大功率雙向DC-DC電源變換器實驗裝置設計

陸　婷, 杜月林, 楊　飛, 張方南 , 史麗峰

(1. 南京郵電大學 電子科學與工程學院, 江蘇 南京　210046；2. 南京郵電大學 通達學院, 江蘇 南京　210046)

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大功率雙向DC-DC電源變換器實驗裝置設計

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 電子科學與工程學院, 江蘇 南京210046；2. 南京郵電大學 通達學院, 江蘇 南京210046)

設計的大功率雙向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,實現電池的充放電功能。其工作模式可由按鍵設定,亦可根據預先設定的電流和電壓值進行自動轉換。該系統分為BUCK恒流充電模塊、BOOST穩壓放電模塊、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置,具有安全、節能、轉換效率高、人機界面友好等特點。

DC-DC變換器； BUCK； BOOST； STM32F429

直流穩壓電源中開關電源運用最為廣泛,其中DC-DC變換器是開關電源的核心部分。利用兩個單向結構實現能量雙向傳輸的傳統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,能夠根據需求自由調節能量傳輸方向。目前主要應用在電動汽車與車載電源系統、UPS電源系統、新能源和分布式發電系統等場合。

1　整體方案設計

本文設計的大功率雙向 DC-DC 變換器用于電池儲能,實現電池的自動充放電功能，工作模式可由按鍵設定,亦可自動轉換。系統結構框圖見圖1。本實驗系統分為BUCK恒流充電模塊、BOOST穩壓放電模塊、MCU自動轉化模塊、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　系統結構框圖

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電阻組成分壓網絡,并用OPA350作為電壓跟隨器經AD采集,實現電流檢測要求。

由于TPS54340芯片反饋信號為模擬電壓信號,系統需要根據充電的實時電流修改相關的充電電壓來保持恒流模式。反饋控制電路采用8位數字電位器MCP41010和10位數字電位器MAX5483構成反饋電壓器,通過改變數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轉換電路采用ADS1118作為AD轉換電路,該轉換電路電流控制精度高、步進小,經過測試系統數據采集較準,滿足系統設計要求。

2　單元電路設計

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,構成單閉環,引入PID控制算法,并針對干擾,通過調節數字電位器,使充電電流恒定。

圖3　BUCK恒流電路

2.2BOOST穩壓電路

BOOST穩壓電路見圖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并反饋給TPS40210,使得電壓恒定。

圖4　BOOST穩壓電路

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電阻網絡分壓,將分壓信號送給由OPA350構成的電壓跟隨器,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轉換電路

采用TI公司的16位AD轉換器——ADS1118構成AD采集電路，AD電路見圖8。

圖8　AD電路

3　系統理論分析與計算

3.1BUCK電路相關計算

由于本系統對質量和轉換效率要求較高,所以應適當提高開關頻率,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:單節電池的標準電壓為3.6～3.7 V,充滿4.2 V；5節電池串聯電壓范圍為18～21 V，所以恒流充電電壓在17.5～25 V之間可調即可。

(2) 內阻:每顆電池內阻60 mΩ以下，5節電池串聯內阻大約300 mΩ。

(3) 內阻曲線:內阻測試曲線見圖9。

圖9　內阻測試曲線

4　系統軟件設計

本實驗系統采用STM32F429作為主控芯片,對硬件電路的相關參數進行測量,接收A/D送入的數據進行處理并實現電源的過流、過壓保護,通過SPI控制作為反饋電阻的數字電位器,從而精準地實現恒定電流進行充電[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,將裝置設定為充電模式。保持 U2=30 V,實現對電池恒流充電。充電電流I1在 1～2 A范圍內步進可調,步進值為50 mA,根據下式計算電流控制精度eic:

式中I1為實際電流、I10為設定值。測試數據見表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) 設定 I1=2 A,調整直流穩壓電源輸出電壓,使 U2在 24～36 V 范圍內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定充電電流為2 A,設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

測試數據見表2。

表2　充電電流變化率

圖11　系統測試連接圖

(3) 實驗裝置過充保護功能:設定I1=2 A,當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。測試表明可以實現過充保護。

6　結論

經過實驗測試,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置,該DC-DC電源轉換器具有安全、節能、轉換效率高、人機界面友好等特點。

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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控制和實驗教學研究.

E-mail：luting@njupt.edu.cn

TM46

A

1002-4956(2016)9-0100-06