我們生活中使用的 DC/DC 變換器都只能從單一方向進(jìn)行工作，其最根本原因是 功率較大的開(kāi)關(guān)管(像 MOSFT，IGBT)只能處理單一方向上流過(guò)的能量，而且主電 路上裝有二極管，因?yàn)槠浔旧淼奶匦?，?dǎo)致能量只能朝一個(gè)方向流通?，F(xiàn)在，科技 和社會(huì)的發(fā)展相當(dāng)迅速，人們對(duì)電源系統(tǒng)提出了更高的要求，以適應(yīng)其在不同工業(yè)、 科研環(huán)境下需求。在航空航天系統(tǒng)，I 類負(fù)荷不斷電系統(tǒng)中，直流電源變換器有著不可 或缺的作用。在要求能充放電的系統(tǒng)，比如電動(dòng)汽車、不允許斷電的系統(tǒng)、光伏發(fā) 電、航空電力等場(chǎng)合中，要求能量可以雙向自由流通，而為此做兩個(gè)電能變換器顯 然過(guò)于笨重，而且增加了成本。雙向 DC/DC 變換器(Bi-direConal DC/DCConverter， BDC)就在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生了，通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂?，它可以讓能量?jī)蓚€(gè)方向自由 地流動(dòng)，對(duì)比做兩個(gè)電能變換器，兼顧了變換器的體積、重量，還有成本，提高了 效率。雙向的 DC/DC 變換器完成了兩個(gè)設(shè)備的工作，而普通的 DC/DC 變換只能完成 能量的單向流動(dòng)。變換器之所以雙向流動(dòng)能量是因?yàn)樗谠瓉?lái)開(kāi)關(guān)管的基礎(chǔ)上并聯(lián) 了一個(gè)快恢復(fù)的二極管，讓其導(dǎo)通電流本來(lái)只能在一個(gè)象限工作變成了兩個(gè)。這樣 的處理方法好處是不用改變輸入和輸出電壓的極性卻能控制電流的流

雙向 DC - DC 變換器( Bidireconal DC - DC Converter—BDC)是一個(gè) DC - DC 變換器的雙象限運(yùn)行，是在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的情況下，根據(jù)應(yīng)用需要改變電流方向，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的 DC - DC 變換器。它的輸入、輸出電壓極性不變，但輸入、輸出電流的方向可以改變。圖 1 為 BDC 的二端口示意圖，雙向 DC - DC 變換器置于 V1 和 V2 之間，控制其間的能量傳輸。從各種基本的變換拓?fù)鋪?lái)看，可將其看做兩個(gè)單向 DC - DC 變換器反向并聯(lián)連接，通過(guò)改變兩個(gè)單元的工作狀態(tài)調(diào)節(jié)能量的雙向流動(dòng)，因此雙向 DC - DC 變換器在功能上相當(dāng)于兩個(gè)單向 DC - DC變換器。

雙向DC_DC 變換器的原理

雙向DC_DC變換器是指在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的情況下，能夠根據(jù)需要調(diào)節(jié)能里雙向傳輸?shù)闹绷鞯街绷髯儞Q器，如圖1所示： 雙向DC_DC變換器置于V1和V2 之間，控制其間的能里傳輸，I1和2分別是V1和V2的平均輸入電流。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，可以通過(guò)雙向DC_DC變換器的變換控制，使能里從V1傳輸?shù)絍2，稱為正向工作模式(Forwardmode)，此時(shí)I1為負(fù)，而I2為正; 或使能里從V2傳輸?shù)絍1，稱為反向工作模式(Backwardmode)，此時(shí)I1為正，而2 為負(fù)。

由于電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，使得雙向 DC - DC 變換器的應(yīng)用日益廣泛。尤其是靜態(tài)開(kāi)關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，使雙向 DC - DC 變換器不斷朝著高效化、小型化高性能化的方向發(fā)展。雙向 DC -DC 變換器作為典型的“一機(jī)兩用”設(shè)備，在需要能量雙向流動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合，可以大幅度降低系統(tǒng)的體積、重量及成本，具有高效率、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)勢(shì)，具有重要的研究?jī)r(jià)值。我們以實(shí)際參賽為經(jīng)驗(yàn)，研究并設(shè)計(jì)了基于 STC12C5A60S2 單片機(jī)的雙 DC - DC 變換電路。

系統(tǒng)方案論證

雙向 DC - DC 模塊的論證與選擇

雙向 DC - DC 變換有隔離和非隔離兩種。非隔離型的電路比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，且能滿足低壓、大電流場(chǎng)合應(yīng)用，但是其電壓轉(zhuǎn)換比較低; 相反，隔離型的變換器可以實(shí)現(xiàn)較大大的電壓轉(zhuǎn)換比，且相較于非隔離性安全性高，可應(yīng)用于不同功率場(chǎng)合，但是由于隔離變壓器的漏磁和損耗等易造成效率的降低。本題沒(méi)有要求輸入輸出隔離，且結(jié)合兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，所以選擇非隔離方式。具體有以下幾種方案：

( 1) 方案一： 雙向 Cuk 型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變換器

Cuk 型雙向 DC - DC 變換器電路如圖 2 所示，該電路需要兩個(gè)電感將能量經(jīng)過(guò)三次傳遞到負(fù)載，因此對(duì)電容傳輸能量的性能要求高，不適用于大功率場(chǎng)合應(yīng)用，且效率比較低，電路較為復(fù)雜，實(shí)際電路應(yīng)用很少。

( 2) 方案二： 半橋型雙向變換器

把非隔離的半橋型單向 DC - DC 變換的功率二極管變?yōu)殡p向開(kāi)關(guān)后即構(gòu)成非隔離的半橋型雙向 DC - DC 變換器，其電路如圖3 所示，這種雙向 DC - DC 變流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，容易實(shí)現(xiàn)單端恒流，開(kāi)關(guān)管的電壓、電流應(yīng)力小，適合于中小功率的應(yīng)用場(chǎng)合。鑒于上面分析，選用方案二。

電流恒定控制模塊的論證與選擇

( 1) 方案一： 實(shí)時(shí)檢測(cè) + 控制器實(shí)現(xiàn)

通過(guò)電路和控制器對(duì)輸出電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，得到實(shí)時(shí)電流值。如果實(shí)時(shí)電流值大于( 或小于) 設(shè)定電流值，控制器控制 DC- DC 使輸出電壓減小( 或增大) ，直至實(shí)時(shí)電流值等于設(shè)定電流值，由此可將電流控制在設(shè)定電流值附近。此方案控制電路簡(jiǎn)單，但是對(duì)控制器的運(yùn)算量和運(yùn)算精確度提出了較高要求，而且存在控制延時(shí)，效果并不理想。

( 2) 方案二： 采用 CMOS 場(chǎng)效應(yīng)管 + 控制器實(shí)現(xiàn)

控制器 控 制 雙 向 DC - DC 的 輸 出 電 壓，使 其 逐 步 達(dá) 到 由CMOS 場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的壓控恒流源的臨界值。電路原理圖如圖 4所示。此方案效率最高，但是若場(chǎng)效應(yīng)管經(jīng)常工作于臨界值，會(huì)使輸出電流動(dòng)態(tài)波動(dòng)很大。

3) 方案三： 采用 CMOS 場(chǎng)效應(yīng)管 + 硬件電路實(shí)現(xiàn)

采用 CMOS 場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成壓控恒流源，硬件電路直接反饋，電路原理如圖 5 所示。此方案使控制器不再參與電流控制，因此極大減少了控制器的運(yùn)算量，提高了電路的可靠性。鑒于上面分析，選用方案三。

控制電路模塊的論證與選擇

( 1) 方案一： 采用 ATMEL 公司的 AT89S51 單片機(jī)?？衫闷渫鈬?ADC 以及 DAC 完成系統(tǒng)反饋功能。AT89S51 雖開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，初學(xué)者容易上手，但 FLASH 存儲(chǔ)僅 4K 字節(jié)。

( 2) 方案二： 采用 FPGA。FPGA 資源豐富，可實(shí)現(xiàn)靈活的編程控制。但是 FPGA 功耗較大，不適于開(kāi)發(fā)低功耗電源。

( 3) 方案三： 采 用 STC 公 司 的 STC12C5A60S2 單 片 機(jī)，是AT89S51 系列的增強(qiáng)版，處理速度增加 8 - 12 倍，其單片機(jī)內(nèi)部就自帶高達(dá) 60K FLASH ROM，因此在性價(jià)比、功耗、難易程度等方面很有優(yōu)勢(shì)。

鑒于上面分析，選用方案三。

理論分析與計(jì)算

充電電流 I1

充電電流 I1 由雙向 DC - DC 的實(shí)時(shí)輸出電流和最大輸出電流決定。比賽 要 求 充 電 時(shí)，輸出電流可調(diào)范圍是 1 ～ 2A，根 據(jù)TPS5430 數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的計(jì)算公式：

系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)框圖

如圖 6 所示，充電時(shí)，系統(tǒng)在輸入 24 ～ 36V 內(nèi)變化，通過(guò)雙向DC - DC 變換器的降壓電路輸出到 18650 型鋰電池。放電時(shí)，電池通過(guò)雙向 DC - DC 變換器的升壓電路輸出到負(fù)載。單片機(jī)STC12C5A60S2 的鍵盤(pán)輸入設(shè)定值，使雙向 DC - DC 變換器輸出電壓，通過(guò)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管和電路反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的恒定與步進(jìn)控制。同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)設(shè)定和實(shí)時(shí)電流電壓顯示與過(guò)壓保護(hù)功能。

主模塊電路

( 1) 雙向 DC - DC 變換電路

如圖 7 和圖 8，雙向 DC - DC 變換模塊是利用 TPS5430 降壓芯片和 UC3842 升壓芯片構(gòu)成。兩者之間通過(guò)可控硅構(gòu)成的靜態(tài)開(kāi)關(guān)完成充、放電工作模式的轉(zhuǎn)換。

( 2) AD 和 DA 電路

本設(shè)計(jì)需要對(duì)輸入、輸出電流進(jìn)行采集，結(jié)合低功耗，高精度等特點(diǎn)，采用 TLC2543 芯片，它是一款 12 位串行輸入，多路采集的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

電流的大小由 DA 控制。電流控制精度不低于 5% ，因此需要采用比較高精度的 DA，故選用 12 位串行的 TLV5618 芯片。

AD 采樣電路、DA 輸出電路分別如圖 9、圖 10 所示。

3) 過(guò)充保護(hù)模塊

該模塊采用軟件控制保護(hù)。充電時(shí)，輸出端接入分壓電阻，經(jīng)AD 進(jìn)行采集，單片機(jī)判斷控制。當(dāng)雙向 DC - DC 電路輸出電壓超過(guò)閾值 24 ± 0. 5V 時(shí)，對(duì) TPS5430 的 5 腳使能端低電平，芯片停止工作，輸出電流為 0，達(dá)到過(guò)充電保護(hù)目的。

參數(shù)分析與計(jì)算

根據(jù)輸入、輸出電壓確定場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)最大占空比，得

軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制程序部分由單片機(jī) STC12C5A60S2 來(lái)完成，主要用來(lái)控制對(duì)電流的 設(shè)定和對(duì)電流誤差的校準(zhǔn)，以及顯示功能。圖11 所示為單片機(jī)控制流程圖。

系統(tǒng)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

測(cè)試電路

采用外部電源給系統(tǒng)供電分別測(cè)量輸入電壓 U2，輸入電流I2，輸出電壓 U1，輸出電流 I1。測(cè)試電路如圖 12 所示。

測(cè)試過(guò)程

( 1) 步進(jìn)電流測(cè)試

測(cè)試方法： 調(diào)整直流電壓源輸出電壓為 30V，通過(guò)單片機(jī)的鍵盤(pán)進(jìn)行每次 0. 1A 的步進(jìn)，測(cè)量充電電流在 1 ～ 2A 范圍內(nèi)的電流變化，并計(jì)算電流控制精度。

測(cè)試數(shù)據(jù)： 見(jiàn)表2。

測(cè)試結(jié)果： 根據(jù)表 2 所示數(shù)據(jù)，充電電流在 1 ～ 2A 范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào)，電流控制精度不低于 5% ，滿足基本要求。

( 2) 電流變化率測(cè)試

測(cè)試方法： 通過(guò)單片機(jī)的鍵盤(pán)將充電電流穩(wěn)定在 2A，調(diào)整直流電壓源輸出電壓，使其電壓從 24V 開(kāi)始，調(diào)整到 36V，測(cè)量充電電流的變化，并計(jì)算充電電流變化率。

測(cè)試數(shù)據(jù)： 見(jiàn)表 3。

測(cè)試結(jié)果： 根據(jù)表 3 所示數(shù)據(jù)，當(dāng)直流電壓源輸出電壓從 24V調(diào)整到 36V 過(guò)程中，電流變化較小，電流變化率 = 0. 50% ≤1% ，滿足基本要求。

( 3) 效率測(cè)試

測(cè)試方法： 通過(guò)單片機(jī)的鍵盤(pán)將充電電流穩(wěn)定在 2A，調(diào)整直流電壓源輸出電壓為 30V，測(cè)量輸入電流、充電電壓并計(jì)算效率。

測(cè)試數(shù)據(jù)：

測(cè)試結(jié)果： 根據(jù)表 4 所示數(shù)據(jù)，變換器的效率大于 90% ，滿足基本要求。

( 4) 電流測(cè)量測(cè)試

測(cè)試方法： 根據(jù)用萬(wàn)用表測(cè)量在 1 ～ 2A 范圍內(nèi)的充電電流的值以及單片機(jī)經(jīng)過(guò)采集處理并通過(guò) 12860 顯示的電流值，計(jì)算單片機(jī)測(cè)量電流精度。

測(cè)試數(shù)據(jù)： 見(jiàn)表 5。

測(cè)量結(jié)果： 根據(jù)表 5 所示數(shù)據(jù)，在 1 ～ 2A 內(nèi)測(cè)量精度不低于2% ，滿足基本要求。

5) 過(guò)充保護(hù)功能測(cè)試

測(cè)試方法： 通過(guò)單片機(jī)的鍵盤(pán)將充電電流穩(wěn)定在 2A，并逐步增大直流電壓源輸出電壓，使充電電壓超過(guò) 24 ± 0. 5V，觀察充電電流變化。

測(cè)試數(shù)據(jù)： 見(jiàn)表 6。

測(cè)量結(jié)果： 根據(jù)表 6 所示數(shù)據(jù)，充電電流在充電電壓超過(guò) 24 ±0.5V 后，立即趨近于零，滿足過(guò)沖保護(hù)功能要求。

( 6) 發(fā)揮部分測(cè)試

①斷開(kāi) S1、接通 S2，利用靜態(tài)開(kāi)關(guān)將裝置設(shè)定為放電模式，保持 U2 = 30 ± 0. 5V，經(jīng)計(jì)算，此時(shí)變換器的平均效率約為 95. 57% ，大于等于 95% ，基本滿足要求。

②接通 S1、S2，斷開(kāi) S3，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源輸出電壓，使 Us 在32 ～ 38V 范圍內(nèi)變化時(shí)，經(jīng)測(cè)量，雙向 DC - DC 電路能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作模式并保持 U2 在 29. 3 ～ 30. 4V，基本滿足要求;

③經(jīng)精密電子稱測(cè)量，雙向 DC - DC 變換器、測(cè)控電路與輔助電源三部分的總重量約為 437. 6g，不大于 500g，滿足要求。

測(cè)試分析與總結(jié)

根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結(jié)論：

( 1) 該變換器輸出充電電流在一定范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào)，具有較高的電流控制精度;

( 2) 該變換器能夠保持較高的電流穩(wěn)定度和電流測(cè)量準(zhǔn)確度;

( 3) 在充電和放電模式下，該變換器工作效率高，并且可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作模式;

( 4) 該變換器在具有過(guò)充電保護(hù)功能，安全性高，且重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。

綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。