張高建 馬自良 方達(dayin)

1、2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽雙向 DC-DC 變換器（A題）【本科組】 2015年8月15日摘 要 本系統(tǒng)以DSP28335為主要控制核心，系統(tǒng)主要由單橋臂組成雙向 DC/DC 變換器完成系統(tǒng)功能的要求。本系統(tǒng)由單橋臂DC/DC升降壓模塊、信號采集處理模塊、隔離模塊、電源模塊、顯示模塊、電壓電流測量模塊和過沖保護模塊等組成。電池通過Buck電路實現(xiàn)對恒流充電，電池通過Boost電路恒壓放電，根據(jù)直流電壓變化通過雙向 DC/DC 變換器對電池實現(xiàn)充放電模式的自動轉(zhuǎn)換，保證直流電壓穩(wěn)定不變。外加MSP430控制12864顯示屏，由顯示屏顯示測量參數(shù)，按鍵設(shè)定其模式轉(zhuǎn)換。關(guān)鍵詞：雙向 DC/DC

2、 變換器 自動轉(zhuǎn)換 采樣電壓 采樣電流目 錄一、系統(tǒng)方案41.1 DC/DC變換器的論證與選擇41.2控制方式的論證與選擇51.3控制器的論證與選擇51.4檢測方法的論證與選擇5二、電路與程序設(shè)計62.1雙向DC/DC主回路與器件選擇62.2測量控制電路設(shè)計6三、理論分析與計算83.1主回路主要器件選擇與計算83.2控制方法與參數(shù)計算93.3提高效率的方法及實現(xiàn)方案11四、測試方案與測試結(jié)果114.1測試儀器與設(shè)備114.2測試條件114.3測試結(jié)果11五、測試分析與結(jié)論14六、參考文獻15附錄一：源程序16附錄二：電路實物圖片19一、系統(tǒng)方案 本系統(tǒng)主要由雙向 DC/DC 變換器、信號采集處

3、理模塊、隔離模塊、電源模塊、顯示模塊、電壓電流測量模塊、過沖保護模塊等。1.1 DC/DC變換器的論證與選擇 方案一：半橋式DC-DC變換器電路結(jié)構(gòu)拓撲如下圖，該電路結(jié)構(gòu)簡單，在中小功率上得到廣泛應(yīng)用。半橋式電路中，開關(guān)V1和V2交替地導(dǎo)通，當開關(guān)V1導(dǎo)通時，V2關(guān)斷，然后反之。通過PWM波控制V1導(dǎo)通，V2關(guān)斷，此時電路工作于Buck電路模式，是一個典型的Buck電路。反之，控制V2導(dǎo)通，V1關(guān)斷通過續(xù)流二極管VD2的導(dǎo)通，電路工作于Boost升壓模式?？梢娫撾娐芬子趯崿F(xiàn)和控制，因此選用此電路作為該設(shè)計的主電路為最優(yōu)方案。圖1-1 雙向半橋式變換器拓撲結(jié)構(gòu) 方案二：Cuk變換器。它是一種對B

4、uck/Boost改進的單管非隔離直流變換器，在輸入輸出端均有電感，可以顯著減小輸入和輸出電流的紋波。與Buck/Boost變換器一樣它的輸出電壓即可低于也可高于輸入電壓。但是Cuk變換器需要另外增加一個電容和一個電感，并且耦合電容作為一個能量傳遞器件其電容值不能取得太小，這樣整個外圍器件體積大大增加。 圖1-2 Cuk變換器拓撲結(jié)構(gòu) 方案三：Zeta變換器。它是由兩個電感和耦合電容組成的單管非隔離直流變換器，輸出電壓極性和輸入電壓相同。Zeta變換器可看成是Buck/Boost變換器和Buck變換器串聯(lián)而成，合并了開關(guān)管。圖1-3 Zeta變換器拓撲結(jié)構(gòu)1.2控制方式的論證與選擇 方案一：采

5、用數(shù)字控制器DSP產(chǎn)生PWM波控制開關(guān)管來，實現(xiàn)雙向控制。直流PWM控制系統(tǒng)，PWM工作原理 PWM控制系統(tǒng)是利用大功率晶體管的開關(guān)特性，按一個固定的頻率來接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短，通過改變占空比來改變平均電壓的大小。 方案二：采用模擬控制的開關(guān)電源。移相全橋DC/DC電路中廣泛采用TL494、UC3875等專用電源芯片來驅(qū)動開關(guān)管，特定的電源芯片本身不可編程、可控性較差、難以擴展以及不易升級維修，同時電源芯片為模擬控制芯片，具有模擬電路難以克服的由溫漂和老化所引起的誤差，無法保證系統(tǒng)始終具有高精度和可靠性，克服以上缺點。 綜上分析，采取方案一。1.3控

6、制器的論證與選擇 方案一：利用STC89C52單片機產(chǎn)生PWM波。它是8位控制類芯片，單片機更側(cè)重于I/O接口部分的控制功能，對于復(fù)雜和對系統(tǒng)要求較高的算法，其處理能力有限。并且51單片機產(chǎn)生的PWM波沒有DSP穩(wěn)定。 方案二：利用DSP產(chǎn)生PWM波。數(shù)字處理(DSP)技術(shù)逐漸成熟，新一代DSP采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作，即程序、數(shù)據(jù)存儲器彼此獨立，在每一時鐘周期中完成取指、譯碼、讀數(shù)據(jù)以及執(zhí)行指令等多個操作，從而大大減少指令執(zhí)行周期。另外，由于其特有的寄存器結(jié)構(gòu)，功能強大的尋址方式，靈活的指令系統(tǒng)及其強大的浮點運算能力，使得DSP不僅運算能力較單片機有了較大地提高，而且在該處理器上更容易實現(xiàn)高

7、級語言。 正是由于其特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和超強的運算能力，使得以前需要硬件才能實現(xiàn)的功能可移植到DSP中用軟件實現(xiàn)，使數(shù)字信號處理中的一些理論和算法可以實時實現(xiàn)。所以選擇方案二。1.4檢測方法的論證與選擇 方案一：電阻檢測法。電阻檢測法一般用于低電壓小電流場合。利用電流流過電阻時，在電阻兩端會產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，將這個電壓數(shù)值讀出，就可計算出流經(jīng)電阻的電流。也就通常的電流轉(zhuǎn)成電壓來測量電流。優(yōu)勢：成本低、精度較高、體積小。劣勢：溫漂較大，精密電阻的選擇較難，無隔離效果；檢測電阻損耗大。 方案二：交流互感檢測法。當主繞組流過大小不同電流時，副繞組就感應(yīng)出相應(yīng)的高低不同的電壓。將互繞組的電壓數(shù)值讀出，就可計

8、算出流經(jīng)主繞組的電流?；ジ袡z測法，損耗低，但是一般用在高電壓大電流場合，此處不適合用。 方案三：采用霍爾電流傳感器方式。當霍爾傳感器的原邊電流IP流過一根長導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生一磁場，這一磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流成正比，產(chǎn)生的磁場聚集在磁環(huán)內(nèi)，通過磁環(huán)氣隙中霍爾元件進行測量并放大輸出，其輸出電壓VS精確的反映原邊電流IP。這種方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，測量結(jié)果的精度和線性度都較高?？蓽y直流、交流和各種波形的電流。 綜上，經(jīng)過論證我們采用方案三。使用方便，測量準確，可以把小電流放大，送入DSP芯片進行控制。二、電路與程序設(shè)計2.1雙向DC/DC主回路與器件選擇 （1）選擇續(xù)流二極管VD。續(xù)流二

9、極管選用快恢復(fù)二極管，其額定工作電流和反向耐壓必須滿足電路要求，并留一定的余量。 （2）開關(guān)管工作頻率:開關(guān)管的工作頻率大，可以減少電路中電感和電容的值，從而減小電路空間和整體質(zhì)量。但是頻率太大會增大開關(guān)管的功耗，降低電路的轉(zhuǎn)換效率。如果追求效率，把開關(guān)管的工作頻率降低，在音頻范圍內(nèi)會產(chǎn)生噪聲。因此開關(guān)管的選取應(yīng)適當，不能過大和過小，綜合考慮，我們選取開關(guān)管的工作頻率為12.8kH。 （3）二極管的選取：開關(guān)電源對于二極管的開關(guān)速度要求較高，可從快速恢復(fù)二極管和肖特基二極管中加以選擇。與快速恢復(fù)二極管相比，肖特基二極管具有正向壓降很小、恢復(fù)時間更短的優(yōu)點，但反向耐壓較低，多用于低壓場合?？紤]到

10、降低損耗和低壓應(yīng)用的實際，選擇肖特基二極管。2.2測量控制電路設(shè)計（1）功率開關(guān)管電路設(shè)計 采用帶有高速光耦的6N137驅(qū)動電路，這樣可以保護電路，防止外電路 中的高電壓進入DSP芯片，從而損壞板子。6N137信號從腳2和腳3輸入，發(fā)光二極管發(fā)光，經(jīng)片內(nèi)光通道傳到光敏二極管，反向偏置的光敏管光照后導(dǎo)通，經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換后送到與門的一個輸入端，與門的另一個輸入為使能端，當使能端為高時與門輸出高電平，經(jīng)輸出三極管反向后光電隔離器輸出低電平。當輸入信號電流小于觸發(fā)閾值或使能端為低時，輸出高電平，但這個邏輯高是集電極開路的，可針對接收電路加上拉電阻或電壓調(diào)整電路。 （2）采樣電路設(shè)計 此次設(shè)

11、計我們采用了電壓和電流霍爾檢測模塊來檢測電路中的電壓和電流。原理圖如下圖：圖2-1 電壓霍爾原理圖圖2-2 電流霍爾原理圖（3）調(diào)理電路設(shè)計因為主電路是一個雙向DC/DC變換模塊，在我們設(shè)置的電路中把back模式下的電流霍爾取為正向，反過來當電路在boost升壓模式下工作時，流過霍爾電流元件的電流就為負值。按題目要求，boost模式下電路中I1的瞬時值可能達到-2A左右，根據(jù)霍爾電流模塊的計算公式，原邊繞有6圈線圈，所以原邊電流擴大6倍，為-12A，我們所選用的LV-50P的霍爾元件原副邊電流比為50A:50mA，所以副邊電流I0為-12mA,Rm=60歐的兩端電壓為-0.72V。DSP只能識

12、別0-3V的電壓，所以負值電壓直接進入DSP是不允許的。為了解決這個問題我們給電路加了一個濾波且能偏置1.5V電壓的偏置電路，這樣經(jīng)過偏置，進入DSP的電壓就為0.78V，符合要求。電路原理圖如下圖：圖2-3 濾波偏置電路（4）數(shù)字設(shè)定及顯示電路設(shè)計 數(shù)字設(shè)定和顯示電路，我們采用MSP430單片來實現(xiàn)。通過單片機外設(shè)的 鍵盤來實現(xiàn)題目中模式切換和電流值的設(shè)定。設(shè)定的數(shù)值和MSP430程序來控制顯示屏來顯示。（5）輔助電源設(shè)計 電路中我們用到了1.5V、5V、正負15V、和24V的輔助電壓。其中正負15V和24V電壓我們采用了成品的電源模塊，以便電壓穩(wěn)定，利于主電路功能的實現(xiàn)和效率的提高。對于1

13、.5V的偏置電壓我們用LM385設(shè)計了一個產(chǎn)生電路。因為1.5V的偏置電壓用的不多且好產(chǎn)生，對主電路本身沒有太大的影響，所以我們選擇自己設(shè)計一個模塊來產(chǎn)生。具體電路原理圖見下圖; 圖2-4 1.5V電壓產(chǎn)生電路原理圖三、理論分析與計算 3.1主回路主要器件選擇與計算 (1)BUCK電路中電感L的選?。?在BUCK電路中沒有紋波要求，BOOST電路中有紋波，為1.7%。 取IL=2A在實際應(yīng)用中電感選取一般要比理論值大，有資料稱電感選取一般為臨界電感的10倍。影響開關(guān)管的功率損耗，電感上的損耗以及整個系統(tǒng)的體積重量等。 電感L算得為0.177 ，因為實際值一般取十倍1.77 ,焊接時取2。電容C

14、的額選?。?電容C算得0.213 ，實際取0.2。(2)BOOST電路中電感L的選?。?算得電感值為0.183,實際為1.83。電容C的額選?。?電容C算得0.92，實際取1 。3.2控制方法與參數(shù)計算（1）程序功能描述 進入Buck降壓電路后，對電池進行恒流充電，可對電流進行步進可調(diào)，并可以顯示充電電流I1的值，電路具有過沖保護功能。斷開S1，接通S2，可實現(xiàn)Boost升壓電路，通過測量并保持U2的電壓穩(wěn)定，達到恒壓升壓功能。雙向DC/DC Buck/Boost變換器通過調(diào)節(jié)Us電壓實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)換，對電池進行充放電功能。 主程序流程圖：系統(tǒng)初始化開始關(guān)總中斷EPWM 初始化 A/D初始化 SC

15、I初始化 等待通訊指令結(jié)束圖3-1 主程序流程圖 雙向Buck、Boost流程圖： 圖3-2 雙向DC/DC自動轉(zhuǎn)換流程圖 （3）中斷AD程序流程： 圖3-3 中斷AD程序流程3.3提高效率的方法及實現(xiàn)方案 （1）軟開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)方法。軟開關(guān)技術(shù)是一種具有兩個開關(guān)管的同步 Buck/Boost電路。它的兩個開關(guān)互補導(dǎo)通, 中間有一定的死區(qū)防止共態(tài)導(dǎo)通,即同步整流加電感電流反向。在該方案下, 兩個開關(guān)根據(jù)軟開關(guān)條件的不同, 分為強管和弱管。設(shè)計中要根據(jù)弱管的臨界軟開關(guān)條件決定 L 的大小。另外, L 需要設(shè)計得很小,所需的電感體積也可以比較小( 通常可用 I型磁芯)。關(guān)鍵是設(shè)計弱管的軟開關(guān)條件。因

16、為,在能實現(xiàn)軟開關(guān)的前提下,不宜太小,以免造成開關(guān)管上過大的電流有效值,從而使得開關(guān)的導(dǎo)通損耗過大。因為實現(xiàn)了軟開關(guān), 開關(guān)頻率可設(shè)計得比較高。 （2）選擇合適的開關(guān)工作頻率：為降低開關(guān)損耗，應(yīng)盡量降低工作頻率；為避免產(chǎn)生噪聲，工作頻率不應(yīng)在音頻內(nèi)。綜合考慮后，我們把開關(guān)頻率設(shè)定為12.8kHz。 （3）繞制合適的電感。剛開始做的時候采用單線銅絲繞制一個電感值符合要求的電感，但是由于是單股的，電感阻值太大，對系統(tǒng)的效率影響很。之后我們又用六根銅絲并聯(lián)的方式來繞制電感，這樣大大減少了電感的阻值，效率提高了很多。 （4）在低電壓、大電流輸出的情況下，整流二極管的導(dǎo)通壓降較高，輸出端整流管的損耗尤為

17、突出?？旎謴?fù)二極管（FRD）或超快恢復(fù)二極管（SRD）可達1.01.2V，即使采用低壓降的肖特基二極管（SBD），也會產(chǎn)生大約0.6V的壓降，這就導(dǎo)致整流損耗增大，電源效率降低。雙向半橋DC/DC轉(zhuǎn)換電路有兩個開關(guān)管，一個導(dǎo)通一個關(guān)斷利用續(xù)流二極管來實現(xiàn)能量的雙向流動。采用同步整流的方法，用PWM波來控制兩個開關(guān)管，使它們開關(guān)時間剛好互補。讓閉合的開關(guān)管來代替續(xù)流二極管工作，這樣可以減少二極管的功耗，實現(xiàn)電源效率的提高。3.4控制電路及保護電路 利用DSP程序產(chǎn)生高電平信號來控制電路中的繼電器常閉常開觸點切換來實現(xiàn)電路的過壓過流保護。當Buck電路中，鋰電池兩端的電壓超出24±0.5

18、V時，DSP輸出高電平給繼電器，使繼電器停止工作，從而切斷電路，起到保護作用。四、測試方案與測試結(jié)果4.1測試儀器與設(shè)備 測試過程中用到了高精度的數(shù)字萬用表和TPS2024型號的示波器.萬用表來測量電路中的電壓和電流，最終算出轉(zhuǎn)換效率。在調(diào)試階段可以用示波器來觀察所產(chǎn)生的PWM是否符合要求，還可以觀察電路中檢測原件采集的數(shù)值是否正確。如果不正確可以利用軟件調(diào)試，直至結(jié)果滿足題目要求。4.2測試條件仔細檢查硬件電路，保證沒有虛焊漏焊的情況，硬件電路滿足要求后，按題目要求設(shè)置合理的檢測點，方便檢測和測試。4.3測試結(jié)果1、 基本要求 （1）U2=30V條件下，實現(xiàn)對電池恒流充電。充電電流I1在1-

19、2A 范圍內(nèi)步進可調(diào)，步進值不大于0.1A，電流控制精度不低于5%。(I1為實際電流、I10為設(shè)定值)表1U2設(shè)定值I1設(shè)定值（步進間隔為0.1）I1實際值（A）電流精度30V1.00.9623.8%1.11.0534.27%1.21.1633.08%1.31.2632.85%1.41.3791.5%1.51.4761.6%1.61.6010.0625%1.71.7090.529%1.81.8070.389%1.91.902.02.0080.04% （2）設(shè) U2=36V時，充電電流值為I11；U2=30V時，充電電流值為I1；U2=24V時，充電電流值為I12。 表2I1設(shè)定值U2設(shè)定值I1

20、實際值(A)I1變化率2A24V2.0040.15%30V1.9936V2.001 （3）設(shè)定I1=2A，在U2=30V條件下變換器的效率190%。P1= U1I1 P 2= U2 I2。 表3轉(zhuǎn)換前轉(zhuǎn)換后效率U2=30VI2=1.36U1=18.1VI1=1.99h1=P2=40.80WP1=36.01W88.28% (4)測量并顯示充電電流I1，在I1=12A 范圍內(nèi)測量精度不低于2%。表四U2設(shè)定值I1設(shè)定值I1實際值（A）顯示精度30V1.00.9820.8%1.11.0960.3%1.21.1910.75%1.31.2940.46%1.41.4110.78%1.51.5100.67%

21、1.61.6120.75%1.71.7060.35%1.81.7920.44%1.91.9180.95%2.01.9940.3% (5)具有過充保護功能：設(shè)定I1=2A，當U1超過閾值U1th=24±0.5V時，停止充電。表5I1設(shè)定值U1設(shè)定值是否停止充電2A24±0.5V是2.發(fā)揮部分 （1）斷開 S1、接通 S2，將裝置設(shè)定為放電模式，保持 U2=30±0.5V，此時變換器效率95% 。(P1= U1I1，P 2= U2 I2)變換前變換后h2=U1=18.5U2=3091.05%I1=1.87I2=1.05 (2)接通S1、S2，斷開S3，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源

22、輸出電壓，使Us在3238V范圍內(nèi)變化時，雙向DC-DC電路能夠自動轉(zhuǎn)換工作模式并保持U2=30±0.5V。表7U2設(shè)定值U2最大值U2最小值3238V30.4V29.5V （3）在滿足要求的前提下簡化結(jié)構(gòu)、減輕重量，使雙向DC-DC變換器、測控電路與輔助電源三部分的總重量不大于500g。 整個電路總重量超過500g，沒有達到指標。(4) 其他 用MSP430主控最小系統(tǒng)板，通過12864顯示屏顯示，共有5個可切換屏幕，可通過按鍵分別顯示。可以顯示自動切換模式，并且可以選擇和進行相關(guān)的設(shè)置?？梢燥@示Buck、Boost電路中的電流I1、I2、U1、U2等參數(shù)。另外可以通過按鍵啟動和停

23、止DSP的運行，達到控制執(zhí)行和選擇模式轉(zhuǎn)換的目的。五、測試分析與結(jié)論 根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結(jié)論：（1）在U2=30V時，能實現(xiàn)對電池的恒流充電?？煽刂齐娏骶炔坏陀?%，達到指標。（2）當I1=2A時，U2在32-36V變化時，充電電流I1的變化率小于1%。（3）當I1=2A時，U2=30V條件下，變換器效率為86%。（4）I1=1-2A時，可實現(xiàn)測量精度小于2%。（5）電路出現(xiàn)電池過充保護時，會停止電池充電，實現(xiàn)了過充保護功能。（6）保持U2=30±0.5V時，在放電模式下，變換器效率為94.5%。（7）7Us在32-38V范圍內(nèi)，可實現(xiàn)雙向DC/DC自動轉(zhuǎn)換模式，并

24、且保持U2=30±0.5V。 由于時間有限，提高功率的軟開關(guān)技術(shù)我們并沒有采取，其實施方案有一定局限。 六、參考文獻【1】王兆安，劉進軍.電力電子技術(shù)M.北京： 機械工程出版社，2009【2】姚睿,付大豐.DSP控制器原理與技術(shù)M . 北京：人民郵電出版社 ,2010【3】巫付專,沈虹.電能變換與控制M. 北京：電子工業(yè)出版社，2013【4】郭天祥.51單片機C語言教程M. 北京：電子工業(yè)出版社，2009【5】林列著 .一種升降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的研究與設(shè)計J .天津大學(xué)學(xué)位論文，2010【6】陳世杰,顧亦磊.Buck電路的一種軟開關(guān)實現(xiàn)方法J. 電力電子技術(shù).第38卷第1期，200

25、4【7】顧亦磊,陳世杰.Boost電路的一種軟開關(guān)實現(xiàn)方法J. 電力電子技術(shù).第38卷第1期，2004附錄一：源程序（1）BUCK電路子程序：if (flag=1)/Buck 電路EPwm1Regs.CMPA.half.CMPA =m1;EPwm1Regs.CMPB=0;if(k1=256)k1 = 0;sim1=0;for(sy=0;sy<256;sy+) /采樣周期為16sim1=sim1+Voltage1sy; /取平值sim1= sim1/256;sim1=sim1*x; /倍率ek=(Iinput1-sim1);uk=uk1+kp*(ek-ek1)+ki*ek;ek1=ek;i

26、f(uk>5500)uk=5500;/輸出限幅if(uk<500)uk=500;uk1=uk;m1=uk;EPwm1Regs.CMPA.half.CMPA =m1;k1+;（2）BOOST電路子程序：else if(flag=2)/BOOST電路EPwm1Regs.CMPA.half.CMPA =0;EPwm1Regs.CMPB=m2;if(k3=256)k3 = 0;sum2=0;for(sy2=0;sy2<256;sy2+) /采樣周期為16sum2=sum2+Voltage3sy2; /取平值sum2= sum2/256;sum2=sum2*z;ekb=(Uinput2-sum2);ukb=uk1b+kpb*(ekb-ek1b)+kib*ekb;ek1b=ekb;if(ukb>4550)ukb=4550;/輸出限幅if(ukb<500)ukb=500;uk1b=ukb;m2=