基于STC12C5A60S2的雙向DC-DC變換器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　雙向 DC － DC 變換器（ Bidirectional DC － DC Converter—BDC）是一個(gè) DC － DC 變換器的雙象限運(yùn)行，是在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的情況下，根據(jù)應(yīng)用需要改變電流方向，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的 DC － DC 變換器。它的輸入、輸出電壓極性不變，但輸入、輸出電流的方向可以改變。圖 1 為 BDC 的二端口示意圖，雙向 DC － DC 變換器置于 V1 和 V2 之間，控制其間的能量傳輸。從各種基本的變換拓?fù)鋪?lái)看，可將其看做兩個(gè)單向 DC － DC 變換器反向并聯(lián)連接，通過(guò)改變兩個(gè)單元的工作狀態(tài)調(diào)節(jié)能量的雙向流動(dòng)，因此雙向 DC － DC 變換器在功能上相當(dāng)于兩個(gè)單向 DC － DC變換器。

　　雙向DC_DC 變換器的原理

　　雙向DC_DC變換器是指在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的情況下，能夠根據(jù)需要調(diào)節(jié)能里雙向傳輸?shù)闹绷鞯街绷髯儞Q器，如圖1所示： 雙向DC_DC變換器置于V1和V2 之間，控制其間的能里傳輸，I1和2分別是V1和V2的平均輸入電流。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，可以通過(guò)雙向DC_DC變換器的變換控制，使能里從V1傳輸?shù)絍2，稱為正向工作模式（Forwardmode），此時(shí)I1為負(fù)，而I2為正; 或使能里從V2傳輸?shù)絍1，稱為反向工作模式（Backwardmode），此時(shí)I1為正，而2 為負(fù)。

　　由于電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，使得雙向 DC － DC 變換器的應(yīng)用日益廣泛。尤其是靜態(tài)開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，使雙向 DC － DC 變換器不斷朝著高效化、小型化高性能化的方向發(fā)展。雙向 DC －DC 變換器作為典型的“一機(jī)兩用”設(shè)備，在需要能量雙向流動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合，可以大幅度降低系統(tǒng)的體積、重量及成本，具有高效率、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)勢(shì)，具有重要的研究?jī)r(jià)值。我們以實(shí)際參賽為經(jīng)驗(yàn)，研究并設(shè)計(jì)了基于 STC12C5A60S2 單片機(jī)的雙 DC － DC 變換電路。

　　系統(tǒng)方案論證

　　雙向 DC － DC 模塊的論證與選擇

　　雙向 DC － DC 變換有隔離和非隔離兩種。非隔離型的電路比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，且能滿足低壓、大電流場(chǎng)合應(yīng)用，但是其電壓轉(zhuǎn)換比較低; 相反，隔離型的變換器可以實(shí)現(xiàn)較大大的電壓轉(zhuǎn)換比，且相較于非隔離性安全性高，可應(yīng)用于不同功率場(chǎng)合，但是由于隔離變壓器的漏磁和損耗等易造成效率的降低。本題沒(méi)有要求輸入輸出隔離，且結(jié)合兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，所以選擇非隔離方式。具體有以下幾種方案：

　　（ 1） 方案一： 雙向 Cuk 型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變換器

　　Cuk 型雙向 DC － DC 變換器電路如圖 2 所示，該電路需要兩個(gè)電感將能量經(jīng)過(guò)三次傳遞到負(fù)載，因此對(duì)電容傳輸能量的性能要求高，不適用于大功率場(chǎng)合應(yīng)用，且效率比較低，電路較為復(fù)雜，實(shí)際電路應(yīng)用很少。

　?。?2） 方案二： 半橋型雙向變換器

　　把非隔離的半橋型單向 DC － DC 變換的功率二極管變?yōu)殡p向開關(guān)后即構(gòu)成非隔離的半橋型雙向 DC － DC 變換器，其電路如圖3 所示，這種雙向 DC － DC 變流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，容易實(shí)現(xiàn)單端恒流，開關(guān)管的電壓、電流應(yīng)力小，適合于中小功率的應(yīng)用場(chǎng)合。鑒于上面分析，選用方案二。

　　電流恒定控制模塊的論證與選擇

　?。?1） 方案一： 實(shí)時(shí)檢測(cè) + 控制器實(shí)現(xiàn)

　　通過(guò)電路和控制器對(duì)輸出電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，得到實(shí)時(shí)電流值。如果實(shí)時(shí)電流值大于（ 或小于） 設(shè)定電流值，控制器控制 DC－ DC 使輸出電壓減小（ 或增大） ，直至實(shí)時(shí)電流值等于設(shè)定電流值，由此可將電流控制在設(shè)定電流值附近。此方案控制電路簡(jiǎn)單，但是對(duì)控制器的運(yùn)算量和運(yùn)算精確度提出了較高要求，而且存在控制延時(shí)，效果并不理想。

　?。?2） 方案二： 采用 CMOS 場(chǎng)效應(yīng)管 + 控制器實(shí)現(xiàn)

　　控制器 控 制 雙 向 DC － DC 的 輸 出 電 壓，使 其 逐 步 達(dá) 到 由CMOS 場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的壓控恒流源的臨界值。電路原理圖如圖 4所示。此方案效率最高，但是若場(chǎng)效應(yīng)管經(jīng)常工作于臨界值，會(huì)使輸出電流動(dòng)態(tài)波動(dòng)很大。

　　3） 方案三： 采用 CMOS 場(chǎng)效應(yīng)管 + 硬件電路實(shí)現(xiàn)

　　采用 CMOS 場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成壓控恒流源，硬件電路直接反饋，電路原理如圖 5 所示。此方案使控制器不再參與電流控制，因此極大減少了控制器的運(yùn)算量，提高了電路的可靠性。鑒于上面分析，選用方案三。

　　控制電路模塊的論證與選擇

　　（ 1） 方案一： 采用 ATMEL 公司的 AT89S51 單片機(jī)?？衫闷渫鈬?ADC 以及 DAC 完成系統(tǒng)反饋功能。AT89S51 雖開發(fā)簡(jiǎn)單，初學(xué)者容易上手，但 FLASH 存儲(chǔ)僅 4K 字節(jié)。

　　（ 2） 方案二： 采用 FPGA。FPGA 資源豐富，可實(shí)現(xiàn)靈活的編程控制。但是 FPGA 功耗較大，不適于開發(fā)低功耗電源。

　?。?3） 方案三： 采 用 STC 公 司 的 STC12C5A60S2 單 片 機(jī)，是AT89S51 系列的增強(qiáng)版，處理速度增加 8 － 12 倍，其單片機(jī)內(nèi)部就自帶高達(dá) 60K FLASH ＲOM，因此在性價(jià)比、功耗、難易程度等方面很有優(yōu)勢(shì)。

　　鑒于上面分析，選用方案三。