基于DSPIC30F2020的雙向DC/DC變換器的設計

汪麗燕，阮志煌，謝子鳴

（1.湖北科技學院，湖北 咸寧 437100；2.湖北省電力建設第二工程公司，湖北 武漢 430030）

基于DSPIC30F2020的雙向DC/DC變換器的設計

汪麗燕1，阮志煌1，謝子鳴2

（1.湖北科技學院，湖北 咸寧 437100；2.湖北省電力建設第二工程公司，湖北 武漢 430030）

本系統以雙向半橋（兩象限）DC/DC電路為主電路，以DSPIC30F2020單片機為主控制器，實現了向DC/DC變換器的功能。控制器設定充放電模式，通過對輸出電流和輸出電壓進行采樣，利用閉環控制策略，結合PID控制算法使得充電模式下恒流輸出，放電模式下恒壓輸出。實驗表明，該設計具有高穩定性、高精度、高效率的特點和完備的保護功能。

雙向DC/DC變換器；恒流充電；恒壓輸出；DSPIC30F2020

雙向DC/DC變換器因其電路拓撲簡單、能量轉換效率高等優點，被廣泛應用于電動汽車、不間斷電源系統、太陽能發電系統、航空電源系統等領域。相對于傳統的單向DC/DC變換器，雙向DC/DC變換器作為電力電子變換器發展中的分支，可實現能量的雙向傳輸，在許多儲能系統中起著重要的作用，引起了越來越多學者的關注。

針對傳統的雙向DC/DC變換器體積大、效率低、電路復雜和設計成本高等缺點，本設計采用DSPIC30F2020單片機為主控制器，以鋰電池為實驗對象，選用buck、boost開關電源結構設計了一種雙向DC/DC變換器，經過實驗表明了變換器具有高穩定性、高精度、高效率等優點。

1 系統硬件電路設計

（1）雙向DC/DC變換器系統整體設計。系統整體框圖如圖1所示，系統整體包括電池組，輔助電源，測控電路，雙向DC-DC變換電路和直流穩壓模塊等幾個主要組成部分?？刂破饕訢SPIC30F2020微控制器為核心。DSPIC30F2020是美國微芯公司生產的一種新型低價格高性能的16位數字信號控制器。該控制器自帶16位分辨率的PWM驅動引腳、12位A/D轉換器模塊和多個外部中斷源，并且具有抗干擾性強的特點。這些特性可以滿足雙向DC/DC變換器控制的精度和速度要求。本控制系統通過電壓檢測和電流檢測將充電電流和放電電壓實時反饋到PIC30F2020微控制器的A/D轉換模塊，系統對輸出的PWM進行調整以適應系統控制精度要求。

圖1 系統整體結構圖

（2）輔助電源電路設計。本系統從直流穩壓電源取電，控制系統需要一路12V的直流電壓驅動上橋壁功率場效應管電路和3.3V的直流電壓為微控制器供電，且需要一路單獨隔離的12V直流電壓驅動下橋臂功率場效應管。本設計采用耐高壓的LM2596-12V進行從取電端（24～36V）到12V電壓的轉變，采用LM2596-5V進行從12V電壓到5V電壓的轉變，LM2596是一種耐高壓的降壓型開關電源芯片，能夠輸出3A的驅動電流，外圍器件簡單，自身功耗極低，簡化了電路的設計。本設計采用隔離升壓模塊B0512LS產生一路隔離的12V直流電源，B0512LS是一種高效率、低功耗的DC/DC隔離電源模塊，可將5V直流電壓轉換成隔離的12V直流電壓，并且可輸出100mA左右的電流，滿足驅動功率場效應管的需求。由于以微控制器為主的電路功耗較小，所以采用線性穩壓電源芯片AMS1117-3.3V將5V直流電源轉換成3.3V直流電源。輔助電源電路如圖2所示。

圖2 輔助電源電路

（3）主拓撲結構電路設計。為滿足電壓雙向變換的要求，主電路拓撲應包括Buck降壓拓撲電路和Boost升壓拓撲基本電路，并且可通過微控制器來控制切換拓撲類型。主拓撲結構電路設計如圖3所示

圖3 主拓撲結構電路

當電路工作在充電模式下，單片機對上面的開關管進行通斷控制，使電路工作于BUCK降壓狀態，外接直流穩壓電源對電池組充電；當電路工作在放電模式下，單片機對下面的開關管進行通斷控制，使電路工作于BOOST升壓狀態，電池組對外接電阻負載供電。該電路運用兩個帶驅動能力的光耦分別驅動上下兩個功率開關管，將微控制器與主拓撲結構電路隔離，對控制器具有保護作用。

（4）系統控制電路設計。本次設計以Microchip公司推出的DSPIC30F2020單片機作為主控芯片,該單片機具有較強的數據計算能力和數據吞吐能力。由于它具有的DSP運算功能，同時具有單片機的體積小和價格低廉的特點，且該單片機系統內置晶振，外圍電路少，運行起來快速穩定。本設計通過外接鍵盤和OLED顯示電路來實現充放電工作模式的切換和輸入輸出電壓電流的顯示，通過采樣電路對輸入輸出電壓電流進行采樣，并通過單片機的A/D轉換功能運用閉環控制策略實現恒流充電和穩壓放電。系統控制電路如圖4所示。

圖4 系統控制電路

2 系統軟件設計

本系統的控制部分是由軟件實現的，軟件主要完成的功能是通過按鍵設定充放電模式。在充電模式下恒流輸出，電流在1～2A范圍內步進可調，并且在電壓超過閾值時過充保護；在放電模式下實現恒流輸出等。

（1）軟件控制思想。為了保證雙向DC/DC變換器的穩定工作，需要對該系統實行反饋控制。本系統在充電模式下采用電流負反饋控制方式，在放電模式下采用電壓負反饋控制方式?？刂品桨溉鐖D5所示，在充電模式下采樣充電電流，在放電模式下采樣放電電壓。

圖5 雙向DC/DC變換器控制框圖

（2）程序控制流程。程序要完成對多個方面的控制，最核心的是對功率場效應管的控制，即控制驅動上下兩個功率場效應管的波形。DSPIC30F2020微控制器內部帶有PWM發生電路，控制時只需給定PWM的占空比即可?？刂颇膫€開關管導通，取決于按鍵設定的充放電模式。微控制器通過采樣電壓和電流，結合PID算法，進行數字PID控制，經微處理器計算的出PWM的占空比值,并且為了減少干擾，軟件采用同步采樣的方法，即在PWM上升沿后2微秒，再去采樣，這樣就可以避免采樣到毛刺，進行錯誤的判斷，導致輸出電壓電流不穩。

控制系統在控制的過程中，還要對鋰電池組的放電電壓和充電電流進行檢測，檢測到故障時，切斷功率場效應管以達到保護鋰電池組和電路的目的完備控制流程圖如圖6所示。

圖6 系統程序流程圖

3 系統測試與結論

為了驗證雙向DC/DC變換器的性能，在完成電路制作和軟件調試后，記錄了本系統的測試數據如表1所示，分別測試了恒流充電和恒壓放電模式下的充電電流和放電電壓以及兩種模式下變換器的轉換效率，并且測試了過充保護功能。

表1 系統性能測試

從表1的系統性能測試數據來看，本設計可以在充電模式下系統可以按照歩進可調的設定電流恒流充電，再放電模式下恒壓輸出。兩種模式下變換器的轉換效率均較高，且該系統具有過充保護的功能，實現了雙向DC/DC變換器的基本性能指標。該數據證明了文章方法的可行性。

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Design of Bidirectional DC/DC Converter Based on DSPIC30F2020

WANG Li-yan1，RUAN Zhi-huang1，XIE Zi-ming2
（1.Hubei University of Science and Technology，Xianning，Hubei 437100，China；2.Hydro Electric Power System Engineering Company，Wuhan，Hubei 430030，China）

Thesystemwhichtakesbidirectionalhalfbridge（twoquadrants）DC/DCcircuitasmaincircuitandDSPIC30F2020 SCM as main controller realizes the features of bidirectional DC/DC converter.The controller is set to charge and discharge mode，output current and output voltage are sampled，using a closed-loop control strategy，combined with PID control algorithm，which makes constant current output through charging mode and constant voltage output through the discharge mode.The results of experiments show that the design has high stability，high accuracy，high efficiency and complete protection.

Bidirectional DC/DC converter;constant current charging；constant voltage output；DSPIC30F2020

TN712

A

2095-980X（2017）02-0060-02

2017-02-03

汪麗燕（1987-），女，湖北咸寧人，碩士，助教，主要研究方向：控制理論研究及應用。