2015全国电子设计竞赛DC-DC变换器

2015年全国大学生电子设计竞赛双向DC-DC变换器（A题）[本科组]参赛学校：淮阴工学院参赛编号：HA011队员姓名：刘新邵慧洁甄将军指导老师：陈万刘保连2015年8月15日摘要随着科技和生产的发展，双向DC-DC变换器在诸如电动车动力系统，直流不停电电源等场合的应用越来越多。双向DC-DC变换器应用于能量双向流动的场合可以大幅度减轻系统的体积重量和成本。根据电池组充放电要求以及变换器的输入输出参数，在硬件电路设计中，采用了基于同步整流buck变换器的双向DC-DC电路结构，设计了基于STC89C52单片机的控制器，该控制器采样了双向DC-DC变换器的输出电压和充电电流，并通过软件计算得出功率器件的开关信号和充电电流指令，以达到精确控制充电电流的目的。测试结果表明，本设计主要实现双向DC-DC变换器对电池组的充放电功能，达到了双向DC-DC变换器（本科组）基本部分和发挥部分的要求。关键词：双向DC/DC变换，buck-boost电路，充放电模式11系统方案1.1DC／DC变换模块的论证和选择方案一：非隔离级联型DC-DC型拓扑结构变换器：它的不足之处是它开关器件和二极管数目都比通常的双向DC-DC变换器增加了一倍，而且由于每一时间段里主电流都要流经两个半导体器件，通态损耗也高一些。图1-1非隔离级联型DC-DC电路原理图方案二：非隔离双向buck-Boost型拓扑结构变换器：它是将buck变换器和boost变换器结合到同一电路上。这种双向buck-boost电路可以较好的实现能量的双向流动，结构简单，所用器件少而且便于控制，易于实现，且效率比双向全桥DC-DC电路大大提高。图1-2非隔离双向buck-boost型电路原理图通过以上综合分析比较，buck-Boost型拓扑结构变换器是DC／DC变换器的理想选择。1.2单片机控制方案的论证和选择方案一：采用80C51类单片机控制方案编译器能自动完成变量的存储单元的分配，编程者可以方便地进行信号处理算法和程序的移植。然而，运行速度很慢且所有的I/0口都是准双向口，I/0口的驱动能力弱。芯片里面的P0口没有上拉电阻，如果要输出高电平或者要定义成输入口，一般要外接电阻上拉，功耗比较高，抗干扰能力也不是很强。方案二：采用89C52类单片机控制方案STC89C52RC是的软件及硬件与51系列完全兼容且降低了制造成本并采用高密度非易失存储器制造技术制造。模块比较全且学习简单，其程序的电可擦写特性，使得开发与试验比较容易，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。还有超低功耗、超强抗干扰等优点。比较两种方案，发现方案二，设计步骤减少了好几步，相对来说简单易行，而且实验结果证明该方案完全达到题目的要求。综上所述，选用方案二。2oUdtdiLHiTDULLso7003.0107.0211max2系统理论分析与计算2.1电路设计的分析充电模式状态下，由于输入电压30--38V，而输出电压最高21V，因此DC-DC主回路采用非隔离的buck降压电路；反之，当放电模式状态下，输入电压最高21V,输出电压30V,则此时电路为boost升压电路。通过采样电阻进行采集电流比较送至单片机进行充电电流测量显示在数码管上。2.1.1主电路的分析图2-1双向buck-boost电路原理图通过合理设计电感L的大小，使变换器工作在电感电流有正负工作模式。在这种工作模式下，电感电流的峰峰值ppi总是大于2倍的平均值。在电感电流有正负工作模式下，宜采用多通道交错并联技术。因此，要求死区时间dt小于3t~5t与0t~2t。若取dt=)](),min[(213502tttt则有dt=]）-UU)-IiL(，U)IiL([baLppbLpp（22min21212.1.2主回路主要器件参数选择及计算（1)Buck充电电路1）电感L：负载电流10-15%时，电感电流的脉动量oLIi%3020，实际选取AiL6.023.0。系统开关频率kHzfs100，则STs10。553.07.0383021ioioUUDDUU由公式得32）二极管VD：选择肖特基二极管性能AiIDILoDrms34.1126.02447.01212222电流定额为：AIIDrmsAVF7.157.1/2电压定额：VUUiD763822max由以上计算可以选取100V/3A的肖特基二极管。3）场效应管MOSFET：流过MOSFET的电流峰值：AiIILoD3.22maxmax电压定额：VUV76382max因此可以选取100V/5A的MOSFET。(2)boost放电电路1）电感L：实际选取AiL3.013.0。系统开关频率kHzfs100，则STs10。同上。2）二极管：流过二极管电流的有效值：AiIDILoDrms84.0123.017.01212222电流定额为：AIIDrmsAVF07.157.1/2电压定额：VUUiD422122max由以上计算可以选取100V/3A的肖特基二极管。3）MOSFET场效应管：流过MOSFET的电流峰值：AiIILoD15.12maxmax电压定额：VUV42212max因此可以选取100V/5A的MOSFET。2.2控制方法在本次设计中，为了减小电流的波动量，采用了电流单闭环调节系统，其电流环控制规律为比例积分（PI）调节规律，这种控制可以大大减小大电流对电路的伤害。42.3提高效率的方法方法一：采用低功耗的MOSFET与肖特基二极管并联同步整流器，大大简化了控制,提高了可靠性，同时低功耗的器件大大提高了电路的转换效率。方法二：采用双向buck/boost变换器，不仅可以有效地降低电流的脉动量，还可以降低二极管反向恢复损耗及引起的开关管附加开通损耗。3电路与程序设计3.1电路的设计如图3-1所示，，经过充放电控制开关来切换状态使双向DC-DC主电路向电池组充放电；同时在主电路中数据采样，送入89C52单片机对其进行分析处理，反馈回DC-DC控制电路来调整主电路状态，并且单片机外接辅助电源和数码管显示充电电流，在经过DC/DC电路升压后再滤波得到比较平滑的直流输出电压。图3-1系统总体框图3.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现调节和显示功能。调节部分：调节充电电流；显示部分：显示充电电流。2、程序设计思路系统软件控制充电电流继而影响参考电压，提高电路工作效率。上电后，系统进行初始化，然后调用取样子程序，检测当前电压电流的相位差，根据按键调节显示电流。控制电路模块辅助电源充放电控制开关直流稳压电源数据采集模块89C52单片机数码管显示模块电池组主电路模块53.2.2程序流程图图3-2系统主程序流程图图3-3D/A转换子程序流程图图3-4AD转换子程序流程图64测试方案与测试结果4.1测试方案（1）电流控制精度的测试：%100e10101icIII,其中1I为实际电流,10I为设定值。（2）电流变化率的测试：设2U=36V时，充电电流值为11I;2U=30V时,充电电流值为1I；2U=24V时，充电电流值为12I，则%100112111IIISI。(3)DC-DC变换器效率测试：%100211PP、%100122PP，其中111IUP,222IUP。4.2测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：GOS-630FCMO模拟示波器，8903F数字电参数测量仪（500V40A），安捷伦五位半数字万用表，滑线变阻器。4.3测试结果及分析4.3.1测试结果（1）当输入直流电压为30V，实现对电流恒流充电。充电电流在1~2A范围内步进可调，步进值不大于0.1A，电流控制精度不低于5%。测量结果如表4.1所示。表4.1测量充电电流序号数值（A）第一组第二组第三组设定值1.101.502.0实际值1.101.512.01电流表测量值1.091.5072.009实际值=（1.00+1.20+1.40+1.59+1.81+2.01）/6=1.501A电流表测量值=（1.004+1.204+1.403+1.603+1.811+2.010）/6=1.505A设定值=（1.0+1.20+1.40+1.60+1.80+2.00）/9=1.5A控制精度=（1.501-1.5）/1.5×100%=0.067%(2)已知I1=2A,调整直流稳压电源输出电压，使U2在24~36V范围内变化时，要求充电电流I1的变化率不大于1%。表4.2负载调整率电压值（V）设定值（A）实际值电流表测量值242.02.012.012272.02.012.001302.02.012.0097效率%90%55.92%100479.130009.244.2012211IUIUP测量精度%266.0%100505.1505.1-501.1-eic表测值表测值实际值4.3.2测试结果分析根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：1、该电池的充放电功能能够保持较高的稳定性；2、双向变换器的应用不仅提高其效率及功率密度，且用于电池充电的负载条件下可有效拓宽高效率工作区间，提高充放电的整体效率；3、该系统具有良好的电池控制精度；综上所述，本设计达到设计要求。4.4本文总结我们研究的双向DC-DC变换对蓄电池的充放电，针对变换器充电模式和放电模式电路加以分析，最终采用非隔离型双向buck-boost变换器的小信号模型来实现，在双向传递过程中，通过52单片机实现对电流严格的控制，在精度上达到了较好的效果；同时，在硬件设计上，主电路和控制电路设计优良，减少了误差及外部环境对电路的影响，巧妙地实现了能量的双向流动。本次设计系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良，稳定，较好的达到了题目要求的各项指标。8附录1：电路原理图图1系统原理图图2单片机系统原理图9附录二：实物图10附录3：测试数据设定值/V实际值/V表测值/V1.001.001.041.051.051.0511.101.101.0991.151.151.1571.201.201.2041.251.251.2521.301.301.3081.351.351.3551.401.401.4031.451.441.4501.501.511.5071.551.551.5541.601.591.6031.651.661.6591.701.701.7071.751.751.7541.801.811.8111.851.851.8591.901.901.9061.961.971.9642.002.012.010电压值/V设定电流值/A实际电流值/A表测电流值/A242.02.012.012272.02.012.001302.02.012.00911附录4：源程序#includereg52.h#includeintrins.h#defineI2C_ID_EEPROM0xa0//定义器件在IIC总线中的地址#definePAGE_NUMBER8//24c0224c048byteapage;24c0424c0816byteapage#defineTure0#defineFalse1voidIIC_Initial(void);voidSDA_High(void);voidSDA_Low(void);voidSCK_High(void);voidSCK_Low(void);bitIIC_GetACK(void);voidIIC_SetACK(void);voidIIC_SetNACK(void);voidIIC_START(void);voidIIC_STOP(