双向DC/DC变换器

所需积分/C币:33 2018-10-11 17:43:13 799KB PDF
收藏 收藏 3
举报

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,
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一一ⅠNA270只有-16V不 +80ν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扩缓冲电压输出端。应用电路设计中非常方 便,减少∫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泡储能装置的双向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2436V,电流为12A: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IR2I10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 2.1.1Buck- boost变换电路的分析 般来说,Buck和Bost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M0S管互补的开关信 号,由于导通的ⅦOS管不存在极性,电咯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Ⅵ1、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。 ++ + D2 D2 功卒流向 功率流向 (a)单向 Buck dc/DC变换器 b)单向 Boost dcdc变换器 图2.1单相DCDC变换器原理图 图2.2双向Buck- Boost do/DC变换器 2.1.3电流采样电路的分析 本次选用INA270,IN+与IN之间的电压VRs和输出电压Uo之间的关系是 Uo=K*vRs,经过实验发现K大概在20.5左右。计算电流的公式如下 I=Uo/k/Rs 微控制器通过AD转换可得到Uo的值,固定系数K可以从实验中得到,Uo/k 便得出检测电阻Rs两端的电压。而R在一个已经做好的电路里是固定的,可以 通过实验得出Rs的阻值,用RS两端的电压除以Rs的阻值便可得到流经Rs电流。 因为INA270的输入阻抗很大而RS的阻值很小,Rs和负载便是串联关系,所以流 经Rs电流也就是负载上的电流。因此只要得出Uo的值便可计算出对应的负载电 充I,并且两者成线性关系。令Ks=K*Rs,那么I便等于Uo/Ks,而一个电路Ks是 确定的已知的。所以微控制器只要用AD测出Uo再除以一个Ks便是所测负载的 电流了。 1B:4 apa Htar r"t+1 PREOUT EUFIN d1口F 如 NP273 图2.3INA270典型应用电路 2.2主回路器件的选择及参数计算 经过对Buck电路需求以及对 Boost电路需求的计算,最终主电路采用专用 MOS管驱动器IR2l10和N沟道MS管CSD19536KCS,具有频率高,效率高,控制 简单,承受电压电流较大等特点,是理想的半桥驱动电路 2.2.1IR2110半桥驱动电路参数计算 基于对IR2110全桥电路的分析,IR2110用于驱动半桥的电路如图2.4所示 图中C1、VD1分别为白举电容和二极管,C2为VCC的滤波电容。假定在S1关断 期间C1已充到足够的电压(VC1≈VCC)。当HIN为高电平时WM1开通,WM2关 断,VC加到SI的门极和发射极之间,C通过WM,Rg⊥和S门极栅极电容Cgcl 放电,Cgcl被充电。此时VCl可等效为一个电压源。当HN为低电平时,wM2 开通,ⅦM1断开,S1栅电荷经Rg1、WM2迅速释放,S1关断。经短暂的死区时问 (td)之后,LIN为高电平,S2开通,VC经VDl,S2给C1充电,迅速为C1补 充能量。如此循环反复。 V≌ S 图2.4半桥驱动电路 自举二极管(Ⅶ1)和电容(C1)是IR2110在PWM应用时需要严格挑选和设 计的元器件,应根据一定的规则进行计算分析。在电路实验时进行一些调整,使 电路工作在最佳状态。经理论及实验分析后,我们采用0.1uF的CBB电容和快速 恢复二极管FR107。 2.2.2双向DC/DC电路参数计算 (1)输入输出电睿的选择 出于本电路输入输出端对偶,因此需要在输入输岀端均接入滤波电容,电容 需要滤掉主要的开关纹波,选择电容C足够大,这里选用4700u铝电解电容, 为减小电容的ESR,在U、U2端滤波电容并联ESR小的高频电解电容。 (2)升降压电感的选择 由于双向DC/DC电路釆用无极性 osle导通,并用 mos let代替传统的续沇 二极管,电感不存在断续模式,因此电感按以下公式计算 ,取为220uH 2.2.3INA270电流采样电路参数计算 对于INA270,当选取的RS能提供电压范围为50mV100mV时就获得了最好 的性能。因此选取50m欧的采样电阻。供电旁路电容是为了让电源纹波更小,采 用最小的旁路电容0.01F和0.1F放置在靠近输出引脚处 2.2.4系统效率计算 在输入电压为30V时,BUCK输入电流为2A的测试条件下,假设此时最小的 输出充电电压为18V,则输出功率为36W,若要使效率达到90%以上,那么允许 损耗的功率为4W。 (1)开关管的损耗 开关管的功率损耗(包括开关损耗与导通损耗)直接与开关频率有关,本设 计选用的 mosfet内阻为2.3m欧,经估算其损耗为2*0.2W=0.4W (2)电感储能损耗:储能电感损耗公式,其功率约为1.5W。 (3)其他损耗:估算为⊥W。 绎过计算可得到系统的功率损耗约为2.9W,即使在最糟糕的情况下,效率也能满 足要求。 3电路与程序设计 3.1电路的设计 3.1.1系统总体框图 系统总体框图如图所示,直流稳压源经过负载电阻与双向 变换 器连接后,再与电池组连接:同时对负载电路、电池组电路进行电流电压检测, 检测信号送入 单片机对其进行分析处理,产生 波控制双向 变换器的状态,外接液晶屏显示电流和键盘进行控制,从而实现对电 池组充放电以及保护的功能。整个模块由直流稳压电源经辅助电源供电。 直流稳压电源 负载电阻 Buck-Boost 双向DCDC变换器 电组 电压采样 PWM控制 电压电流采样 辅助电源 MSP430F6638 单片机 4×4键盘 12864显示屏 图3.1系统总体框图 3.1.2主电路原理图 主电路由 基本电路组成,其原理图如下 L 1 VIN VS VOUT C2 C4 VOUT 4700uF220uF 4700F220uF GND 图3.2主电路原理图 3.1.3控制电路原理图 主电路主要由IR2110进行控制,其电路原理图如下: 4 Hot 9 C6+ PWMHO 10 VDD VB 5 VS HIN shutdown 11 0.1uF 10uF PWMLO 12 SD NC LIN VCC D 13 DGND VS COM LO LO FR107 47uF IR2110 GND GND DGND 图3.3控制电路原理图 3.1.4辅助电源 电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V和12V电 压,确保电路的正常稳定工作。本设计采用芯片LM2596实现。 LM2590 YYY YYY VOUT 12 OUT 12 Cinl Cout Header 3x2 47F VOIT 1? LM359 yoUT .7iF OUT 5 22 图3.亻辅助电源电路原理图 3.2程序的设计 3.2.1程序功能描述与设计思路 l、程序功能描述 根掂题日要求软件部分主要实现电路的控制和显示功能 1)键盘实现功能:控制电路关断和电流步进值。 2)显示部分:显示电流值。 3.2.2程序流程图 开始 数据、端口初始化 匚廾中断 键盘扫擂>键盘描并响应 标忐位 刷新 标志 LCD显示数据刷新 否 缓冲足「数字滤波,转换实 电压电流值 依据工作模式,P调 节PWM实现衡流充电 及稳压:过冲休护 图3.5程序流程图 四发挥功能 本设计还具有S0C测量显示功能,其全称是 State of charge,即荷电状态, 代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的 容量的比值,本设计通过简单拟合充电电流电压关系、BP神经网络控制,对电 池S0C进行了测量,并在屏幕上显示。 五、测试工作环境条件 、测试方案 ()电流变化率的测试方法:设 时,充电电流值为: 时,充电电流值为 时,充电电流值为,则=_ () 变换器效率:n=一x 2、测试仪器 (1)示波器 (2)万用表 (3)可调稳压电源 六、作品成效总结分析 1、可控恒流充电测试 充电电流 「电流控制精度 设定值(A)实际值(A)显示值(A) 1.0 0.999 0.1% 1.1 1.099 1.098 0.09% 1.299 1.298 0.08% 1.499 1.198 0.07% 1.8 1.798 1.797 0.11% 20 1.998 1.999 0.1% 2、充电电流变化率测试 U2(V) (%) 36 1.999 30 0.05% 24 99 3、充电效率测试 U1(V) I1(A) U2 T2(A) 23.3 29 m 94.8% 过充保护测试 I1(A) 阅值电压(V) 2 23.9 5、放电效率测试 U2(V) 17.13 1.71 29.92 0.95 97.0% 6、稳压输出测试 U2 (V 32 35 30.0l 38 30.09 七、参考资料 「1]康华光.电子技术基础(模拟部分).北京:高等教育出版社,2006 [2]黄根春,周立青,张望先.全国大学生电子设计竞赛教程一一基于TI器件设 计方法,北京:电了工业出版社,2011 [3]全国大学生电子设计竞赛组委会.2011年全国大学生电子设计竞赛获奖作品 选编.北京:北京理工大学出版社,2012 4]李龙文,张宝华.开关电源设讣与最新控制IC应用.北京:中国电力出版社, 2013 [5]胡仁杰,堵国樑.2013全国大学生电子设计竞赛优秀作品设计报告选编.南京: 东南大学出版社,2014

...展开详情
试读 23P 双向DC/DC变换器
立即下载 低至0.43元/次 身份认证VIP会员低至7折
    抢沙发
    一个资源只可评论一次,评论内容不能少于5个字
    • 分享达人

      成功上传6个资源即可获取
    关注 私信 TA的资源
    上传资源赚积分,得勋章
    最新推荐
    双向DC/DC变换器 33积分/C币 立即下载
    1/23
    双向DC/DC变换器第1页
    双向DC/DC变换器第2页
    双向DC/DC变换器第3页
    双向DC/DC变换器第4页
    双向DC/DC变换器第5页
    双向DC/DC变换器第6页
    双向DC/DC变换器第7页

    试读已结束,剩余16页未读...

    33积分/C币 立即下载 >