this problem.Some circuits use resonant,quasiresonant,and/or multi-resonant techniques [1]–[3].However,voltage or current stresses in these converters are higher and require the devices of higher V A rating.Some circuits use passive snubbers or active clamp techniques [4].However,these converters become more complicated.Phase-shift ZVS technique has been used in bidirectional dc–dc converters since it can realize ZVS for all switches without auxiliary switches [5],[6].However,when the amplitude of input voltage is not matched with that of output voltage,the current stresses and RMS currents of the converters become higher.In addition the converters can not achieve ZVS in light-load condition. Fig.1is a phase-shift (PS)bidirectional dc–dc converter [7].There are two switches on both sides of the isolation trans-former. Switch and are controlled complementarily. Switch and are also controlled complementarily.Duty cycles of the switches are kept in 0.5.The inductor is used as the main energy transfer element.Fig.1is simplified as Fig.2(a).Fig.3(a)shows the corresponding waveforms of the simplified circuit when the amplitude of equivalent input voltage is equal to that of equivalent output voltage Manuscript received December 10,2002;revised October 6,2003.This paper was presented at the APEC’03Conference,Miami Beach,FL,February 2003.This work was supported by the Delta Power Electronics Science and Education Development Fund and the Foundation for University Key Teacher by Ministry of Education of China.Recommended by Associate Editor Y .-F.Liu. The authors are with the Department of Electrical Engineering,Zhejiang Uni-versity,Hangzhou 310027,China (e-mail:xdh@https://www.doczj.com/doc/d012780992.html,).Digital Object Identifier 10.1109/TPEL.2004.826485 Fig.1.Phase-shift bidirectional dc–dc converter. (a) (b) Fig.2.(a)Simplified circuit of PS control.(b)Simplified circuit of PPS control. ,that is , where is the turn ratio of the isolation transformer.When the amplitude of equivalent input voltage is not equal to that of equivalent output voltage ,such as ,Fig.3(b)shows the corresponding waveforms.The current stresses and RMS 0885-8993/04$20.00?2004IEEE
全国大学生电子设计竞赛双向d c d c变换器a 题设计报告 SANY标准化小组 #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#
2015年全国大学生电子设计竞赛双向 DC-DC 变换器（A题） 【本科组】 2015年8月13日 目录
摘要 本系统介绍了一种双向DC-DC变换器的基本原理和实现方法。由SG3525芯片产生的PWM波经三极管传入到电路中，驱动MOSFET管，使其关断或导通，使电压升高或降低。同时，可由单片机监测相应信号经判断后控制继电器选择放电或充电的模式使电路保持在一直正常情况下运行。当充电电压超出限幅值时，单片机可自动断开主电路，以保护系统安全。此外，本系统在设计时注重了高精度的要求，使输出电流步进可控，且步进值小于。而系统中各元件的选择以低损耗为标准，提高了系统的低功耗特性，使系统的效率达到最高。本系统经过多次模拟与实验，基本完成各项要求。 关键字：DC-DC变换；低损耗；自动；可控；充电 ABSTRACT This system introduces the basic principle and realization method of a kind of bidirectional DC-DC converter. The PWM wave generated by the SG3525 chip is introduced into the circuit by the transistor, driving the MOSFET tube, making it shut off or on, so that the voltage is raised or lowered. At the same time, the signal can be monitored by a single chip microcomputer to control the relay selection discharge or charging mode to keep the circuit under normal circumstances. When the charging voltage exceeds the limit, the single chip microcomputer can automatically disconnect the main circuit to protect the system security. In addition, the system is designed with high accuracy requirements, so that the output current is controlled, and the step value is less than . In the system, the selection of the components of the system is the standard, which improves the system's low power consumption characteristics, so that the system's efficiency is the highest. The system has been simulated and the experiment, the basic completion of the requirements. Keyword: DC-DC transform; Low loss; Automatic; Controllable; Charge
双向dc-dc变换器是什么双向dcdc变换器原理 双向直流变换器双向DC-DC变换器是实现直流电能双向流动的装置，主要应用于混合动力汽车和直流不间断供电系统等 双向直流变换器采用经典BUCK/BOOST电路拓扑，具备升降压双向变换功能，即升降压斩波电路。能量从C1流向C2时，直流变换器工作在BOOST模式下，实现升压功能；能量从C2流向C1时，直流变换器工作在BUCK模式下，实现降压功能。 双向直流变换器功能描述：恒压充、放电机转换，恒功率充、放电及转换等； 电池侧和直流母线侧双向升降压；l 兼容多种不同配置和型号的蓄电池； 电池侧接光伏电池板时具备MPPT功能； 多台变流器并联运行控制功能（主从控制，下垂控制）； 双向直流变换器原理所谓双向DC-DC变换器就是DC-DC变换器的双象限运行，它的输入、输出电压极性不变，但输入、输出电流的方向可以改变。变换器的输出状态可在V o-lo 平面的一、二象限内变化。变换器的输入、输出端口调换仍可完成电压变换功能，功率不仅可以从输入端流向输出端，也能从输出端流向输入端。图1-1为BDC的二端口示意图。从各种基本的变换器拓扑来看，用双向开关代替单向开关，就可以实现能量的双向流动。 双向DC-DC变换器实现了能量的双向传输，在功能.上相当于两个单向DC-DC变换器，是典型的机两用”设备。在需要双向能量流动的应用场合可以大幅度减轻系统的体积重量及成本，有重要研究价值。 双向DC-DC变换器的应用在一一个系统中的直流电源(或直流源性负载)间需要双向能量流动的场合都需要双向DC-DC变换器。因此直流电机驱动系统、不停电电源系统、航空航天电源系统、太阳能(风能)发电系统、能量储存系统(如超导储能)、电动汽车系统等系统中都有其适用场合。下面列举几个预研的或已应用的实例，以使BDC的概念更清晰。双向直流变换器因公环境介绍双向DC-DC变换器是能够根据能量的需要调节能量双向传