双向DC-DC变换器(A题)[本科组]

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摘要：
本系统以TI公司的MSP430F5529单片机为核心，设计了一套高效率的双向DC-DC变换器。通过闭环控制实现了恒流充电，放电，过充保护以及自动切换工作模式的功能，效率高，精度高。该设计应用同步整流技术和准方波零电压软开关技术使效率明显提高。单片机输出带死区的互补PWM来控制MOSFET的导通与关断，驱动电路使用TI公司的UCC27211驱动芯片驱动TI公司的导通电阻极小的CSD19506功率MOSFET,采用自举升压、浮地驱动的方式驱动高侧MOSFET。采用电阻分压电路检测电压和TI公司的INA282AIDR电流检测芯片检测电流。并且可以实现按键步进调节电流值，屏幕显示电压电流值的功能。

关键词:同步整流 ; 软开关 ; 自举电路 ; 带死区互补 ；PWM

一、方案论证
本系统主要由控制模块、双向DC-DC主电路模块、驱动电路模块、辅助电源模块、液晶显示模块、按键模块六个功能模块组成，下面分别论证这几个模块方案的选择。
1.双向DC-DC变换电路的论证与选择方案一:采用双单向变换器结构。该方式要靠两套电路之间的切换来实现双向DC-DC功能，电路复杂，效率低，故不在本设计中应用。
方案二:采用同步整流BuckBoost双向DC-DC变换器。该双向变换器在Buck同步整流的基础上实现双向DC-DC变换，体积小，质量轻，成本低，结构简单，效率高。

综合以上两种方案，采用方案二。

2.主控制器方案的论证与选择方案一: 51单片机。该系列的单片机价格低廉、应用广泛、性能稳定、技术成熟，但运行速度较慢，片内资源较少，故并不适合本设计。
方案二:使用TI公司的MSP430F5529单片机。该单片机为16位单片机，采用了精简指令集(RISC)结构，最高频率25MHz,处理能力较51单片机强大。片内资源较为丰富，具有超低功耗的优点，自带12位AD及PWM输出等功能。

综合以上两种方案，选择方案二。.

3.MOS管驱动方案的论证与选择方案一:使用三极管构成MOS管驱动电路。三极管在使用过程中容易发生饱和，三极管的饱和深度与极间电容会影响延迟时间和开关速度。此外，三极管的驱动电流不容易控制，且不易驱动高侧MOS管，故不适合本设计。
方案二:使用MOS管驱动芯片IR2110。 IR2110 具有独立的高端和低端输入通道，工作频率可达500kHz，最大延迟匹配时间10ns，上升 下降时间分别为120ns 和90ms,其高端悬浮驱动电源采用自举电路解决MOS管的浮地驱动问题，该方式使用较为广泛。


方案三:使用TI公司的UCC27211驱动芯片。该芯片也为高侧低侧独立驱动，最大引导电压120V,峰值电流4A，最大延迟匹配时间2ns，上升下降时间分别为7.2ns和5.5ns,相比于IR2110具有明显的驱动能力优势和快速性优势。
综合以上三种方案，采用方案三。.

二、理论分析与计算
1.系统电路的分析(I)主电路拓扑的分析主电路采用同步整流Buck-Boost双向DC-DC变换器。如图1所示。



①降压同步Buck电路工作方式。如图2所示。



在同步Buck电路工作方式中，使用一个开关管替换基本Buck电路中的续流二极管。Qi作为主开关管，Q2起续流作用。Q1导通时，Q2关断，电流通过电感L至负载，并将电能储存在L和C2中(电流方向如图2中虚线所示): Q1 关断时，Qz导通，起续流作用，储存在L和C2.上的电能转化为电流继续向负载输出(电流方向如图2中实线所示)。

②升压同步Boost电路工作方式。如图3所示


在升压同步Boost电路工作方式中，Q2作为主开关管，Q1 起续流作用。Q2关断时，Qr导通，起续流作用，电流经过电感L和Q1给CI充电，同时为负载提供能量(电流方向如图3中虚线所示);当Qz导通时，Q/ 关断，电流经过电感L,电感储能，同时电容C1.上的能量向负载释放(电流方向如图3中实线所示)。


(2)驱动电路的分析为保证MOS管饱和导通，通常要求栅极驱动电压比漏极电压高10~15V。在同步整流技术中，高侧MOS管漏极电压为输入电压，要保证其充分导通，其栅极驱动电压应比输入电压还高，因此如何驱动高侧MOS管是一个难 点。本设计采用专用MOS驱动芯片，利用自举升压和浮地驱动的原理解决了高侧MOS管的驱动问题。



如图4所示，UCC27211 驱动芯片内部集成了自举二极管，外部自举电容在MOS管关断时通过二极管充电达到电源电压VDD,自举电容的负极与MOS管源极相连作为浮地，构成浮动电源，使栅极电压高于MOS管源极电压，保证MOS管的导通。

2.主电路参数的计算
(1)开关频率的选择电源开关频率的选择是一个复杂的权衡过程。如果使用较高的开关频率，可以使用更小的电感感量与电容容值来达到滤波效果，但MOS管的开关损耗会增加，导致电源效率降低;如果使用较低的开关频率，MOS管的开关损耗会降低，但所需的电感电容的体积就较大，电感的磁芯损耗也会增高。经过大量实验，本设计选用40kHz的工作频率。

2.程序设计
(1)程序功能描述与设计思路①程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现带死区互补PWM的输出，键盘的设置和显示功能。
a.带死区互补PWM功能:该功能主要有单片机定时器两路通道定时输出两路带死区的互补PWM，占空比可调，死区时间可调。
b.键盘实现功能:用来设定电压电流，模式转换。


②程序设计思路系统开始工作后，首先通过按键获取工作模式及设定参数，然后开始进入相应的工作模
式，输出PWM。同时不断通过AD采集电压、电流值，并根据设定的参数对PWM输出进行调节。在充电模式下，当电池组两端电压高于24V时，立刻停止输出，直到电压低于24V再恢复输出，实现过充保护及恢复功能。在自动切换模式下，当负载两端电压高于30V时进入充电模式，当负载两端电压低于30V时进入放电模式。系统在整个工作过程中会将当前工作状态通过显示屏显示出来。

(2)主程序流程图




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2019-11-27 09:37 上传

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春风十里

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