实例介绍
【实例简介】
本系统主要由 BUCK 降压模块、BOOST 升压模块、测控模块、辅助电源模块 组成。其中BUCK 降压模块和BOOST 升压模块的驱动选用具有波形互补的可编程 芯片IR2104、电流采样选用TI 公司专用高边电流采样芯片INA282；测控模块采 用低功耗单片机STM32 对输出电压、输出电流实现闭环PI 控制。 系统可以实现：在充电模式下，充电电流在 1～2A范围内步进可调且步进值 为 0.05A，电流控制精度 1.30%左右；充电电流变换率为 0.87%；充电效率可达 到 97.11%，具有测量、显示充电电流以及过充保护功能。在放电模式下，放电 效率可达到96.54%且电压能保持在 30V
目录 第一章绪论 1.1课题背景 ·*······*···*·····*···‘ 1.2双向DC-D变换器的研究意义 112 1.3国内外研究和应用现状 1.4论文主要的研究内容. 第二章双向DG-DG变换器拓扑结构的硏究. 3466 2.1双向DC-DG变换器的基本原理与类型 2.2双向DC-DG变换器的电路拓扑 2.3双向DCDC变换器方案的设计 10 第三章双向DC-DC变换器硬件电路分析及参数设计. 3.1双向DG-DG变换器的硬件电路分析.… 12 3.2BUCK-B00sT电路器件的选择及参数设计 3.3电流采样电路分析及参数设计 17 3.4 MOSFET管驱动电路设计 18 3.5辅助电源设计. 19 第四章双向DG-DG变换器的软件设计 4.1软件设计方法 21 4.2主函数程序设计 4.3按键模式的识别 .22 4.4恒流恒压模式的设计…… 第五章双向DG-DG变换器调试、实验结果与分析 25 5.1测试仪器 ∴25 5.2测试方法 25 5.3测试实验数据 5.4测试结果分析… 27 第六章总结与展望 6.1总结 28 6.2展望. 28 [参考文献] 附录(一):项目课题获奖情况及总体实物图 ….31 附录1.1项目课题获奖情况 31 附录1.2双向D-DC变换器的总体实物图 ,34 附录(二)程序清单….. 35 第一章绪论 1.1课题背景 航天器由若下分系统组成,分为有效载荷和航天器平台两大类。有效载荷主 要是直接执行特殊的航天任务,而航天器平台主要由航天器结构和服务与支持系 统构成。服务与支持系统主要包括电源裝置、姿态控制裝置、轨道控制装置、无 线电测控装置、数据保管等等。因此,电源分系统是极其重要的,它是航大器所 有能源供给装置。若电源部分工作不止常,则整体就将失去作用,变为毫无用处, 电源重量占航天器重量的15%~25%。分为化学电源、太阳电池电源和核电源三 类。日前世界上90%以上的航天器都采用太阳能电池阵构成的光伏电源发电系 统。主功率供电回路的额定电压(母线电压)三个等级: (1)低压—28V,适用功率等级:1200W (2)中压——42或50V,适用功率等级:200水平 (3)高压—100V或以上,适用功率等级:4000V水平。 载人飞船氿道运行高度为300~400Km,轨道周期约为9lmin,其中轨道最 长,阴影吋间37min,最短光照时间54min。飞船屯源分系统组成部分如表1所 表1飞船电源分系统组成 电源名称 电源类型 配置舱段 用途 备注 太阳电池阵-镉镍 待发段、发射段、自主 主电源 推进舱 蓄电池系统 运行段向整船供电 有留轨仁务需要时,飞 留轨电源太阳电池镉都轨道舱留轨使用期间 船配置留轨电源,否 电池系统 不配置 返回/着陆 返回、着陆、等待期旧 锌银蓄电池组返回舱 电源 供电 补充峰值功率、应急飞 应急电源锌银蓄电池组推进舱 行供电 目前,我国的航天电源部分调节器主要依赖于从欧洲等国家进口,需要耗费 巨资,对我国载人航天的航天器产生极其不利的影响。因此,具有自主知识产权 的电源部分调节器的研制,具有很重要的意义和深远的影响 1.2双向DDG变换器的研究意义 在传统的太阳能电池阵构成的光伏电源发电系统,传统的蓄电池充、放电模 块很难保证太阳能阵在太阳光线充足时产生多余的能量不会导致航天器的过热 以及储能装置蓄电池组的过允电,而且功率密度点较大,成木高,系统结构相对 复杂。 太阳能光伏电源发电系统是将太阳能转换成电能的发电系统,它的主要部件 是由太阳能电池组、太阳能控制器、储能装置蓄电池(组)和太阳跟踪控制系统 组成。其特点是高可靠性、寿命长以及对环境不产生污染、能独立进行发电且并 网运行,受到世界各国电网公司的喜欢,发展前景十分广阔。 太阳电池的发电功率通过“分流调节”全部变换为母线功率,一部分直接给 负毂供电,另一部分则通过“充电调节”变换为充电功率为储能装置蓄电池组充 电;蓄电池组功率通过“放电调节”变换为母线功率。对太阳电池发电功率的使 用优先级依次为供电、充电、分流。充电功率可以视作母线的可调负载。太阳能 电池光伏电源发电系统工作原理如图1所示。 正丹线 充电控制 放电调节 负载 太阳能电池 太阳能电池 分流控制 蓄电池组 充电阼 供电阵 负母线 图1光伏电源发电系统工作原理 双向DC-DC转换器是连接正负母线电压与储能系统(如储能装置蓄电池组)的关 键,所以使转换器的效率变髙极其重要。本文提出了一种降低功耗,提高整机效 率的方案,使得对双问DCDC转换器的探讨变得更加具有意义。 1.3国内外研究和应用现状 20世纪后期,太阳能电池阵-储能装置蓄电池组构成的光伏电源发电系统的 休积和重量庞大,著名外国学者提出了一种基于BCK/B0OST双向DCDC直流转 换器来代替原有光伏电源发电系统的允电、放电模块,从而实现电压的稳定 20世纪90年代,中国工程院院士陈清泉教授将基于BUCK/ BOOST双向DC-DC 变换器在电动车领域使用,同年,外国专家研制了用大功率的水冷式DC-DC变换 器即基于BUCK/ BOOST双向DC-DC直流转换器来驱动电动车,由于基于 BUCK/BO0ST双向DC-DC变换器的输入输出电压的忙负极相反,不适合在电动车 上应用,因此,他提出了一种基于BUCK-BO0ST级联型的双向DC-DC变换器,变 换器的电源输入端与电压输出端的负端共用。经过4年时间,美国著名大学- 弗吉尼亚大学教授李泽元开始研究在燃料电池上双向DC-DC变换器的配套应用。 由此可见,用于载人航天的航天器电源和电动车辆的技术更新对双向DC-DC变换 器的发展具有巨大的推动作用,随着开关直流变换器技术即脉宽调制技术的实 现,给双向DCDC变换器的发展带来了曙光。 1994年,有一位著名的澳大利亚学者发表论文,总结出几种非隔离型双向 DC-DC变换器拓扑结构,主要是在CM0S开关管上反向并联具有快速、低功耗的 二极管,且在二极管上反并联CMOS开关管,从而构成非隔离方式的双向DC-DC 变换器种类有:BUCK-B0OST变换器、BUCK/B0OST变换器、CUK变换器和 SEPI-ZETA变换器 2004年,由我国学者张方华博士对推挽正激移相式、级联式、正反激组合 式双向DC-DC直流变换器做了深入的研究。提出∫很多新型的应川电路,研究∫ 其控制模型,采用PI补偿环节的单电压闭环实现了系统闭环稳定。 双向DC-DC变换器的硏究是近年来开关电源技术研宄的一个热门话题。2006 年梁永春博士探讨了由反激式并联输入、串联输出构成的反激逆变器,提出了 种同步整流的控制方案,极大地简化了髙频链逆变器的控制,使得整流二极管的 导通损耗大幅度降低,整个电源系统的效率提高到85.8%。 1.4论文主要的研究内容 要求:设计一种双向DC-DC变换器,实现电池组的充电、放电功能。系统 结构如图2所示,电池组由5节18650型、容量2000~3000mAh的锂离子电池串 联组成。所用电阻阻值误差的绝对值不大于5% 辅助电源 测控电路 3 B S1 Rs-5Q2 电 双向DCDC 池 变换电路 组 RL=302 直流稳压电源 图2电池储能装置结构框图 1.基本要求 接通S、S3,断开S2,将装詈设定为充电模式 (1)U2=30V条件下,实现对电池恒流充电。保障充电时电流l在1~2A 范围内能够步进可调,步进值应≤0.1A,电流的控制精度≥5%。 (2)设定1=2A,调整直流稳压屯源输出电压,使U2在2436V范围内变 化时,要求充电电流I的变化率不大于1% (3)设定l1=2A,在U2=30V条件下,变换器的效率n1≥90% (4)测量并显示充电电流,在I-1~2A范围内测量精度不低于2 (5)具有过充保护功能:设定l1=2A,当U1超过阈值U=24±0.5V时, 停止充电。 2.发挥部分 (1)断开S1、接通S2,将装置设定为放电模式,保持U2=30±0.5V,此时 变换器效率n2≥95% (2)接通S1、S2’断开S3’调整直流稳压电源输出电压,使直流电源电 4 压U在32~38V范围内变化时,双向DC-DC变换器能够自动切换工作模式即可 自动切换充放电模式并保持输出电压U2=30±0.5V。 (3)在满足要求的前提下简化结构、减轻重量,使双向DC-DC变换器、测 控电烙与辅助电澒三部分的总重量不大于500g。 (4)其他 第二章双向Dc-D变换器拓扑结构的研究 2.1双向DCDc变换器的基本原理与类型 2.1.1双向DC-DG变换器的基本原理 双向DC-DC变换器是把育流电压转换成另一个数值的电压,它是由软件控制 导通的CW0S开关管、储能电感、续流二极管、具有滤波作用的电容、负毂等构 成的,通过具有滤波功能的负载电路和直流电压时而使开关管时而接通或者时而 关断,仗得另一端即负载上得到另一个直流电压 2.1.2D0DG变换器的类型 目前,国内外将双向DCDC变换器的拓扑结构主要划分为非隔离式和隔离 式两大类。 非隔离型拓扑的主要有:BUCK降压式、 BOOST升压式、BUCK- BOOST升降压 型等拓扑。非隔离型拓扑如图3所示。 隔离型拓扑的主要有:止激、反激、推挽、半桥、全桥型变换器 (1)隔离型变换 D YYY C D (a)BUCK变换器拓扑 (b) BOOST变换器拓扑 D L (c)BUCK- BOOST变换器拓扑 图3非隔离型变换器拓扑 以最基木的BUCK降压式变换器和BO0ST升压式变换器为例,介绍其工作原理。 BUCK降压式变换器:当CMOS开关管Q接通时,电源Vin通过电感L给电容C充 电;当开关管断开时,电感L通过快速、低功耗二极管D续流,电压逐渐降低。 此时,电容上的电流由正逐渐降为零,最后变成负向,进而使开关管又一次导通, 使得电感上电流增加。其储能电感L上电流波形如下图4所示 t Imar 1-min (a)BUCK电感电流连续时波形 (b)BUCK电感电流断续时波形 图4BUCK电感电流波形 BO0ST升压式变换器:当开关管Q导通吋,电源向电感L储能,电感L电流增加, 负载由电容C供电;当开关管Q关断时,电感电流减小,电感电势与输入电压叠 加,迫使二极管D导通,一起向负载供电,并同时向电容C充电。其电感电流波 形如图5所小 7 【实例截图】
【核心代码】
本系统主要由 BUCK 降压模块、BOOST 升压模块、测控模块、辅助电源模块 组成。其中BUCK 降压模块和BOOST 升压模块的驱动选用具有波形互补的可编程 芯片IR2104、电流采样选用TI 公司专用高边电流采样芯片INA282；测控模块采 用低功耗单片机STM32 对输出电压、输出电流实现闭环PI 控制。 系统可以实现：在充电模式下，充电电流在 1～2A范围内步进可调且步进值 为 0.05A，电流控制精度 1.30%左右；充电电流变换率为 0.87%；充电效率可达 到 97.11%，具有测量、显示充电电流以及过充保护功能。在放电模式下，放电 效率可达到96.54%且电压能保持在 30V
目录 第一章绪论 1.1课题背景 ·*······*···*·····*···‘ 1.2双向DC-D变换器的研究意义 112 1.3国内外研究和应用现状 1.4论文主要的研究内容. 第二章双向DG-DG变换器拓扑结构的硏究. 3466 2.1双向DC-DG变换器的基本原理与类型 2.2双向DC-DG变换器的电路拓扑 2.3双向DCDC变换器方案的设计 10 第三章双向DC-DC变换器硬件电路分析及参数设计. 3.1双向DG-DG变换器的硬件电路分析.… 12 3.2BUCK-B00sT电路器件的选择及参数设计 3.3电流采样电路分析及参数设计 17 3.4 MOSFET管驱动电路设计 18 3.5辅助电源设计. 19 第四章双向DG-DG变换器的软件设计 4.1软件设计方法 21 4.2主函数程序设计 4.3按键模式的识别 .22 4.4恒流恒压模式的设计…… 第五章双向DG-DG变换器调试、实验结果与分析 25 5.1测试仪器 ∴25 5.2测试方法 25 5.3测试实验数据 5.4测试结果分析… 27 第六章总结与展望 6.1总结 28 6.2展望. 28 [参考文献] 附录(一):项目课题获奖情况及总体实物图 ….31 附录1.1项目课题获奖情况 31 附录1.2双向D-DC变换器的总体实物图 ,34 附录(二)程序清单….. 35 第一章绪论 1.1课题背景 航天器由若下分系统组成,分为有效载荷和航天器平台两大类。有效载荷主 要是直接执行特殊的航天任务,而航天器平台主要由航天器结构和服务与支持系 统构成。服务与支持系统主要包括电源裝置、姿态控制裝置、轨道控制装置、无 线电测控装置、数据保管等等。因此,电源分系统是极其重要的,它是航大器所 有能源供给装置。若电源部分工作不止常,则整体就将失去作用,变为毫无用处, 电源重量占航天器重量的15%~25%。分为化学电源、太阳电池电源和核电源三 类。日前世界上90%以上的航天器都采用太阳能电池阵构成的光伏电源发电系 统。主功率供电回路的额定电压(母线电压)三个等级: (1)低压—28V,适用功率等级:1200W (2)中压——42或50V,适用功率等级:200水平 (3)高压—100V或以上,适用功率等级:4000V水平。 载人飞船氿道运行高度为300~400Km,轨道周期约为9lmin,其中轨道最 长,阴影吋间37min,最短光照时间54min。飞船屯源分系统组成部分如表1所 表1飞船电源分系统组成 电源名称 电源类型 配置舱段 用途 备注 太阳电池阵-镉镍 待发段、发射段、自主 主电源 推进舱 蓄电池系统 运行段向整船供电 有留轨仁务需要时,飞 留轨电源太阳电池镉都轨道舱留轨使用期间 船配置留轨电源,否 电池系统 不配置 返回/着陆 返回、着陆、等待期旧 锌银蓄电池组返回舱 电源 供电 补充峰值功率、应急飞 应急电源锌银蓄电池组推进舱 行供电 目前,我国的航天电源部分调节器主要依赖于从欧洲等国家进口,需要耗费 巨资,对我国载人航天的航天器产生极其不利的影响。因此,具有自主知识产权 的电源部分调节器的研制,具有很重要的意义和深远的影响 1.2双向DDG变换器的研究意义 在传统的太阳能电池阵构成的光伏电源发电系统,传统的蓄电池充、放电模 块很难保证太阳能阵在太阳光线充足时产生多余的能量不会导致航天器的过热 以及储能装置蓄电池组的过允电,而且功率密度点较大,成木高,系统结构相对 复杂。 太阳能光伏电源发电系统是将太阳能转换成电能的发电系统,它的主要部件 是由太阳能电池组、太阳能控制器、储能装置蓄电池(组)和太阳跟踪控制系统 组成。其特点是高可靠性、寿命长以及对环境不产生污染、能独立进行发电且并 网运行,受到世界各国电网公司的喜欢,发展前景十分广阔。 太阳电池的发电功率通过“分流调节”全部变换为母线功率,一部分直接给 负毂供电,另一部分则通过“充电调节”变换为充电功率为储能装置蓄电池组充 电;蓄电池组功率通过“放电调节”变换为母线功率。对太阳电池发电功率的使 用优先级依次为供电、充电、分流。充电功率可以视作母线的可调负载。太阳能 电池光伏电源发电系统工作原理如图1所示。 正丹线 充电控制 放电调节 负载 太阳能电池 太阳能电池 分流控制 蓄电池组 充电阼 供电阵 负母线 图1光伏电源发电系统工作原理 双向DC-DC转换器是连接正负母线电压与储能系统(如储能装置蓄电池组)的关 键,所以使转换器的效率变髙极其重要。本文提出了一种降低功耗,提高整机效 率的方案,使得对双问DCDC转换器的探讨变得更加具有意义。 1.3国内外研究和应用现状 20世纪后期,太阳能电池阵-储能装置蓄电池组构成的光伏电源发电系统的 休积和重量庞大,著名外国学者提出了一种基于BCK/B0OST双向DCDC直流转 换器来代替原有光伏电源发电系统的允电、放电模块,从而实现电压的稳定 20世纪90年代,中国工程院院士陈清泉教授将基于BUCK/ BOOST双向DC-DC 变换器在电动车领域使用,同年,外国专家研制了用大功率的水冷式DC-DC变换 器即基于BUCK/ BOOST双向DC-DC直流转换器来驱动电动车,由于基于 BUCK/BO0ST双向DC-DC变换器的输入输出电压的忙负极相反,不适合在电动车 上应用,因此,他提出了一种基于BUCK-BO0ST级联型的双向DC-DC变换器,变 换器的电源输入端与电压输出端的负端共用。经过4年时间,美国著名大学- 弗吉尼亚大学教授李泽元开始研究在燃料电池上双向DC-DC变换器的配套应用。 由此可见,用于载人航天的航天器电源和电动车辆的技术更新对双向DC-DC变换 器的发展具有巨大的推动作用,随着开关直流变换器技术即脉宽调制技术的实 现,给双向DCDC变换器的发展带来了曙光。 1994年,有一位著名的澳大利亚学者发表论文,总结出几种非隔离型双向 DC-DC变换器拓扑结构,主要是在CM0S开关管上反向并联具有快速、低功耗的 二极管,且在二极管上反并联CMOS开关管,从而构成非隔离方式的双向DC-DC 变换器种类有:BUCK-B0OST变换器、BUCK/B0OST变换器、CUK变换器和 SEPI-ZETA变换器 2004年,由我国学者张方华博士对推挽正激移相式、级联式、正反激组合 式双向DC-DC直流变换器做了深入的研究。提出∫很多新型的应川电路,研究∫ 其控制模型,采用PI补偿环节的单电压闭环实现了系统闭环稳定。 双向DC-DC变换器的硏究是近年来开关电源技术研宄的一个热门话题。2006 年梁永春博士探讨了由反激式并联输入、串联输出构成的反激逆变器,提出了 种同步整流的控制方案,极大地简化了髙频链逆变器的控制,使得整流二极管的 导通损耗大幅度降低,整个电源系统的效率提高到85.8%。 1.4论文主要的研究内容 要求:设计一种双向DC-DC变换器,实现电池组的充电、放电功能。系统 结构如图2所示,电池组由5节18650型、容量2000~3000mAh的锂离子电池串 联组成。所用电阻阻值误差的绝对值不大于5% 辅助电源 测控电路 3 B S1 Rs-5Q2 电 双向DCDC 池 变换电路 组 RL=302 直流稳压电源 图2电池储能装置结构框图 1.基本要求 接通S、S3,断开S2,将装詈设定为充电模式 (1)U2=30V条件下,实现对电池恒流充电。保障充电时电流l在1~2A 范围内能够步进可调,步进值应≤0.1A,电流的控制精度≥5%。 (2)设定1=2A,调整直流稳压屯源输出电压,使U2在2436V范围内变 化时,要求充电电流I的变化率不大于1% (3)设定l1=2A,在U2=30V条件下,变换器的效率n1≥90% (4)测量并显示充电电流,在I-1~2A范围内测量精度不低于2 (5)具有过充保护功能:设定l1=2A,当U1超过阈值U=24±0.5V时, 停止充电。 2.发挥部分 (1)断开S1、接通S2,将装置设定为放电模式,保持U2=30±0.5V,此时 变换器效率n2≥95% (2)接通S1、S2’断开S3’调整直流稳压电源输出电压,使直流电源电 4 压U在32~38V范围内变化时,双向DC-DC变换器能够自动切换工作模式即可 自动切换充放电模式并保持输出电压U2=30±0.5V。 (3)在满足要求的前提下简化结构、减轻重量,使双向DC-DC变换器、测 控电烙与辅助电澒三部分的总重量不大于500g。 (4)其他 第二章双向Dc-D变换器拓扑结构的研究 2.1双向DCDc变换器的基本原理与类型 2.1.1双向DC-DG变换器的基本原理 双向DC-DC变换器是把育流电压转换成另一个数值的电压,它是由软件控制 导通的CW0S开关管、储能电感、续流二极管、具有滤波作用的电容、负毂等构 成的,通过具有滤波功能的负载电路和直流电压时而使开关管时而接通或者时而 关断,仗得另一端即负载上得到另一个直流电压 2.1.2D0DG变换器的类型 目前,国内外将双向DCDC变换器的拓扑结构主要划分为非隔离式和隔离 式两大类。 非隔离型拓扑的主要有:BUCK降压式、 BOOST升压式、BUCK- BOOST升降压 型等拓扑。非隔离型拓扑如图3所示。 隔离型拓扑的主要有:止激、反激、推挽、半桥、全桥型变换器 (1)隔离型变换 D YYY C D (a)BUCK变换器拓扑 (b) BOOST变换器拓扑 D L (c)BUCK- BOOST变换器拓扑 图3非隔离型变换器拓扑 以最基木的BUCK降压式变换器和BO0ST升压式变换器为例,介绍其工作原理。 BUCK降压式变换器:当CMOS开关管Q接通时,电源Vin通过电感L给电容C充 电;当开关管断开时,电感L通过快速、低功耗二极管D续流,电压逐渐降低。 此时,电容上的电流由正逐渐降为零,最后变成负向,进而使开关管又一次导通, 使得电感上电流增加。其储能电感L上电流波形如下图4所示 t Imar 1-min (a)BUCK电感电流连续时波形 (b)BUCK电感电流断续时波形 图4BUCK电感电流波形 BO0ST升压式变换器:当开关管Q导通吋,电源向电感L储能,电感L电流增加, 负载由电容C供电;当开关管Q关断时,电感电流减小,电感电势与输入电压叠 加,迫使二极管D导通,一起向负载供电,并同时向电容C充电。其电感电流波 形如图5所小 7 【实例截图】
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