陸　婷, 杜月林, 楊　飛, 張方南 , 史麗峰

(1. 南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 南京　210046；2. 南京郵電大學(xué) 通達(dá)學(xué)院, 江蘇 南京　210046)

?

大功率雙向DC-DC電源變換器實驗裝置設(shè)計

陸婷1, 杜月林1, 楊飛2, 張方南2, 史麗峰2

(1. 南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 南京210046；2. 南京郵電大學(xué) 通達(dá)學(xué)院, 江蘇 南京210046)

設(shè)計的大功率雙向DC-DC電源變換器采用TPS54340和TPS40210作為BUCK和BOOST模塊電路的主芯片,利用STM32F429單片機進行充電和放電模式的切換控制,實現(xiàn)電池的充放電功能。其工作模式可由按鍵設(shè)定,亦可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的電流和電壓值進行自動轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)分為BUCK恒流充電模塊、BOOST穩(wěn)壓放電模塊、電流電壓檢測模塊、信號處理等。該裝置具有電池恒流充電和恒壓放電功能,且具有過流及過壓保護,其電流值大小可以任意設(shè)置,具有安全、節(jié)能、轉(zhuǎn)換效率高、人機界面友好等特點。

DC-DC變換器； BUCK； BOOST； STM32F429

直流穩(wěn)壓電源中開關(guān)電源運用最為廣泛,其中DC-DC變換器是開關(guān)電源的核心部分。利用兩個單向結(jié)構(gòu)實現(xiàn)能量雙向傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)DC-DC變換器的使用功率器件較多、體積較大,需要改變和升級。

雙向DC-DC變換器[1-5]是指在保持輸入輸出兩端電壓極性不變的情況下,能夠根據(jù)需求自由調(diào)節(jié)能量傳輸方向。目前主要應(yīng)用在電動汽車與車載電源系統(tǒng)、UPS電源系統(tǒng)、新能源和分布式發(fā)電系統(tǒng)等場合。

1　整體方案設(shè)計

本文設(shè)計的大功率雙向 DC-DC 變換器用于電池儲能,實現(xiàn)電池的自動充放電功能，工作模式可由按鍵設(shè)定,亦可自動轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。本實驗系統(tǒng)分為BUCK恒流充電模塊、BOOST穩(wěn)壓放電模塊、MCU自動轉(zhuǎn)化模塊、過流過壓檢測模塊、輔助電源模塊等部分。雙向DC-DC變換器主要原理框圖見圖2。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2　雙向DC-DC變換器原理框圖

采用TPS54340和TPS40210作為BUCK和BOOST模塊電路的主芯片,利用STM32F429單片機進行充放電的切換控制,實現(xiàn)雙向DC-DC變換器。20 mΩ的特制康銅絲作為檢流電阻,INA282作為電流監(jiān)測,將康銅絲的分壓放大50倍,采用0.1%的24 kΩ和1 kΩ電阻組成分壓網(wǎng)絡(luò),并用OPA350作為電壓跟隨器經(jīng)AD采集,實現(xiàn)電流檢測要求。

由于TPS54340芯片反饋信號為模擬電壓信號,系統(tǒng)需要根據(jù)充電的實時電流修改相關(guān)的充電電壓來保持恒流模式。反饋控制電路采用8位數(shù)字電位器MCP41010和10位數(shù)字電位器MAX5483構(gòu)成反饋電壓器,通過改變數(shù)字電位器的阻值從而改變反饋端的分壓而改變輸出電壓。AD轉(zhuǎn)換電路采用ADS1118作為AD轉(zhuǎn)換電路,該轉(zhuǎn)換電路電流控制精度高、步進小,經(jīng)過測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集較準(zhǔn),滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

2　單元電路設(shè)計

2.1BUCK恒流電路

BUCK恒流電路由TPS54340作為核心芯片,電路見圖3。通過AD和電流檢測模塊將充電電流反饋給單片機,構(gòu)成單閉環(huán),引入PID控制算法,并針對干擾,通過調(diào)節(jié)數(shù)字電位器,使充電電流恒定。

圖3　BUCK恒流電路

2.2BOOST穩(wěn)壓電路

BOOST穩(wěn)壓電路見圖4,TPS40210為核心芯片,通過對輸出電壓進行分壓和對輸出電流采用雙閉環(huán)并反饋給TPS40210,使得電壓恒定。

圖4　BOOST穩(wěn)壓電路

2.3雙向DC-DC自動切換電路

雙向DC-DC自動切換電路見圖5,該電路可以通過MCU手動進行模式切換。

2.4電流檢測電路

電流檢測電路見圖6,由INA282和OPA350組成,通過檢流電阻取電壓送給電流檢測器INA282,之后送給OPA350電壓跟隨器,再送給AD采集。本設(shè)計中采用20 mΩ的康銅絲作為檢流電阻,可以檢測0～4 A的電流。

圖5　雙向DC-DC自動切換電路

圖6　電流檢測電路

2.5電壓檢測電路

電壓檢測電路見圖7,由OPA350主芯片組成,通過1 kHz和24 kHz電阻網(wǎng)絡(luò)分壓,將分壓信號送給由OPA350構(gòu)成的電壓跟隨器,最后送給AD采集。電壓采集范圍為0～50 V。

圖7　電壓檢測電路

2.6AD轉(zhuǎn)換電路

采用TI公司的16位AD轉(zhuǎn)換器——ADS1118構(gòu)成AD采集電路，AD電路見圖8。

圖8　AD電路

3　系統(tǒng)理論分析與計算

3.1BUCK電路相關(guān)計算

由于本系統(tǒng)對質(zhì)量和轉(zhuǎn)換效率要求較高,所以應(yīng)適當(dāng)提高開關(guān)頻率,減小電感體積和重量。

(2) 軟啟動時間tss為

(3) 電感量[9-11]為

(4) 紋波電流Iripple和峰值電流IL(peak)分別為

(5) 濾波電容COUT為

3.2BOOST電路相關(guān)計算

(1) 占空比D為

(2) 紋波電流Iripple為

(3) 電感峰值電流ILpeak為

(4) 電感量Lmin為

(5) 濾波電容COUT為

3.3電池特性

(1) 電壓:單節(jié)電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓為3.6～3.7 V,充滿4.2 V；5節(jié)電池串聯(lián)電壓范圍為18～21 V，所以恒流充電電壓在17.5～25 V之間可調(diào)即可。

(2) 內(nèi)阻:每顆電池內(nèi)阻60 mΩ以下，5節(jié)電池串聯(lián)內(nèi)阻大約300 mΩ。

(3) 內(nèi)阻曲線:內(nèi)阻測試曲線見圖9。

圖9　內(nèi)阻測試曲線

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計

本實驗系統(tǒng)采用STM32F429作為主控芯片,對硬件電路的相關(guān)參數(shù)進行測量,接收A/D送入的數(shù)據(jù)進行處理并實現(xiàn)電源的過流、過壓保護,通過SPI控制作為反饋電阻的數(shù)字電位器,從而精準(zhǔn)地實現(xiàn)恒定電流進行充電[12-13]。其軟件流程圖見圖10。

圖10　軟件流程圖

5　實驗測試

將電流表1和電流表2,電壓表1和電壓表2 按圖11連接,分模式進行以下測試:

(1) 接通S1、S3,斷開 S2,將裝置設(shè)定為充電模式。保持 U2=30 V,實現(xiàn)對電池恒流充電。充電電流I1在 1～2 A范圍內(nèi)步進可調(diào),步進值為50 mA,根據(jù)下式計算電流控制精度eic:

式中I1為實際電流、I10為設(shè)定值。測試數(shù)據(jù)見表1，由表1可知電流控制精度不低于1%。

表1　電流步進及充電電流控制精度測試

(2) 設(shè)定 I1=2 A,調(diào)整直流穩(wěn)壓電源輸出電壓,使 U2在 24～36 V 范圍內(nèi)變化時充電電流記為 I1的變化率不大于 1%。實驗中通過單片機設(shè)定充電電流為2 A,設(shè)U2=36 V 時,充電電流值記為I11；U2=30 V 時,充電電流值為I1；U2=24 V時,充電電流值為I12,則充電電流變化率Si1為

測試數(shù)據(jù)見表2。

表2　充電電流變化率

圖11　系統(tǒng)測試連接圖

(3) 實驗裝置過充保護功能:設(shè)定I1=2 A,當(dāng)U1超過閾值U1th=24 V±0.5 V時,停止充電。實驗中通過控制滑動變阻器的阻值改變U1的電壓,檢測電壓U1,當(dāng)U1超過閾值后，電路自動由充電模式切換成放電模式。測試表明可以實現(xiàn)過充保護。

6　結(jié)論

經(jīng)過實驗測試,該裝置具有電池恒流充電和恒壓放電功能,且具有過流及過壓保護,其電流值大小可以任意設(shè)置,該DC-DC電源轉(zhuǎn)換器具有安全、節(jié)能、轉(zhuǎn)換效率高、人機界面友好等特點。

References)

[1] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].4版.北京:高等教育出版社,2006.

[2] Sanjaya Maniktala.精通開關(guān)電源設(shè)計[M].王健強,譯.2版.北京:人民郵電出版社,2015.

[3] 長谷川彰.開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計與應(yīng)用[M].何希才,譯.北京:科學(xué)出版社,2006.

[4] 王兆安,劉進軍.電力電子技術(shù)[M].5版.北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[5] Abraham I Pressman.開關(guān)電源設(shè)計[M].王志強,譯.2版.北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[6] 趙成勇,李路遙,翟曉萌,等. 新型模塊化高壓大功率DC-DC變換器[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2014(4):72-78.

[7] 陳章勇,許建平,吳建雪,等. 耦合電感零輸入紋波高增益非隔離DC-DC變換器[J]. 中國電機工程學(xué)報,2014,34(33):5836-5845.

[8] 高明遠(yuǎn). 雙向DC-DC變換器基于切換系統(tǒng)的建模與儲能控制[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制,2012(3):129-134.

[9] 趙彪,于慶廣,孫偉欣. 雙重移相控制的雙向全橋DC-DC變換器及其功率回流特性分析[J]. 中國電機工程學(xué)報,2012(12):43-50.

[10] 武琳,劉志剛,洪祥.隔離式雙向全橋DC-DC變換器的功率控制特性比較與分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報,2013(11):179-187.

[11] 張相軍,劉冠男,王懿杰,等. 軟開關(guān)雙向DC-DC變換器控制模型[J]. 電機與控制學(xué)報,2013(11):89-96.

[12] 孫晉坤,劉慶豐,冷朝霞,等. 基于效率模型的DC-DC變換器并聯(lián)系統(tǒng)電流分配策略[J]. 中國電機工程學(xué)報,2013(5):10-18.

[13] 龍佼佼,吳景林,劉小寧,等. 有源電力濾波器中雙向快速充放電DC-DC變換器設(shè)計及仿真[J]. 高電壓技術(shù),2013(7):1792-1797.

Design of experimental device of high power bidirectional DC-DC power converter

Lu Ting1， Du Yuelin1， Yangfei2， Zhang Fangnan2， Shi Lifeng2

(1. College of Electronics Science and Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210046， China; 2. Tongda College， Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210046， China)

The design of high power bidirectional DC-DC converter which takes TPS54340 and TPS40210 as the main chip of Buck and boost circuit module,using STM32F429 MCU charging and discharging mode switching control can realize the function of charging and discharging of the battery. The operation mode can be automatically converted according to the preset current and the voltage value. The system is divided into BUCK constant current charging module,BOOST voltage regulator discharge module,current voltage detection module,signal processing and so on. The device has battery constant current charging and constant voltage discharge function, with overcurrent and overvoltage protection and the current value can be set arbitrarily, which has the advantages of safety,energy conversion characteristics of high efficiency,friendly man-machine interface.

DC-DC converter; BUCK; BOOST; STM32F429

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.026

2016-02-23修改日期：2016-04-06

國家自然科學(xué)基金項目(61271240)；江蘇省高校實驗室研究會實驗室工作研究課題(2015SSG02)；南京郵電大學(xué)實驗室工作研究課題(2015XSG11)

陸婷(1977—)，女，陜西漢中，碩士，實驗師，研究方向為嵌入式系統(tǒng)控制和實驗教學(xué)研究.

E-mail：luting@njupt.edu.cn

TM46

A

1002-4956(2016)9-0100-06