大功率双向DC-DC电源变换器实验装置设计

陆　婷, 杜月林, 杨　飞, 张方南 , 史丽峰

(1. 南京邮电大学 电子科学与工程学院, 江苏 南京　210046；2. 南京邮电大学 通达学院, 江苏 南京　210046)



大功率双向DC-DC电源变换器实验装置设计

陆婷1, 杜月林1, 杨飞2, 张方南2, 史丽峰2

(1. 南京邮电大学 电子科学与工程学院, 江苏 南京210046；2. 南京邮电大学 通达学院, 江苏 南京210046)

设计的大功率双向DC-DC电源变换器采用TPS54340和TPS40210作为BUCK和BOOST模块电路的主芯片,利用STM32F429单片机进行充电和放电模式的切换控制,实现电池的充放电功能。其工作模式可由按键设定,亦可根据预先设定的电流和电压值进行自动转换。该系统分为BUCK恒流充电模块、BOOST稳压放电模块、电流电压检测模块、信号处理等。该装置具有电池恒流充电和恒压放电功能,且具有过流及过压保护,其电流值大小可以任意设置,具有安全、节能、转换效率高、人机界面友好等特点。

DC-DC变换器； BUCK； BOOST； STM32F429

直流稳压电源中开关电源运用最为广泛,其中DC-DC变换器是开关电源的核心部分。利用两个单向结构实现能量双向传输的传统DC-DC变换器的使用功率器件较多、体积较大,需要改变和升级。

双向DC-DC变换器[1-5]是指在保持输入输出两端电压极性不变的情况下,能够根据需求自由调节能量传输方向。目前主要应用在电动汽车与车载电源系统、UPS电源系统、新能源和分布式发电系统等场合。

1　整体方案设计

本文设计的大功率双向 DC-DC 变换器用于电池储能,实现电池的自动充放电功能，工作模式可由按键设定,亦可自动转换。系统结构框图见图1。本实验系统分为BUCK恒流充电模块、BOOST稳压放电模块、MCU自动转化模块、过流过压检测模块、辅助电源模块等部分。双向DC-DC变换器主要原理框图见图2。

图1　系统结构框图

图2　双向DC-DC变换器原理框图

采用TPS54340和TPS40210作为BUCK和BOOST模块电路的主芯片,利用STM32F429单片机进行充放电的切换控制,实现双向DC-DC变换器。20 mΩ的特制康铜丝作为检流电阻,INA282作为电流监测,将康铜丝的分压放大50倍,采用0.1%的24 kΩ和1 kΩ电阻组成分压网络,并用OPA350作为电压跟随器经AD采集,实现电流检测要求。

由于TPS54340芯片反馈信号为模拟电压信号,系统需要根据充电的实时电流修改相关的充电电压来保持恒流模式。反馈控制电路采用8位数字电位器MCP41010和10位数字电位器MAX5483构成反馈电压器,通过改变数字电位器的阻值从而改变反馈端的分压而改变输出电压。AD转换电路采用ADS1118作为AD转换电路,该转换电路电流控制精度高、步进小,经过测试系统数据采集较准,满足系统设计要求。

2　单元电路设计

2.1BUCK恒流电路

BUCK恒流电路由TPS54340作为核心芯片,电路见图3。通过AD和电流检测模块将充电电流反馈给单片机,构成单闭环,引入PID控制算法,并针对干扰,通过调节数字电位器,使充电电流恒定。

图3　BUCK恒流电路

2.2BOOST稳压电路

BOOST稳压电路见图4,TPS40210为核心芯片,通过对输出电压进行分压和对输出电流采用双闭环并反馈给TPS40210,使得电压恒定。

图4　BOOST稳压电路

2.3双向DC-DC自动切换电路

双向DC-DC自动切换电路见图5,该电路可以通过MCU手动进行模式切换。

2.4电流检测电路

电流检测电路见图6,由INA282和OPA350组成,通过检流电阻取电压送给电流检测器INA282,之后送给OPA350电压跟随器,再送给AD采集。本设计中采用20 mΩ的康铜丝作为检流电阻,可以检测0～4 A的电流。

图5　双向DC-DC自动切换电路

图6　电流检测电路

2.5电压检测电路

电压检测电路见图7,由OPA350主芯片组成,通过1 kHz和24 kHz电阻网络分压,将分压信号送给由OPA350构成的电压跟随器,最后送给AD采集。电压采集范围为0～50 V。

图7　电压检测电路

2.6AD转换电路

采用TI公司的16位AD转换器——ADS1118构成AD采集电路，AD电路见图8。

图8　AD电路

3　系统理论分析与计算

3.1BUCK电路相关计算

由于本系统对质量和转换效率要求较高,所以应适当提高开关频率,减小电感体积和重量。

(2) 软启动时间tss为

(3) 电感量[9-11]为

(4) 纹波电流Iripple和峰值电流IL(peak)分别为

(5) 滤波电容COUT为

3.2BOOST电路相关计算

(1) 占空比D为

(2) 纹波电流Iripple为

(3) 电感峰值电流ILpeak为

(4) 电感量Lmin为

(5) 滤波电容COUT为

3.3电池特性

(1) 电压:单节电池的标准电压为3.6～3.7 V,充满4.2 V；5节电池串联电压范围为18～21 V，所以恒流充电电压在17.5～25 V之间可调即可。

(2) 内阻:每颗电池内阻60 mΩ以下，5节电池串联内阻大约300 mΩ。

(3) 内阻曲线:内阻测试曲线见图9。

图9　内阻测试曲线

4　系统软件设计

本实验系统采用STM32F429作为主控芯片,对硬件电路的相关参数进行测量,接收A/D送入的数据进行处理并实现电源的过流、过压保护,通过SPI控制作为反馈电阻的数字电位器,从而精准地实现恒定电流进行充电[12-13]。其软件流程图见图10。

图10　软件流程图

5　实验测试

将电流表1和电流表2,电压表1和电压表2 按图11连接,分模式进行以下测试:

(1) 接通S1、S3,断开 S2,将装置设定为充电模式。保持 U2=30 V,实现对电池恒流充电。充电电流I1在 1～2 A范围内步进可调,步进值为50 mA,根据下式计算电流控制精度eic:

式中I1为实际电流、I10为设定值。测试数据见表1，由表1可知电流控制精度不低于1%。

表1　电流步进及充电电流控制精度测试

(2) 设定 I1=2 A,调整直流稳压电源输出电压,使 U2在 24～36 V 范围内变化时充电电流记为 I1的变化率不大于 1%。实验中通过单片机设定充电电流为2 A,设U2=36 V 时,充电电流值记为I11；U2=30 V 时,充电电流值为I1；U2=24 V时,充电电流值为I12,则充电电流变化率Si1为

测试数据见表2。

表2　充电电流变化率

图11　系统测试连接图

(3) 实验装置过充保护功能:设定I1=2 A,当U1超过阈值U1th=24 V±0.5 V时,停止充电。实验中通过控制滑动变阻器的阻值改变U1的电压,检测电压U1,当U1超过阈值后，电路自动由充电模式切换成放电模式。测试表明可以实现过充保护。

6　结论

经过实验测试,该装置具有电池恒流充电和恒压放电功能,且具有过流及过压保护,其电流值大小可以任意设置,该DC-DC电源转换器具有安全、节能、转换效率高、人机界面友好等特点。

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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

国家自然科学基金项目(61271240)；江苏省高校实验室研究会实验室工作研究课题(2015SSG02)；南京邮电大学实验室工作研究课题(2015XSG11)

陆婷(1977—)，女，陕西汉中，硕士，实验师，研究方向为嵌入式系统控制和实验教学研究.

E-mail：luting@njupt.edu.cn

TM46

A

1002-4956(2016)9-0100-06