双向DCDC变换器

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DC/DC降压变换器

设计报告

任课教师：

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2012年6月20日

摘 要

本系统以Buck降压变换电路为核心，以MSP430单片机为主控芯片和SG3525为PWM控制芯片，根据反馈信号对PWM信号做出调整，进行可靠的闭环控制，从而实现稳压输出。系统输入电压20—30V，输出直流电压7—17V数字可调，可以通过键盘设定和步进调整，最大输出电流达到3A，并且有过流保护功能。能对输出电压和输出电流进行测量和显示。

关键字：Buck SG3525 MSP430 过流保护

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一、 方案比较与论证

1.1 DC-DC主回路拓扑

方案一:利用电阻分压原理进行降压多次变换，电路中的损耗较大，效率较低。

方案二:采用Buck降压变换电路：拓扑结构如图1所示。开关的开通和关断受外部PWM信号控制，电感L将交替地存储和释放能量，通过改变PWM控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。该电路结构较为简单，损耗较小，效率较高。

综合比较，我们选择方案二。

1.2 控制方法及实现方案

方案一 利用PWM专用芯片产生PWM控制信号。此法较易实现，工作较稳定。

方案二 利用单片机产生PWM控制信号。让单片机根据反馈信号对PWM信号做出相应调整以实现稳压输出。这种方案实现起来较为灵活，可以通过调试针对本身系统做出配套的优化。但是编程和系统调试比较复杂，对单片机要求较高。

在这里我们选择方案一。

1.3单片机的选择

方案一：STC89C51是八位低级单片机，内部定时器比较少，存储空间较少，复杂的控制算法难以实现。

方案二：MSP430F169是16位超低功耗，具有精简指令集的混合信号处理器，主频为8 MHz，具有较高精度的AD/DA模块，引脚布线比较简单，操作起来比较方便。因此，我们选择方案二。

二、系统总体方案 图1

4 Buck变换器电路可分为四个电路模块。分别为主电路模块，控制电路模块、驱动电路模块和测量显示电路模块。

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

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 IR2110 SOC 1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。 1.1 DC/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。 2.1.1 Buck-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。

2019年第4期135研究与探讨信息技术与信息化

隔离式双向DC/DC变换器的研究

梁承权* 吕德深 黄世玲 朱浩亮 李光平 LIANG Cheng-quan LV De-shen HUANG Shi-ling ZHU Hao-liang LI Guang-ping 摘　要 本文对隔离式双向DC/DC变换器拓扑结构进行对比，选择电压等级和功率等级较高的全桥双有源桥变换

器作为研究对象。对全桥双有源桥变换器基本原理进行详细的分析，绘制出变换器稳态工作时关键节点

电压和电流的波形。分析表明，全桥双有源桥变换器不仅易于实现开关管的零电压开关，能量能够双向

传输，控制方法简单。

关键词 拓扑结构；全桥双有源桥变换器；零电压开关

doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2019.04.043

* 南宁学院机电与质量技术工程学院 广西南宁 530200[基金项目] 2019年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（2019KY0933） 1引言

随着生产力与经济的快速发展，化石燃料等传统能源的

消耗有增无减。为了响应节能减排的号召，对于新能源，如

光伏以及风电的开发受到了越来越多的重视。然而光伏以及

风电等新能源在能量供应的持续性以及稳定性上有所不足，

于是需要采用电力电子变换装置来实现电压或电流的稳定输

出[1]。隔离式双向DC/DC变换器特点在于可以实现功率的双

向流动，并且能够保证输入侧与输出侧的电气隔离[2]。因此，

隔离式双向DC/DC变换器在新能源电动汽车、光伏发电、不

间断电源系统、风电以及直流功率放大器等场合得到了广泛

的应用。

2 隔离双向DC/DC变换器拓扑结构介绍

双有源桥式双向DC/DC变换器（DAB）是近几年研究较

多的一种隔离式双向DC/DC变换器，这种双向DC/DC变换器

由两个桥式变换单元、电感器、电容器和高频隔离变压器等

构成。常见的半桥式双有源桥变换器如下图1所示。

图1 半桥双有源桥变换器电路结构