双向DC-DC变换器

双向DC-DC变换器

摘要:以FPGA和TM4C123G为控制核心，设计制作了双向DC-DC变换器。本系统主要包括Buck/Boost双向DC-DC变换电路、电压电流采样电路和辅助电源电路等，其中以Buck/Boost变换电路为核心，完成锂电池组的充、放电，采用闭环反馈系统，实时监测锂电池组的电压、电流，经过PID调节，控制输出PWM波，从而控制Buck/Boost变换电路。经测试，变换器可实现恒流充电，且充电电流在1~2A内可调，步进值可设定，电流控制精度eic?0.12%，测量精度

em?0.192%，变换器充电效率?1?98.54%，放电效率?2?97.99%，且系统具有过充保护功能，阈值电压U1th?(24?0.032)V，能自动转换工作模式并保持

U2?(30?0.010)V。经称量，双向DC-DC变换器、测控电路与辅助电源三部分总重量为368g。此外，系统可识别充电、放电两种模式，并实时显示充、放电的电流与电压，人机交互性良好。

关键词：BDC；锂电池；PWM；PID；过充保护

1 方案论证

1.1 方案比较与选择

1.1.1 双向DC-DC主回路

方案一：非隔离式Buck/Boost BDC

Buck变换器和Boost变换器的二极管换成双向开关后具有同样的结构，构成

Buck/Boost BDC，图1为其拓扑结构。在Buck/BoostBDC中，由于S1和S2均可流通双向电流，因此电感L中的电流一直保持连续状态。当电感电流恒大于零时，能量由Vb流向Vo，是Boost变换器，锂电池放电；当电感电流恒小于零时，能量由Vo流向Vb，是Buck变换器，锂电池充电。

图1非隔离式Buck/Boost BDC拓扑结构

方案二：隔离式Buck/Boost BDC

非隔离式Buck/Boost BDC中插入高频变压器便构成隔离式Buck/Boost BDC。图2为其拓扑结构。其高频逆变/整流和高频整流/逆变单元可以由半桥、全桥、推挽等电路构成，方案较多，设计电路比较灵活。

图2隔离式Buck/Boost BDC拓扑结构

分析：方案二存在升压启动和开关管电压尖峰问题，电路结构较复杂，方案

一控制方便，电路结构简单，故选择方案一。 1.1.2PWM波控制方案

方案一：TL494是一种固定频率脉宽调制器，集成了全部的脉宽调制电路。片内置线性锯齿波振荡器、误差放大器、5V参考基准电压源、功率晶体管，仅有两个外置振荡元件，内置可调整死区时间。通过控制信号与CT上的正锯齿波比较，来控制PWM波的占空比。实际电路中，可通过FPGA控制DAC的输出电压来作为TL494的外部控制信号，实现对TL494输出PWM波占空比的控制。

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方案二：由FPGA同时产生两路相位差为180?的PWM波，占空比和死区时分析：方案一输出PWM波精度较高，但需DAC对其进行控制，增加了系

间由FPGA设定，控制方法易于实现，且具有很高的灵活性。

统的体积，结构较复杂，方案二控制方便，电路结构简单，输出PWM波精度可满足要求，故选择方案二。

1.2 总体方案描述

系统整体框图如图3所示，总体方案如下：系统以Buck/Boost双向DC-DC转换器为主体，实现锂电池的充电和放电。系统实时监测充电电压U1、电流I1及

U2的值，可根据预置电流值对锂电池进行恒流充电、恒压放电，经PID算法调节，改变PWM波的占空比，将系统稳定在设定状态。此外，系统具有过充保护功能，识别两种模式并实时显示充、放电电流，人机交互界面良好。

开关S1锂电池组Buck/Boost双向DC-DC转换器开关S2RLRS开关S3电流电压转换电压取样电流取样直流稳压电源电压取样A/D转换电路IRS21867驱动电路辅助电源 数据采集与处理过充保护PWM波PID控制键盘显示 FPGA与TM4C123G 图3系统整体框图

2理论分析与计算

2.1主回路主要器件参数选择与计算

本系统主回路为Buck/Boost双向DC-DC变换器，为保证系统的性能，重点MOSFET选择：为减小MOSFET的损耗、提高系统效率，拟选择导通电阻为MOSFET的选取、电感、电容的设计。

小、栅极电荷小的MOSFET，且U2(max)?36V，综合考虑，选择CSD19536，其关键指标为VDS?100V,RDS(on)?2.3m?,Qg?118nC，ID?150A,td(on)?8ns，

td(off)?5ns，完全满足本系统设计要求。

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电感设计：BDC电路中，选择任一工作模式进行电感设计均可，此次在Buck

工作模式下进行电感设计。设计要求Vin?U2?24~36V，IO?1~2A，取

VO?U1th?24V。连续电流模式下电感值为：

L?VOT(1?Dmin)VO(1?Dmin)? (1)

2KfIO(min)2fKfIO(min)其中，Dmin?VO?Vin(max)。取??90%，则Dmin?240.9?36?0.667。 取开关频率f?20kHz，Kf?0.3，则由(1)得L?700.6?H。

输出滤波电容设计：取r?0.4，C?r?IO8f?Vp?p?1667?F，VVp?p?3mV，实际取C?2200?F，同时还并联低ESR的小电容，降低等效阻抗，稳态特性好。

2.2控制方法与参数计算

本系统实时监测U1、I1与I2的值，用ADS1256对其值进行采集，MCU对采集数据进行处理，通过PID调节，输出具有一定占空比的PWM波对BDC主回路进行控制，使电路工作于设定正常状态，即达到对充电或放电过程的控制。

2.3提高效率的方法

(1)选择栅极电容与导通电阻较小的开关管；减小开关管的栅极串联电阻，可改变控制脉冲的上升沿与下降沿时间、防止震荡，减小开关管的漏极的冲击电压；同时在开关管的栅极和源极之间并联较大阻值电阻，减小开关管断开时的静态电流。

(2)合理设计电感。考虑到题目对质量的要求，应尽量减小电感的体积，因此选择EETR型号磁芯，其骨架较小，且其骨架为圆柱形，可使得绕线更加紧凑而减少漏感，从而减少尖峰电压所引起的焦耳损耗；适当增加电感气隙来免因磁饱和所附加的铜损；采用多股细铜线代替单股粗线来绕制电感，从而降低铜损，减少邻近效应和趋肤效应。

(3)选择合适的PWM波频率。开关管的开关损耗会随着系统的工作频率的增高而增大，而输出电压纹波又随工作频率的减小而增大，兼顾纹波与开关损耗，故选择BDC电路的开关频率为20kHz。

(4)选择低ESR的电容，减小其损耗。

3电路与程序设计

3.1 双向DC-DC主回路设计与器件选择

Buck/Boost BDC主回路选择IRS21867作为变换器的驱动芯片，IRS21867是有独立的高、低端输出的高压、高速功率MOSFET和IGBT驱动器，高端功率管的最大工作电压可达600V。其供电的电压低、驱动电流大，能够完全满足本系统设计要求。其电路图如图4所示。

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系统选用N沟道MOSFET CSD19536，其具有超低栅极驱动电荷和米勒电容，

低热阻，可在功率转换中最大限度的降低损耗。

图4 Buck-Boost BDC主回路

3.2电压、电流取样电路

如附图1所示，直流电压U1、U2经电阻分压后经过射极跟随器输入至A/D选用康铜丝作为电流的取样电阻，康铜丝阻值小，温度系数低，稳定性能好，其两端的电压经过INA118的放大输入至A/D转换电路。INA118是双向电流监控器，精度高、温漂小，其增益G?1?50k?RG，系统中RG选用千分之一精度电阻，其阻值为1k?，可保证增益的稳定，增益为51。

转换器。其中射极跟随器用高精度的双运放OPA2211设计完成。

3.3A/D采样电路

如附图2所示，本系统选用的ADC为24位多通道、高精度的ADS1256，ADS1256可同时采集四路模拟信号，最大输入电压为5V，故其分辨力可达到

5224?0.3?V，在实际电路中可达16位，分辨力可达5216?0.076mV，完全可以达到要求。

3.4过充保护电路

系统实时对锂电池两端电压U1进行采样，当检测到U1为24V时，切断PWM波的输出，达到保护电池的目的。

3.5辅助电源设计

系统中芯片正常工作下的供电电压有12V、5V、-5V、3.3V。如附图3所示，系统辅助电源由US处进行供电，而US范围为32~38V，故选用输入电压范围为

4.5~42V的TPS54340首先将其降至12V，然后利用LM7805将12V降至5V，

利用LM1117将其降至3.3V。-5V利用MAX764得到。

3.6控制程序设计

本系统采用TM4C123G与FPGA为控制核心，FPGA实现了对ADS1256的高速采样，实时监测充电电流、电池电压，以及DC-DC转换器输入端电压并通

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/yl32.html