双向DC/DC变换器的设计

胡玉畇, 朱 武, 高守玮

(1.上海大学 机电工程与自动化学院, 上海 200072;2.上海电力学院 电子与信息工程学院, 上海 200090)



双向DC/DC变换器的设计

胡玉畇1,2, 朱 武2, 高守玮1

(1.上海大学 机电工程与自动化学院, 上海 200072;2.上海电力学院 电子与信息工程学院, 上海 200090)

设计了一种可以完成能量双向流动的双向DC/DC变换器,通过D/A芯片控制开关电源芯片反馈端电阻的参考基准,实现开关电源输出电压线性可调,将该方法结合单片机程控,完成了双向DC/DC变换器的测试.实验结果证明,该方法可以实现能量双向流动,并且具有控制精度高、效率高的特点.

双向DC/DC变换器; 开关电源; 反馈基准

近年来,开关电源发展迅速,所谓开关电源就是利用电力电子技术,控制功率开关管导通和关断时间的比例,使得输出电压或者电流稳定的一种电源.与线性电源相比,开关具有体积小,效率高的特点.随着开关电源开关频率的提高,效率也越来越高,一般效率超过90%,纹波也越来越接近线性电源,有取代线性电源的趋势.

双向DC/DC变换器是指输入、输出电流的方向可以改变的开关电源,能实现能量的双向传输,在需要双向能量流动的应用场合可以大幅度减轻系统的体积重量及成本,在电动汽车、太阳能发电储能系统、电能质量调节、不间断电源(UPS)系统以及电网储能系统等领域具有广阔的应用前景,具有重要研究价值[1-2].

现有双向DC/DC变换器大多采用数字信号处理(DSP)器件进行电压/电流闭环控制,实时检测开关电源输出电压/电流,并由DSP器件通过PID控制调节功率管的占空比,使输出电压/电流稳定.该方法虽然可以达到对输出电压/电流的程控,但设计复杂,PID控制参数整定繁琐,且开关频率相对较低,导致电感体积较大,所以一般双向DC/DC变换器体积较大.

因此,本文提出使用D/A芯片控制开关电源芯片反馈端电阻的参考基准,实现开关电源输出电压线性可调.使用该方法时结合单片机程控,完成了双向DC/DC的设计.

1 工作原理

1.1 双向DC/DC原理

双向DC/DC变换器是指在保持变换器两端的直流电压极性不变的前提下,根据需要改变电流的方向,从而实现能量的双向流动[1].本文中将两台单向DC/DC变换器反向并联,对外部电压和蓄电池电压进行实时采样,根据外部电压和蓄电池电压的情况,自动使能Boost电路或者Buck电路[3].当外部电压较大时,说明外部能量过剩,需要将能量转移到锂电池内部,对锂电池恒流充电,并且不断改变充电电流的设定值,使得外部电压恒定,能够恰好吸收过剩能量而不影响其他电路的正常工作.当外部电压较小时,说明当前外部能量不够使用,使能Boost电路,将电池能量输出,以弥补能量不足,使得外部电压恒定[4-5].双向DC/DC变换器的拓扑结构如图1所示.

图1 双向DC/DC变换器的拓扑结构

1.2 程控恒压源的原理

典型的集成开关电源芯片大多使用外置电压反馈,在输出电压和大地之间使用两个电阻分压并反馈到集成开关电源芯片内部的误差放大器,并自动调节功率开关管导通和关断时间的比例,使得反馈电压与内部参考电压一致,从而实现输出电压的稳定.

TPS54340典型的集成式开关电源如图2所示,其输出电压UOUT由反馈电阻的比例确定,其公式如下:

(1)

式中:R1,R2——反馈电阻;UFB——开关电源反馈电压.

图2 TPS54340典型运用电路

本文使用D/A芯片控制开关电源芯片反馈端电阻的参考电位,以实现开关电源输出电压线性可调.改进后的TPS54340运用如图3所示,使用D/A芯片输出控制电压UC替代反馈电阻分压的参考基准,则

(2)

显然,输出电压受控制电压UC以及反馈电阻R1和R2的比值确定.当R1和R2的比值确定时,UOUT受控制电压UC线性可调.

图3 改进后TPS54340电路

2 实验验证

本文使用意法半导体公司生产的STM32F103作为控制单片机,配合德州仪器生产的12-Bit D/A转换芯片TLV5636,经过信号调理电路后,控制集成开关电源芯片TPS54340反馈电阻的参考基准,构成双向DC/DC中锂离子电池恒流充电部分,其与TLC1871 Boost电路并联.同时,本文设计了电流/电压实时检测OLED显示功能和配套的上位机,双向DC/DC变换器的完整结构如图4所示.

双向DC/DC变换器的上位机使用Microsoft Visual Basic 2010软件开发,使用串口与STM32F103单片机进行通信,STM32F103定时将当前电流/电压发送至上位机显示.

图4 双向DC/DC变换器结构

使用双向DC/DC变换器配合必要的测试电路,搭建整个测试平台,如图5所示.

图5 测试平台实物

使用单片机对D/A芯片TLV5636进行步进给值,同时测量开关电源芯片TPS54340在电阻负载100 Ω,输入电压12 V下的输出情况,根据9次实验结果绘制程控电源的输出曲线如图6所示.由图6可以看出,开关电源芯片TPS54340的输出电压随D/A芯片TLV5636的给值呈线性关系,测试结果与式(2)一致.

图6 程控电源的输出测试

在使用测试平台进行动态测试中,测试负载电阻为10 Ω,STM32F103通过D/A芯片给出阶跃信号后,测试平台的输出可以在1.16 ms内达到输出电压的90%,反应非常灵敏,且稳定后无震荡,其动态响应如图7所示.

图7 动态响应

外部电源电压为30.0 V时,双向DC/DC变换器恒流充电特性测试结果见表1.在充电电流1～2 A时,其电流控制精度不低于0.8%.设定双向DC/DC变换器恒压为30.0 V,恒压输出特性实验结果见表2.调整外部电源输出电压在32～38 V时,双向DC/DC变换器能够自动转换工作模式,使得外部电压保持30±0.2 V.在双向DC/DC变换器自动转换工作模式下,实测充电效率不低于96.3%,放电效率不低于96.9%.

表1 双向DC/DC变换器恒流充电特性实验结果

表2 双向DC/DC变换器恒压特性实验结果 V

3 结 论

(1) 使用D/A芯片控制开关电源芯片反馈端的参考基准,实现了开关电源输出电压线性可调.

(2) 完成了双向DC/DC变换器的设计,实现了能量双向流动,动态响应好,电流控制精度不低于0.8%,充放电效率不低于96%.

[1] 张方华,朱成花,严仰光.双向DC-DC变换器的控制模型[J].中国电机工程学报,2005,25(11):46-49.

[2] 许海平.大功率双向DC-DC变换器拓扑结构及其分析理论研究[D].北京:中国科学院电工研究所,2005.

[3] 刘娜,王章瑞.用于储能系统的双向DC/DC变换器的研究[J].仪器仪表用户,2012,19(3):39-41.

[4] 李平,何益宏,龚仁喜.双向直流变换器的发展现状[J].广西师范学院学报,2006,23(2):100-103.

[5] WANG K R,LEE F C,LAI J.Operation principle of bi-directional full-bridge DC-DC converter with unified soft-switching scheme and soft-starting capability[C]//IEEE APEC 2000.New Orleans,2000:111-118.

(编辑 桂金星)

Design of Bidirectional DC/DC Converter

HU Yuyun1,2, ZHU Wu2, GAO Shouwei1

(1.SchoolofMechatronicalEngineering&Automation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China; 2.SchoolofElectronicsandInformationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

A design of bidirectional DC/DC converter is introduced,which uses the D/A chip to control the reference potential of the switching power supply chip,and realizes linear adjustable power supply output.This method is used to complete the design of bidirectional DC/DC converter.Experiments show that this method can realize bidirectional flow of energy,and has high control accuracy with high efficiency.

bidirectional DC/DC converter; switching power supply; feedback reference

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.03.011

2016-03-16

胡玉畇(1993-),男,在读硕士,安徽黄山人.主要研究方向为嵌入式智能仪器仪表及测试计量技术.E-mail:yuyunhu@t.shu.edu.cn.

TN86

A

1006-4729(2017)03-0270-03