基于單片機(jī)控制的單端正激雙向DC／DC變換器

摘要：提出了一種新穎的雙向DC／DC變換器方案。該變換器采用單端正激變換電路為主電路，C8051F020單片機(jī)為控制器，應(yīng)用同步整流技術(shù)和全數(shù)字控制，使得整個設(shè)計具有電路簡潔、轉(zhuǎn)換效率高、控制簡單、工作可靠、可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動等特點(diǎn)。介紹了系統(tǒng)的基本構(gòu)成，分析了電路的工作原理。PSPICE仿真以及樣機(jī)的測試結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計方案的可行性和優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞：變換器；單端正激；同步整流；數(shù)字控制

1 引言
    在航空電源系統(tǒng)、電動汽車等車載電源、艦載電源、蓄電池儲能等應(yīng)用場合，兩側(cè)都是直流電壓或直流有源負(fù)載，其中輸入端接直流母線，輸出端接儲能裝置(蓄電池)比較常見。此時為了實(shí)現(xiàn)充、放電，能量必須能夠雙向流動，因此就需要雙向DC／DC變換器。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，雙向DC／DC變換器的應(yīng)用場合正在逐步擴(kuò)大，特別適用于需要對蓄電池進(jìn)行充／放電的場合。作為DC／DC變換器的一種新形式，雙向DC／DC變換器在工業(yè)應(yīng)用中的地位越來越突出。
    現(xiàn)今開關(guān)電源發(fā)展的趨勢是低電壓、大電流，這使得在次級整流電路中選用同步整流技術(shù)成為一種高效、低損耗的方法。雙向DC／DC變換器的設(shè)計主要考慮主電路拓?fù)溥x擇和控制方式選擇。在此介紹了一種由單端正激變換電路作主電路、C8051F020單片機(jī)作控制器的雙向DC／DC變換器的設(shè)計過程。該變換器應(yīng)用同步整流技術(shù)，采用全數(shù)字控制，使得整個設(shè)計具有電路簡潔、轉(zhuǎn)換效率高、控制簡單、工作可靠、可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動等特點(diǎn)。通過PSPICE仿真及樣機(jī)的測試，驗(yàn)證了該方案的可行性。此變換器可用于各類電池的充、放電及直流電源的核心部分。

2 主電路拓?fù)?br />     目前，應(yīng)用較多的雙向DC／DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在電路復(fù)雜、能量傳輸過程環(huán)節(jié)較多、變換器效率低、開關(guān)管電壓難以抑制等缺點(diǎn)。單端正激變換器的電路較簡單，是中、小功率電源中較常用的方式之一。圖1為所提出的雙向DC／DC變換器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

    系統(tǒng)由變壓器T及其磁復(fù)位電路、主開關(guān)管V1、整流管V2和續(xù)流管V3、輸出濾波電感L、電容C等部分組成。與同等功率等級的常見雙向DC／DC變換器相比，該拓?fù)渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡潔、系統(tǒng)成本低、工作效率高、控制方法簡單等特點(diǎn)，在工業(yè)應(yīng)用中具有一定優(yōu)勢。
2．1 正向工作過程分析
    圖2為變換器正向工作電流連續(xù)時的主要波形。其工作過程分為4個階段。

    階段1[0，t1] V1和V2導(dǎo)通。t=0時，V1導(dǎo)通，電源電壓Ui加在初級繞組N1上，即uN1=Ui，故鐵心磁化，鐵心磁通φ增長，即；N1dφ／dt =Ui。在此開關(guān)模態(tài)中，φ增長量為：
    △φ(+)=UiDyTs／N1     (1)
    變壓器的勵磁電流iM從零開始線性增加，且iM=Uit／Lm，Lm為初級繞組的勵磁電感。則次級繞組N2上電壓為：
    uN2=N2Ui／N1=Ui／K12    (2)
    式中：K12為初、次級繞組的匝比，K12=N1／N2。
    此時V2導(dǎo)通，V3截止，濾波電感電流iL線性增加，這與Buck變換器中開關(guān)管導(dǎo)通時一樣，只是電壓為Ui／K12，且：diL／dt=(Ui／K12-Ui)／L。
    階段2[t1，t2] V1處于關(guān)斷狀態(tài)。t1時刻，關(guān)斷V1，初、次級繞組中無電流流過，此時變壓器通過復(fù)位繞組進(jìn)行磁復(fù)位，iM從復(fù)位繞組N3經(jīng)過VD4回饋到輸入電源。則復(fù)位繞組的電壓uN3=-Ui。這樣，初、次級繞組上的電壓分別為：uN1=-K13Ui，uN2=-K23Ui。K13為初級繞組與N3的匝比，K13=N1／N3；K23為次級繞組與N3的匝比，K23=N2／N3。此時，V2，V3關(guān)斷，iL通過VD3續(xù)流。
    階段3[t2，t3] V1仍處于關(guān)斷狀態(tài)，V3導(dǎo)通，使得導(dǎo)通損耗大為降低，iL繼續(xù)經(jīng)過V3續(xù)流，此階段將持續(xù)到V3被觸發(fā)關(guān)斷時結(jié)束。
    階段4[t3，t4] V3關(guān)斷，但其體二極管仍導(dǎo)通，該體二極管續(xù)流，所有繞組中均沒有電流，其電壓均為零。此階段直至V1被觸發(fā)導(dǎo)通時結(jié)束。至此，主電路的一個工作周期結(jié)束。
2．2 反向工作過程分析
    電路反向工作時的工作過程與Boost電路基本一致，可分為兩個階段，其主要工作波形如圖3所示，此時V1不動作。

    階段1[0，t1] V3導(dǎo)通，V2關(guān)斷，蓄電池放電，電流流過L，iL線性增加，直到t1時刻，iL達(dá)到最大值，電能以磁能形式儲存在L中。在V3導(dǎo)通期間，iL的增量為：
   
    階段2[t1，t2] V3關(guān)斷，V2導(dǎo)通。L將其中磁能轉(zhuǎn)化為電能，與蓄電池一起向輸入側(cè)放電，iL線性衰減，直到t2時刻，iL到達(dá)最小值。在V3截止期間，iL的減小量為：
   

3 控制系統(tǒng)設(shè)計
3．1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與主要硬件設(shè)計
    雙向DC／DC變換器包括一個由功率元件組成的功率主回路、控制回路和驅(qū)動電路等，見圖4。

    在此考慮到外接輸入信號可能對驅(qū)動電路造成短路的問題，采用集成電路驅(qū)動形式，選用IR2110芯片。由于輸出電流不能直接被單片機(jī)獲得，需要通過設(shè)計電流檢測電路來準(zhǔn)確及時地測量電流值。在此采用UGN-3501M霍爾傳感器，它具有靈敏度高、工作溫度范圍寬(-20～85℃ )等特點(diǎn)，檢測電路以集成AD522芯片為放大級，AD522為雙端輸入、單端輸出的測量放大器，具有高輸入阻抗、線性度良好、準(zhǔn)確度較高等特點(diǎn)。
3．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)工作分為兩個過程：降壓變換和升壓變換。在降壓變換中，對采樣電壓信號進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，通過增量式數(shù)字PI算法調(diào)節(jié)占空比的大小，產(chǎn)生PWM波形，控制輸出端電壓。在升壓變換中，對采樣電流信號進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，通過增量式數(shù)字PI算法調(diào)節(jié)占空比的大小，產(chǎn)生PWM波形，控制輸出端電流。主程序流程如圖5所示。

4 系統(tǒng)仿真分析
    這里采用PSPICE對系統(tǒng)主電路進(jìn)行仿真。仿真參數(shù)為：輸入電壓400 V，輸出電壓2 V，電感14．2 μH，電容9 900 μF，開關(guān)頻率55 kHz，變壓器變比170：3，最大占空比0．4，負(fù)載電阻1 kΩ，圖6示出仿真波形。

    圖6a中自上至下分別為能量正向流動時V1～V3驅(qū)動電壓及反向流動時V2，V3驅(qū)動電壓波形?？梢姡芰空蛄鲃訒r，ugV1與ugV2同步產(chǎn)生，ugV2與ugV3形成互補(bǔ)，并加有死區(qū)時間；反向流動時，V2和V3交替導(dǎo)通以保證能量正常傳輸，兩者也有重疊導(dǎo)通的時間來保證電流完成必要的換流。
    圖6b為能量正向流動時DC／DC變換器的輸出電壓Uo及能量反向流動時輸出電流Io波形?？梢?，系統(tǒng)電壓動態(tài)響應(yīng)較好，實(shí)現(xiàn)了從400～2 V的能量轉(zhuǎn)換。當(dāng)變換器反向工作時，蓄電池的輸出電流保持恒定，紋波較小，電感設(shè)計較為準(zhǔn)確。

5 實(shí)驗(yàn)分析
    實(shí)驗(yàn)樣機(jī)主要元件選型和參數(shù)如下：V1根據(jù)輸入電壓為400 V等工作條件，采用型號為IXFN100N50P的功率MOSFET；V2，V3采用專門用于同步整流的MOSFET管IRL3803；儲能電感L=14．2 μH；輸出濾波電容為9 900 μF；負(fù)載為蓄電池。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。圖7a為給蓄電池充電時V2和V3的PWM驅(qū)動波形。由于此時V1與V2同步，因此可較明顯看出兩路驅(qū)動信號形成互補(bǔ)，并有死區(qū)，與理論分析完全吻合。圖7b為能量反向流動時V2和V3的PWM驅(qū)動波形，此時V1不工作。由實(shí)驗(yàn)波形可見，開關(guān)頻率近似為55 kHz，PWM的占空比近似為0．4，實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動。

6 結(jié)論
    詳細(xì)介紹了一種基于單片機(jī)控制的雙向升降壓DC／DC變換器設(shè)計方案。通過仿真和實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了該變換器方案的可行性，工作安全可靠且具有良好的電源特性。整個系統(tǒng)成本低，且采用全數(shù)字控制，硬件設(shè)計簡單，可靠性較高，故對于需要能量雙向流動控制的場合應(yīng)用較方便。