作者：杨彩霞

来源：《科学与财富》2016年第01期

        摘 要：双向DC-DC变换器是一种能够根据需要调节能量双向传输的变换器。随着科技和生产的发展，对双向DC-DC变换器的需求日益增多，在需要能量双向流动的场合，双向DC-DC变换器的应用可以大幅度的减轻系统的体积重量和成本，具有重要的研究价值。本文通过模块化的思想，设计了基于电池组的充放电变换模型，该模型可以基本完成双向直流的变换过程。此充放电系统不仅可以应用在对于电池组的充放电系统中，也可以应用在太阳能电池阵，混合能源电动汽车等领域。

        关键词：双向DC-DC变换器；模块化设计

        1 引言

        双向DC-DC变换器（Bi-directional DC-DC Converter，BDC）是DC-DC变换器的双象限运行，它的输入、输出电压极性不变，输入、输出的电流方向可以改变。BDC在功能上就相当于两个单向的DC-DC变换器，是典型的“一机两用”设备。近年来，越来越多的学生参与到学科竞赛中。一般而言，在设计电路时会采用整体设计的思想，但要在短时间内设计出符合要求的电路，那么采用模块化的思想则显得相对来说比较重要了。因此，本电路应用此思想，采用各模块分开设计与调试，最终共同协调工作，设计出基本符合要求的双向DC-DC变换电路。该电路亦可应用在直流不停电电源系统，航天电源系统等系统中。

        2 总体设计

        该变换器以电池储能装置为例，实现电池组的充电和放电。结合典型的Buck-Boost充放电原理，采用模块化设计的思想，设计了包括单片机模块，充电模块，放电模块，辅助电源模块相互协调工作的双向DC-DC变换系统。当电池放电时，变换器以Boost 模式工作；当电池充电时，变换器以Buck 模式工作。该Buck-Boost变换器的特点是结构简单、开关器件数量少、损耗小、驱动和控制电路简单、电池侧输出采用LCL 滤波，能有效地减小电池端的纹波电压和纹波电流。系统的核心框图以及典型的Buck-Boost电路如图所示。

        3 各模块设计

        3.1放电电路设计

        电池组放电给外电路的实现主要基于Boost升压电路。电池充电一定时间后，切换开关，即可实现电池向外电路放电。在该放电电路中，采用SG3525芯片，该芯片可作为开关器件的DC/DC变换器，同样也属于脉宽调制型控制器。此芯片可产生0～50%可调的占空比，从而控制场效应管的开通与关闭时间，将反馈接到SG3525芯片的同相端即2脚，反相端1脚接基准电压。通过LM358将取样的电压放大后接到反馈端，当反馈端接收到高电平信号时，SG3525的输出将为低电平，再结合线圈，从而控制场效应管的开关状态使输出达到稳定状态。

        3.2 充电电路设计

        电源组给电池充电主要基于Buck降压电路。在充电电路中，对场效应管的开关控制主要通过TL3842和L6384芯片来实现。TL3842芯片主要实现产生较大占空比的锯齿波，L6384芯片主要实现自举的功能，从而让充电电路中场效应管的栅极和源极点位抬升，实现该电路中的场效应管的导通和关断，进而完成电路的正常工作。本电路利用LM358来放大取样电阻上的电压，获得相关信息，并将过压时检测到的电压值反馈到TL3842的3脚，该引脚的功能是当检测到外界的电压值大于1v时，芯片停歇性工作，从而实现停止该芯片的方波脉冲输出，于是OUTA2输出端也就是低电平，因此达到停止场效应管的导通与关断的工作。同样，在充电时，红灯亮，充电充满时，红灯不亮，蜂鸣器发出鸣叫，并自动切断电源，防止过充。

        3.3 单片机电路设计

        单片机电路的设计是采用C8051F350单片机作为控制器，C8051F350是一款高性能16位单片机，具有速度快、功能强、成本低、低功耗等特点。其具有片内上电复位、看门狗定时器、VDD监视器和时钟振荡器的C8051F350是真正能工作的片上系统。该单片机结合液晶显示屏对充放电电路中的电压电流进行显示，并且通过单片机的控制按钮对充放电电压电流进行预期设定，因此利用单片机系统可以使用户操作变得更加便捷直观。

        3.4 辅助电源设计

        辅助电源主要是给芯片提供一定的工作电压，一般常用基于MC34063的升降压电路构成，当脚5的电压值低于内部基准电压（1.25V）时，比较器输出为跳变电压，开关管T1导通。电感在释放能量期间，由于其两端的电动势极性与电源极性相同，相当于两个电源串联，因而负载上得到的电压高于电源电压。开关管导通与关断的频率称为芯片的工作频率。只要此频率相对负载的时间常数足够高，负载上便可获得连续的直流电压。

        4 模型的应用

        根据上述模块化思想，设计了作用于电池储能系统的双向DC-DC变换器。测试时，选用未充满电的可充电蓄电池作为测试对象，当开关S1，S3接通， S2断开时，该变换器为充电模式，红灯亮，显示屏上显示当前的电压电流值；放电时，将白炽灯作为负载进行放电，当S2，S3接通， S1断开时，白炽灯发光，一段时间后，测量电池组两端电压，显示屏上即可显示当前放电的电压电流值。经过测试后，该模型基本可完成双向的DC-DC变换。

        5 结论

        该双向DC-DC变换器采用分模块设计的思想，将充电电路，放电电路，单片机控制电路以及辅助电源电路分别设计，最终联合起来共同协调工作，完成双向DC-DC直流变换电路的设计制作与调试，达到了基本要求。基于该模型和思想方法，提高了该系统的实践可操作性和减少了排除故障所需时间。

        参考文献

        [1] 王兆安，刘进军.电力电子技术. 北京：机械工业出版社，2009

        [2] 电子设计常用模块与实例/陈庭勋等编著.—杭州：浙江大学出版社，2013.9

        [3] 康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）.北京：高等教育出版社，2006.1下载本文