實訓教學的雙向DC-DC變換器的設計與實現

楚雄師范學院物理與電子科學學院 李山玉

互邦信息技術有限公司 阮姜偉

楚雄師范學院物理與電子科學學院 胡永貴 李秋寧 杞春芳 凃志偉 李家旺

本設計以單片機為核心實現基于實訓教學的雙向DC-DC變換器，它主要由信號處理電路，變換器主控電路，電壓電流采樣電路等構成。它通過手動實現雙向能量傳遞切換，即能量可以正向傳輸（自左向右），反向傳遞（自右向左）。變換器的放電負載用純電阻，其輸入電壓由直流電源提供，該設計可為設計實訓教學項目方案提供參考。

隨著傳統能源迅速消耗帶來的能源危機和污染問題，可再生能源如太陽能光伏發電、風力發電和燃料電池動力系統受到了人們越來越多的重視。雙向DC-DC變換器以其能量能夠雙向流動，使用的總體器件數目少，能夠快速地進行兩個方向功率傳輸的切換，并且具有高效率、體積小、成本低等優勢，在需要雙向能量流動的場合對于改善系統的體積、重量有重要研究價值。雙向DC-DC變換器在航天、航空電源、分布式能源、電動汽車車載電源、不間斷電源（UPS）、蓄電池儲能充放電系統等領域有著廣闊的應用前景。

雙向DC-DC變換器的原理示意圖如圖1所示。變換器在能量傳輸模式控制信號的控制下，可以正向傳輸，也可以反向傳輸。

圖1 雙向DC-DC變換器的原理示意圖

大多數的實用電路系統匹配雙向DC-DC變換器設計方案雖然實用性強，但結構復雜，能量傳遞模式切換自動完成，測試條件難以人為控制。為此，設計一套方便用于實訓教學的雙DC-DC變換器，其特點是結構簡單，測試條件便于實現人為控制，測試電源用直流電源，負載用純電阻負載。

1 基于實訓教學的雙向DC-DC變換器的工作原理

基于實踐實訓教學的雙向DC-DC變換器有兩種工作模式：正向恒流放電模式（能量自左向右傳輸）和反向升壓放電模式（能量自右向左傳輸），兩種工作模式通過按鍵手動切換。變換器設置為正向恒流放電模式，單片機產生的47KHZ的PWM信號控制IR2104驅動電路來控制升降壓主控電路，測試電源輸入的30V直流電壓經升降壓主控電路變換后對電阻負載恒流放電，電壓電流采樣電路分別采樣負載兩端的電壓和流過負載的電流送給信號處理電路，經信號處理電路處理后在液晶上顯示負載兩端的電壓與流過負載的電流。電壓電流采樣電路采樣得到的電流由程序內部的PID算法調節信號處理電路輸出的PWM占空比使充電電流恒定（當充電電流大于預設電流，緩慢減少PWM占空比，使充電電流與預設電流相等；當充電電流小于預設電流，增大PWM占空比，使充電電流與預設電流相等），負載兩端的電壓高于24V（可調整負載阻值來使電壓升高）時變換器停止工作（模擬對電源充電的過充保護功能）；當設置為反向升壓放電模式，單片機發生的47KHZ的PWM信號控制IR2104驅動電路來控制升降壓主控電路，將測試電源輸入的20V直流電壓經升降壓主控電路變換升壓至30V后負載恒壓放電，電壓檢測電路用于檢測負臷兩端的電壓，電壓檢測電路采樣得到的電壓由PID算法調節信號處理電路輸出的PWM占空比，使升降壓主控電路輸出電壓維持恒定（當放電電壓增大，減少PWM占空比；當放電電壓減少，增大PWM占空比）。輔助電源電路給單片機，液晶以及IR2104驅動芯片供電。

他自己揭開了他輕功的謎底，但不論是踩著磚棱飛奔，還是在馬匹墜澗途中借力上躥，都不是一般人能做到的，這等功力，仍舊是人間罕見。

2 程序流程

程序部分主要調節放電電流與電壓的穩定。通過按鍵選擇能量傳輸電流模式，當選擇正向恒流放電模式時，由PID算法調節輸出占空比來調節充電流的恒定，當充電電壓達到24V時變換器停止工作（模擬變換過充保護）；當選擇反向能量傳輸模式時，由PID算法調節輸出占空比來調節放電電壓，使放電電壓穩定。按鍵主要選擇能量傳輸模式以及電流步進值的調節。液晶顯示主要顯示能量正向傳輸時的放電電流，輸出電壓；能量反向傳輸時的輸出電壓。

3 基于實訓教學的雙向DC-DC變換器電路模塊

3.1 信號處理電路

圖2 信號處理電路圖

基于實踐實訓教學的雙向DC-DC變換器信號處理電路圖如圖2所示。STC12C5A60S2單片機是信號處理電路的主要部分，主要功能是產生PWM信號。電壓電流采樣電路采樣得到的信號送到單片機P1.0，P1.1，P1.2端口，經過單片機內部的A/D轉換，一方面把采樣得到的信號經過轉換最終在液晶屏上顯示出來，另一方面，采樣得到的電壓電流信號由程序內部的PID算法調節信號處理電路輸出的PWM占空比使放電電流以及放電電壓恒定；單片機內部產生的47KHZ的PWM信號從P1.3端口輸出送給IR2104驅動芯片；P0用于控制液晶顯示。P2.0，P2.1，P2.2連接到按鍵電路，控制充能量傳輸模式和實現恒流放電的電流值設置。

圖3 雙向DC-DC變換器升降壓主控電路

3.2 升降壓主控電路

基于實訓教學雙向DC-DC變換器升降壓主控電路如圖3所示。它主要由兩個開關管IRF540，電感，二極管，電阻和電容組成。當電路工作在正向傳輸能量恒流模式時，測試電源V1作為輸入，V2作為輸出，Q1作為主開關管。當信號處理電路產生的PWM信號處于高電平時，即基于IR2104構成的驅動電路Ho輸出高電平，Lo輸出低電平，此時Q1導通，Q2關閉，電感L儲存能量，V1對電容器C2、C3及C4充電，同時對電阻負載放電；當信號處理電路產生的PWM信號處于低電平時，即Ho輸出低電平，Lo輸出高電平，此時開關管Q2處于開通狀態，Q1處于關閉狀態，Q1阻斷V1向輸出端傳送電能，Q2開啟作為蓄流通路，電感L為外部提供電能。開關管Q1、Q2交替開通關閉期間，Q1、Q2之間產生方波，經過后級的LC濾波電路，輸出紋波較小的直流電壓。

當電路工作在升壓模式時，測試電源V2作為輸入，V1作為輸出，Q2作為主開關管。當信號處理電路輸出的PWM信號處于高電平時，即Ho為高電平，Lo為低電平，此時開關管Q1導通，Q2關閉，Q2阻斷電源給電感儲能，電感和電源共同向V1輸送電能，經過后級的LC濾波電路，輸出紋波較小的直流電壓；當信號處理電路輸出的PWM信號處于低電平時，即Ho輸出低電平，Lo輸出高電平，此時開關管Q2處于導通狀態，Q1處于關閉狀態，測試電源V2與電感構成導通回路，電感L儲存能量。

3.3 IR2104驅動電路

雙向DC-DC變換器IR2104驅動電路如圖4所示。信號處理電路產生的PWM信號送到IR2104驅動芯片的IN輸入端口，當PWM處于高電平電平時，IR2104驅動芯片Ho同向輸出端為高電平，Lo反向輸出端為低電平，此時Q1導通，Q2關閉；當PWM處于低電平時，IR2104驅動芯片的Ho同向輸出端為低電平，Lo反向輸出端為高電平，此時Q2導通，Q1關閉。

圖4 IR2104驅動電路圖

圖5 電源電路圖

3.4 電流采樣電路

當0.02Ω的康銅絲采樣得到的電流采樣信號，送到集成運放（放大器一般選用LM358），經過放大器放大后的信號再送到信號處理電路處理。雙向DC-DC變換器電流調節范圍為1A～2A。

3.5 電壓采樣電路

由于單片機最高只能檢測5V的電壓，故電壓采樣返回值Vfb應當小于5V。

經過計算，電壓采樣電路一般由兩個9K和1K的電阻構成，分壓電阻分壓采樣得到的電壓輸入到單片機ADC端口。

3.6 按鍵電路

按鍵電路一般有三個按鍵，一個按鍵作為充電/放電模式選擇；一個鍵為充電電流增加（單擊一次電流增加0.1A，最大為2A）；還有一個鍵為充電電流減少（單擊一次電流減少0.1A，最小為1A）。

3.7 液晶顯示電路

用于顯示負載放電電壓和電流，和顯示充放電模式。一般1602液晶屏就可以顯示所需要的數據。

3.8 電源電路

基于IR2104構成的驅動電路需要12V的電壓，電流采樣電路，基于單片機構成的信號處理電路以及顯示電路需要5V的電壓供電，所以需要設計一個12V和5V的電源。如圖5所示，把15V-24V的電源經過LM2596降壓為12V，然后進過LM7805降壓得到5V的電壓供電路使用。

結論：測試表明：變換器工作在能量正向傳輸（恒流模式），恒流特性較好，輸入電壓調整能力較強，效率較高；變換器工作在能量反向傳輸（升壓模式），電壓調整率，穩壓系數以及負載調整率都比較好，效率也比較高，但紋波抑制能力較差。將恒流放電負載用純電阻，輸入電源都用直流電源，這樣方便調試滿足要求測試條件，可以大大縮短變換器特性測試的時間。