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双向DC-DC变换器

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双向DC-DC变换器

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%ice，测量精度0.192%me,变换器充电效率198.54%,放电效率297.99%，且系统具有过充保护功能，阈值电压1(240.032)thUV，能自动转换工作模式并保持2(300.010)UV.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

双向DC-DC变换器

1 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/Boost BDC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bV流向oV，是Boost变换器，锂电池放电；当电感电流恒小于零时,能量由oV流向bV，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。

1.1.2 PWM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TC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。

方案二：由FPGA同时产生两路相位差为180的PWM波，占空比和死区时间由FPGA设定，控制方法易于实现，且具有很高的灵活性。 双向DC-DC变换器

2 分析：方案一输出PWM波精度较高，但需DAC对其进行控制，增加了系统的体积，结构较复杂，方案二控制方便，电路结构简单,输出PWM波精度可满足要求，故选择方案二。

1。2 总体方案描述

系统整体框图如图3所示，总体方案如下：系统以Buck/Boost双向DC—DC转换器为主体，实现锂电池的充电和放电。系统实时监测充电电压1U、电流1I及2U的值,可根据预置电流值对锂电池进行恒流充电、恒压放电，经PID算法调节，改变PWM波的占空比，将系统稳定在设定状态.此外，系统具有过充保护功能,识别两种模式并实时显示充、放电电流，人机交互界面良好。

IRS21867驱动电路电压取样电流取样电压取样

FPGA与TM4C123GPWM波A/D转换电路数据采集与处理过充保护键盘显示辅助电源锂电池组Buck/Boost双向DC-DC转换器PID控制直流稳压电源2S3SSRLR电流电压转换开关开关开关1S

图3 系统整体框图

2 理论分析与计算

2。1 主回路主要器件参数选择与计算

本系统主回路为Buck/Boost双向DC—DC变换器，为保证系统的性能,重点为MOSFET的选取、电感、电容的设计。

MOSFET选择：为减小MOSFET的损耗、提高系统效率，拟选择导通电阻小、栅极电荷小的MOSFET，且2(max)36UV，综合考虑，选择CSD19536,其关键指标为 100DSVV,

()2.3DSonRm， 118gQnC，150DIA， ()8dontns， ()5dofftns，完全满足本系统设计要求。

电感设计：BDC电路中，选择任一工作模式进行电感设计均可，此次在Buck工作模式下进行电感设计。设计要求224~36inVUV，1~2OIA,取124OthVUV.连续电流模式下电感值为：

minmin(min)(min)(1)(1)22OOfOfOVTDVDLKIfKI （1）

其中，min(max)OinDVV。取90%,则min240.9360.667D。

取开关频率20fkHz，0.3fK，则由（1）得700.6LH。 双向DC-DC变换器

3 输出滤波电容设计:取0.4r,3ppVmV，81667OppCrIfVF，实际取2200CF,同时还并联低ESR的小电容,降低等效阻抗，稳态特性好。

2.2 控制方法与参数计算

本系统实时监测1U、1I与2I的值，用ADS1256对其值进行采集，MCU对采集数据进行处理，通过PID调节，输出具有一定占空比的PWM波对BDC主回路进行控制,使电路工作于设定正常状态,即达到对充电或放电过程的控制。

2。3 提高效率的方法

（1)选择栅极电容与导通电阻较小的开关管；减小开关管的栅极串联电阻,可改变控制脉冲的上升沿与下降沿时间、防止震荡,减小开关管的漏极的冲击电压；同时在开关管的栅极和源极之间并联较大阻值电阻，减小开关管断开时的静态电流。

(2)合理设计电感。考虑到题目对质量的要求，应尽量减小电感的体积，因此选择EETR型号磁芯,其骨架较小,且其骨架为圆柱形,可使得绕线更加紧凑而减少漏感，从而减少尖峰电压所引起的焦耳损耗；适当增加电感气隙来免因磁饱和所附加的铜损；采用多股细铜线代替单股粗线来绕制电感,从而降低铜损,减少邻近效应和趋肤效应。

（3)选择合适的PWM波频率。开关管的开关损耗会随着系统的工作频率的增高而增大，而输出电压纹波又随工作频率的减小而增大，兼顾纹波与开关损耗，故选择BDC电路的开关频率为20kHz。

(4）选择低ESR的电容,减小其损耗。 3 电路与程序设计

3.1 双向DC—DC主回路设计与器件选择

Buck/Boost BDC主回路选择IRS21867作为变换器的驱动芯片，IRS21867是有独立的高、低端输出的高压、高速功率MOSFET和IGBT驱动器,高端功率管的最大工作电压可达600V。其供电的电压低、驱动电流大，能够完全满足本系统设计要求。其电路图如图4所示.

系统选用N沟道MOSFET CSD19536，其具有超低栅极驱动电荷和米勒电容，低热阻，可在功率转换中最大限度的降低损耗.

图4 Buck—Boost BDC主回路

3.2 电压、电流取样电路 双向DC-DC变换器

4 如附图1所示，直流电压1U、2U经电阻分压后经过射极跟随器输入至A/D转换器.其中射极跟随器用高精度的双运放OPA2211设计完成。

选用康铜丝作为电流的取样电阻，康铜丝阻值小，温度系数低，稳定性能好，其两端的电压经过INA118的放大输入至A/D转换电路.INA118是双向电流监控器，精度高、温漂小，其增益150GGkR，系统中GR选用千分之一精度电阻，其阻值为1k,可保证增益的稳定，增益为51.

3.3 A/D采样电路

如附图2所示，本系统选用的ADC为24位多通道、高精度的ADS1256,ADS1256可同时采集四路模拟信号，最大输入电压为5V，故其分辨力可达到24520.3V,在实际电路中可达16位，分辨力可达16520.076mV，完全可以达到要求.

3。4 过充保护电路

系统实时对锂电池两端电压1U进行采样,当检测到1U为24V时，切断PWM波的输出，达到保护电池的目的.

3.5 辅助电源设计

系统中芯片正常工作下的供电电压有12V、5V、—5V、3。3V。如附图3所示，系统辅助电源由SU处进行供电，而SU范围为32~38V,故选用输入电压范围为4.5~42V的TPS54340首先将其降至12V，然后利用LM7805将12V降至5V，利用LM1117将其降至3.3V。-5V利用MAX764得到.

3。6 控制程序设计

本系统采用TM4C123G与FPGA为控制核心，FPGA实现了对ADS1256的高速采样，实时监测充电电流、电池电压，以及DC—DC转换器输入端电压并通过LCD显示。系统为一个数字反馈系统，采用PID算法，完成恒流充电和恒压放电等功能，且当充电电压超过阈值1U为24V时，关闭PWM波,实现过充保护.程序流程图如图5所示。 双向DC-DC变换器

5 程序初始化开定时器中断任务扫描定时中断触发？调用键盘扫描任务？有键按下？按键处理调用A/D采样？调用显示任务？进行LCD显示是否为充电模式？放电模式PID恒压PID恒流YYYYYYNNNNNN

图5 程序流程图 4 测试方案与测试结果

4.1 测试仪器

直流稳压稳流电源,型号 SG1733SB3A

万用表(6位半），型号 Agilent 34401A

万用表（4位半）3个，型号 FLUKE 45

4。2 测试条件与测试结果

（1） 充电电流控制精度测试：在230UV条件下，以步进0.1V在1~2V范围内设置充电电流值，测量实际的电流值，并将结果记录于表1中。电流控制精度11010100%iceIII，其中，1I为实际电流,10I为设定值.

表1 电流控制精度测试(230UV）

10IA 1。0 1.1 1。2 1。3 1.4 1。5

1IA 1.00107 1。10050 1.2002 1。3016 1。4009 1。5012

%ice 0.107 0.045 0。017 0。12 0.064 0。08

续表1电流控制精度测试（230UV）

10IA 1.6 1。7 1。8 1.9 2。0

1IA 1。6010 1.7012 1。8004 1.9023 2。0015

%ice 0.0625 0.071 0。022 0。12 0.075

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双向DCDC变换器的研究

双向DCDC变换器的研究

双向DCDC变换器的研究

一、本文概述

随着能源科技的不断进步和可再生能源的日益普及，电力电子技术在能源转换和管理中发挥着越来越重要的作用。双向DC-DC变换器作为一种重要的电力电子设备，具有在宽范围内调节电压、实现能量的双向流动以及高效率的能量转换等特点，因此在电动汽车、储能系统、微电网等领域具有广泛的应用前景。本文旨在对双向DC-DC变换器进行深入研究，分析其工作原理、拓扑结构、控制策略以及优化方法，以期为该领域的发展提供理论支持和实践指导。

本文将介绍双向DC-DC变换器的基本概念和分类，阐述其在不同应用场景中的重要作用。接着，将重点分析几种典型的双向DC-DC变换器拓扑结构，包括其工作原理、性能特点以及适用场景。在此基础上，本文将探讨双向DC-DC变换器的控制策略，包括传统的控制方法和现代的控制算法，分析各自的优缺点，并提出改进和优化方法。

本文还将关注双向DC-DC变换器的效率优化问题，研究如何通过降低损耗、提高转换效率来实现更高效的能量转换。还将探讨双向DC-DC变换器在实际应用中面临的挑战和问题，如电磁干扰、热管理、可靠性等，并提出相应的解决方案。

本文将总结双向DC-DC变换器的研究现状和发展趋势，展望未来的研究方向和应用前景。通过本文的研究，期望能够为双向DC-DC变换器的设计、优化和应用提供有益的参考和启示。

二、双向DCDC变换器的基本原理与结构

双向DC-DC变换器，又称为双向直流转换器或可逆DC-DC变换器，是一种特殊的电力电子装置，它能够在两个方向上进行电压和电流的转换。这种转换器不仅可以像传统的DC-DC变换器那样将一个直流电压转换为另一个直流电压，而且还可以在两个方向上进行这种转换，即既可以实现升压也可以实现降压。

双向DC-DC变换器的基本原理基于电力电子转换技术，主要利用开关管和相应的控制策略，实现电源和负载之间的能量转换。其核心部分包括开关管、滤波器、变压器以及相应的控制电路。开关管通过快速开关动作，将直流电压转换为高频脉冲电压，然后通过变压器改变电压等级，最后通过滤波器滤除高频成分，得到所需的直流输出电压。

双向dcdc变换器 (2)

双向dcdc变换器 (2)

未知驱动探索，专注成就专业

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双向 DC-DC 变换器

简介

双向 DC-DC 变换器是一种可以实现能量在两个方向上传输的电路，能够将能量从一个电源转移到另一个电源。它在电动车、太阳能系统、电池储能系统等应用中得到广泛应用。本文将介绍双向 DC-DC 变换器的原理、工作模式和应用。

原理

双向 DC-DC 变换器通过两个独立的电感和开关器件实现能量的双向传输。其拓扑结构常见的有升降压式和升压式两种。在升降压式拓扑中，输入电源可以比输出电源的电压高或低；而在升压式拓扑中，输入电源的电压必须比输出电源的电压高。下面介绍升降压式和升压式拓扑的工作原理：

升降压式拓扑

升降压式拓扑常用的桥式电感拓扑是最常见的升降压式拓扑。其电路图和工作原理如下：

升降压式拓扑

升降压式拓扑

在升降压式拓扑中，当开关 SW1 和 SW2 关闭时，电感 L1 储存电能；当 SW1

和 SW2 开启时，通过二极管 D1 转移到电容 C1 上。同样，当开关 SW3 和 SW4 关闭时，电感 L2 储存电能；当 SW3 和 SW4 开启时，通过二极管 D2 转移到电容 C2

上。 未知驱动探索，专注成就专业

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升压式拓扑

升压式拓扑常用的桶式电感拓扑是最常见的升压式拓扑。其电路图和工作原理如下：

升压式拓扑

升压式拓扑

在升压式拓扑中，当开关 S1 关闭时，电感 L1 储存电能；当 S1 开启时，通过二极管 D1 转移到电感 L2 上。此时，电容 C1 上的电压逐渐升高，最终达到所需的输出电压。

工作模式

双向 DC-DC 变换器有三种工作模式：降压模式、升压模式和反向电流保护模式。

降压模式

降压模式是指输入电压高于输出电压的情况。在此模式下，开关器件周期性地开启和关闭，以维持输出电压在设定范围内。当开关器件关闭时，电感和电容储存能量；而当开关器件打开时，能量从电感和电容中释放，通过二极管传递到输出端。这个过程会不断循环，以保持输出电压稳定。

双向DCDC变换器

双向DCDC变换器

双向DCDC变换器

1、什么是双向DCDC

在储能系统、以及汽车动力系统中，存在既需要向负载供电，又存在给电池等放电的情况，我们也把这种电流反向馈入电源侧的模式称为馈电，也称这种能量可以双向流动的开关变换器为双向变换器（Bi_direactional DC/DC Converter）。

同样其也分为隔离与非隔离。

之前我们介绍的变换器均只有一个开关管，且只能实现电流的单一反向流动，所以其能量也是单相传递。

其实从理论上来说，比如buck电路正向来看是降压，反向看其实就是升压电路，所以我们只需要让该电路能够正向实现降压，反向实现升压就可以变成双向变换器。

比较简单一点的话就是用一个单向buck电路与boost电路进行并联，但是成本有点高。下面我们就通过buck电路和boost电路合并成双向变换器:

上图通过传统的buck电路和boost电路合成最终的双向buck电路，这个电路算是非常经典的双向DCDC电路了，并且在目前也是应用非常广泛的。

如果不进行同步整流情况下，buck模式打上管子储能，下管关闭，通过下管二极管实现续流，电流从左向右流动实现降压效果。

同样反向boost模式，下管导通使得电感储能，通过上管的反向二极管实现续流，所以两个开关管之间要留有足够的死区时间，避免短路直通，损坏器件。

然而其具体工作在buck模式还是boost模式需要根据占空比和两侧电压大小来确定，且对于双向buck电路电流没有断续模式，同样也是遵循电感的伏秒平衡和电容的安秒平衡。

其他双向电路也是由对应的单相升降压复合而成。

2、DCDC开环与闭环控制

DCDC的开环控制就是通过输出固定的占空比，根据电压传输比例进行开环的电压电流输出模式。

而闭环控制是通过输出的电流电压反馈调节占空比，最终使得输出电压或者电流稳定在目标值附近。

DCDC常用的直接控制电压的单环和电压电流双闭环控制，而电压电流双闭环控制由于稳定性和抗干扰能力强被广泛使用，通常是电压作为外环，电流作为内环。

双向DCDC变换器的控制方法研究与设计

双向DCDC变换器的控制方法研究与设计

双向DCDC变换器的控制方法研究与设计

双向DC-DC变换器（BDC）是一种能够将直流电能在两个方向上进行转换和传输的电力转换装置。它可以将能量从一个电源送到另一个负载，同时还可以将能量反向传输。因此，BDC在可再生能源系统、电动汽车和电网储能等领域具有广泛的应用前景。

BDC的控制方法研究与设计是实现高效能量转换和稳定输出的关键。以下是一个基于脉宽调制（PWM）技术的BDC控制方法的研究与设计过程。

1.建立数学模型：根据BDC的电路结构，可以建立数学模型来描述其电压与电流之间的关系。通过建立这个模型，可以分析系统的动态特性和稳态性能。

2.控制策略选择：根据应用需求和系统要求，选择适当的控制策略。常见的控制策略包括PID控制、模糊控制和模型预测控制等。需要考虑的因素包括系统的响应速度、稳态误差和鲁棒性等。

3.控制器设计：设计适当的控制器来实现所选控制策略。控制器的作用是根据输出和参考输入之间的差异来调节脉宽调制信号，控制BDC的开关器件的开关状态。常见的控制器包括比例控制器、积分控制器和微分控制器等，可以根据特定要求设计组合控制器。

4. 控制系统仿真：利用Matlab/Simulink等软件，将前面设计的数学模型和控制器进行仿真。通过输入不同的电压、电流和负载条件，观察系统的响应和稳态性能。根据仿真结果，优化控制器参数，满足设计要求。

5.硬件实现：根据仿真结果和优化的控制器参数，进行硬件实现。选择适当的开关器件、电感和电容等元器件，设计BDC的电路。由于BDC涉及高频开关和高电压等特殊要求，需要注意电路设计的可靠性和安全性。 6.实验验证：将设计的BDC系统进行实验验证。输入不同的电压和负载条件，测试系统的响应和稳态性能。根据实验结果，调整控制器参数和系统参数，进一步优化设计。

综上所述，双向DC-DC变换器的控制方法研究与设计是一个复杂的工程过程。通过建立数学模型、选择适当的控制策略、设计控制器、进行仿真和实验验证，可以实现高效能量转换和稳定输出的目标。在具体的应用中，还需要考虑系统的可靠性、成本和安全性等因素，进行综合优化设计。