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2015年全國大學(xué)生電子設計競賽
雙向DC-DC變換器（A題）
【本科組】
2015年08月15號
摘 要
雙向DC/DC變換器（Bi-directional DC-DC Converter，BDC）是一種可在雙象限運行的直流變換器，能夠實(shí)現能量的雙向傳輸。隨著(zhù)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的不斷發(fā)展，雙向DC/DC變換器已經(jīng)大量應用到電動(dòng)汽車(chē)、太陽(yáng)能電池陣、不間斷電源和分布式電站等領(lǐng)域，其作為DC/DC變換器的一種新的形式，勢必會(huì )在開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域上占據越來(lái)越重要的地位。由于在需要使用雙向DC/DC變換器的場(chǎng)合很大程度上減輕系統的體積重量及成本，所以具有重要研究?jì)r(jià)值。既然題目要求是作用于可充電鋰電池的雙向的DC-DC變換器，肯定包括降壓、升壓、電壓可調、恒流、等要求。考慮到題目對效率的要求，我們選擇降壓Buck電路，升壓Boost電路，并用反饋電路和運放電路來(lái)實(shí)現電壓可調和恒流等要求，通過(guò)一系列的測試和實(shí)驗幾大量的計算，基本上能完成題目的大部分要求。 關(guān)鍵詞： 雙向DC/DC變換器；雙向Buck-Boost變換器；效率；恒流穩壓
1系統方案 4
1.1 DC-DC雙向變換器模塊的論證與選擇 4
1.2 測控電路系統的論證與選擇 4
2 系統理論分析與計算 4
2.1 雙向Buck-BOOST主拓電路的分析 4
2.2 電感電流連續工作原理和基本關(guān)系 5 2.3 控制方法與參數計算 6
3 電路與程序設計 7
3.1 電路的設計 7
3.1.1 系統總體框圖 7
3.1.2 給電池組充電Buck電路模塊 7
3.1.3 電池放電Boost升壓模塊 8
3.1.4 測控模塊電路原理圖 8
3.1.5 電源 9
3.2 程序設計 9
4 測試方案與測試結果 15
4.1 測試方案 15
4.2 測試條件與儀器 15
4.3 測試結果及分析 15
4.3.1 測試結果(數據) 15
4.3.2 測試分析與結論 16
1系統方案
本系統主要由DC-DC雙向變換器模塊、測控電路模塊及輔助電源模塊構成，分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。
1.1 DC-DC雙向變換器模塊的論證與選擇
方案一：采用大功率的線(xiàn)性穩壓芯片搭建穩壓電路，使充電壓恒定，在輸入電壓高于充電合適電壓時(shí)，實(shí)現對輸入電壓的降壓，為電池組充電。該電路外圍簡(jiǎn)單，穩壓充電不需要軟件控制，簡(jiǎn)單方便，但轉換效率低。同時(shí)采用采用基于NE555的普通升壓電路，這種電路設計簡(jiǎn)單，成本低，但轉換效率較低、電池電壓利用率低、輸出功率小 ，更不能不易與基于大功穩壓芯片所構成的穩壓電路結合構成DC-DC雙向變換器。 方案二：采用Buck-Boost電路，選擇合適的開(kāi)關(guān)管、續流二極管，電能的轉化效率高，且電路簡(jiǎn)單，功耗小，穩壓范圍寬，能很好的實(shí)現輸入降壓，輸出升壓。但輸入、輸出電流皆有脈動(dòng)，使得對輸入電源有電磁 干擾且輸出紋波較大。所以實(shí)際應用時(shí)常加有輸入， 輸出濾波器。
方案一簡(jiǎn)單輕便但會(huì )影響電源的效率，而方案二中的Buck電路能很好保對證電源的降壓要就對電池組充電，并且使電池組的充電率滿(mǎn)足題目要求，所以采用方案二。
1.2 測控電路系統的論證與選擇
方案一：采用基于51單片機的數控電路，測控精度高，但不能連續可調，制作過(guò)程復雜，工作量大，并且造價(jià)高，維護復雜。
方案二： 基于UC3843的測控電路，電路簡(jiǎn)單，效率高，可靠性高，但隨著(zhù)負載的增大，輸出波形變得不穩。
綜合考慮采用采用方案二。
2 系統理論分析與計算
2.1 雙向Buck-BOOST主拓電路的分析
Buck-Boost變換器是輸出電壓可低于或高于輸入電壓的一種單管直流變換器，其主電路與Buck或 Boost變換器所用的元器件相同，也有開(kāi)關(guān)管 、二極管、電感、和電容構成。如下圖1所示。Buck-Boost變換器也有電感電流連續和斷續兩種工作方式。圖2是電感電流連續時(shí)的主要波形。圖3是Buck-Boost變換器在不同工作狀態(tài)下的等效電路圖。電感電流連續工作室時(shí)，有兩種工作模式，圖(3a)的開(kāi)關(guān)管S1導通時(shí)的工作模式，圖3（b）是開(kāi)關(guān)管S1關(guān)斷、L續流時(shí)的工作模式。
圖1 主電路
圖2電感電流連續工作波形
S1導通 S1斷開(kāi)
圖3 Buck-Boost不同開(kāi)關(guān)模式下等效電路
2.2 電感電流連續工作原理和基本關(guān)系
電感電流連續工作時(shí)，Buck/Boost變換器有開(kāi)關(guān)管S1導通和開(kāi)關(guān)管S1關(guān)斷兩種工作模態(tài)。
在開(kāi)關(guān)模態(tài)1[0~]：
t=0時(shí)，S1導通，電源電壓加載電感上，電感電流線(xiàn)性增長(cháng)，二極管D戒指，負載電流由電容提供：
t=時(shí)，電感電流增加到最大值，S1關(guān)斷。在S1導通期間電感電流增加量
在開(kāi)關(guān)模態(tài)2[ ~ T]:
穩態(tài)工作時(shí)，S1導通期間的增長(cháng)量應等于S1關(guān)斷期間的減小量，或作用在電感上電壓的伏秒面積為零，有：
由(2-8)式，若=0.5，則=；若<0.5，則<；反之，>0.5，>。設變換器沒(méi)有損耗，則輸入電流平均值和輸出電流平均值之比為
開(kāi)關(guān)管S1截止時(shí)，加于集電極和發(fā)射極間電壓為輸入電壓和輸出電壓之和，這也是二極管D截止時(shí)所承受的電壓
由圖1-2可見(jiàn)，電感電流平均值等于S1和D導通期間流過(guò)的電流平均值和之和，即：
開(kāi)關(guān)管S1和二極管D電流的最大值、等于電感電流最大值。
S1導通期間，電容電壓的變化量即輸出電壓脈動(dòng)?由S1導通期間放電量=計算，因=，故：
2.3 控制方法與參數計算
1.Boost電路控制方法：負反饋。
2.Buck電路控制方法：正反饋+負反饋。
3.振蕩頻率計算公式：
4.反饋深度：TL431是一種并聯(lián)穩壓集成電路。三端可調分流基準源、可編程輸出電壓:2.5V~36V、電壓參考誤差：±0.4% ，典型值@25℃（TL431B）、低動(dòng)態(tài)輸出阻抗:0.22Ω(典型值)、溫度補償操作全額定工作溫度范圍、負載電流1.0毫安--100毫安。全溫度范圍內溫度特性平坦，典型值為50 ppm/℃，最大輸入電壓為37V、最大工作電流150mA、內基準電壓為2.495V(25°C)。
5.放大器選用基于Lm358的放大電路，放大倍數的計算公式：
6.軟件算法：15f2k60s2單片機是高速/低功耗的單片機，12時(shí)鐘/機器周期和6時(shí)鐘/機器周期可任意選擇，內部集成MAX810專(zhuān)用復位電路，時(shí)鐘頻率在12MHz以下時(shí)，復位腳可直接接地。工作電壓：5.5V - 3.8V（5V 單片機）/3.8V - 2.4V（3V 單片機）、工作頻率范圍：0-40MHz，相當于普通8051的 0～80MHz、用戶(hù)應用程序空間4K/6K/7K/8K/10K/12K/
13K/16。
K/32K/40K/48K/56K/ 61K/字節、片上集成 1280字節/512/256字節 RAM、工作溫度范圍：0-75℃/-40-+85℃。