双向DC-DC变换器(仅个人学习）

本设计以Buck拓扑为双向DC-DC变换器主拓扑，以STM32单片机为主控制器和PWM信号发生器，根据电压和电流实时采样进行PI调节，改变开关管的占空比，实现恒流充电和稳压放电。电池充电时，充电电流范围为1~2A，步进值0.05A，通过按键对输出电流进行设定和步进调整

1 方案论证

1.1 DC-DC主回路拓扑

方案一 使用BUCK同步整流降压电路：拓扑结构如图1-1所示，通过开关管的导通和断开来控制电压。当充电时，电路为BUCK同步整流降压电路；放电时，电路转换为BOOST同步整流升压电路。这种电路拓扑简单，控制原理清晰，输出效率高，可以输出较大电流，静态电流小，但开关噪音和输出脉冲较大，成本较高。

图1-1 BUCK电路拓扑结构

方案二：采用反激式变换器，反激式变换器适用于小功率输出，输入电压大范围波动时，仍可有较稳定的输出，并且可以实现带隔离的DC/DC变换，但是反激式变换器设计比较复杂，且整体效率较低。

综合以上两种方案，考虑到效率的原因，选择方案一。

1.2 控制方法及实现方案

方案一 利用PWM专用芯片产生PWM控制信号。此法较易实现，工作较稳定，但不易实现输出电流的设定和调整。

方案二 利用单片机输出PWM控制信号。让单片机根据电压或电流反馈对PWM信号做出相应调整以实现稳定输出。这种方案实现起来较为灵活，可以通过调试针对本身系统做出配套的优化。但是系统调试比较复杂。

因为电路涉及的功能较多，我们选择方案二。

1.3 系统总体框图

图1-2 系统总体框图

2 理论分析与计算

2.1 效率提高方法

2.1.1****Buck电路中开关管的选取 ： 电力晶体管（GTR）耐压高、工作频率较低、开关损耗大；电力场效应管（Power MOSFET）开关损耗小、工作频率较高。从工作频率和降低损耗的角度考虑，选择电力场效应管作为开关管。

2.1.2****选择合适的开关工作频率 ： 较高的开关频率可以减少变换器的体积和重量，但随着频率的提升开关管的损耗也随之升高。

在其他条件一定时，开关管的损耗与频率成正比，考虑到效率和损耗的原因，我们选择开关频率为50kHz。

2.1.2****Buck电路使用同步整流 ：Buck电路使用两个开关管，将输出电压进行同步整流，大大提高DC-DC转换效率。

2.2 恒流充电控制方案

当电池处于充电状态，PWM控制Buck电路稳定电流的控制框图如2-1所示，通过控制占空比可以得到指定的充电电压，因此在输出功率一定时，当电池电压变化，可通过调节电压的方式调节电流输出。并可依据以上关系，引入输出电流采样，使输出电流恒定。

图2-1 恒流控制方案

2.3 稳压放电控制方案

当电池处于放电状态，通过调节PWM输出可直接对电压输出进行调节，同样引入PI调节，可使电压输出达到稳定。

3 电路与程序设计

3.1 Buck降压电路的器件选择及参数计算

3.1.1 Buck降压电路设计

图 3-1 Buck电路

3.1.2 开关场效应管的选择

选择导通电阻小的IRF3710作为开关管，其开态电阻仅为14mohm，其击穿电压为100V，漏极电流最大为59A，允许管耗可达160W，完全满足电路要求。

3.1.3 PWM驱动器件的选择

单片机I/O口输出电压较低、驱动能力不强，我们使用专用驱动芯片IR2103，其导通上升时间和关断下降时间分别为680ns和150ns可以实现电力场效应管的高速开通和关断。并且片上带有死区保护，大大提高编程效率。驱动原理图如图3-2所示。

图3-2 mos驱动电路

3.1.4 电感的参数计算

临界电感值：

Uo是输出电压，Dc为输出PWM的占空比，通过计算可以得出最大电感量约为300μH

3.1.5 电容的参数计算

C =

其中，ΔUO为负载电压变化量，取20 mV，计算可得电容约为432μF，取470μF。

3.2程序设计

4结果分析

本电路结构简单，功能齐全，性能优良，可实现充电时电流可调节恒定输出，放电电压稳定30V输出，双向DC-DC的转换效率均超过题目要求。

附录********1：辅助电源及电流采样电路

电流采样电路

5V电压产生电路

3.3V电压产生芯片

运放用正负负电压产生电路

****附录2：****作品照片