程控升降壓DC/DC變換器設計

王玉 游志宇

摘? 要： 蓄電池、超級電容等儲能電池在供電過程中，其端電壓會隨著放電的進行逐漸下降，導致用電設備系統(tǒng)效率降低或超出設備供電電壓允許范圍。為避免儲能電池直接供電存在的不足，利用NQ60升降壓變換模塊設計了一個程控升降壓DC/DC變換器，該程控DC/DC變換器可實時檢測輸入和輸出側電壓、電流參數(shù)， 并通過CAN總線設置其輸出電壓及最大輸出電流限值，將儲能電池輸出電壓變換到設備允許的額定電壓范圍內，實現(xiàn)設備的穩(wěn)定供電。通過對DC/DC變換器功率電路、控制單元的詳細分析與設計，實現(xiàn)了該DC/DC變換器。實驗測試結果表明，該DC/DC變換器輸出值可程控設置，輸出效率高。

關鍵詞： 程控; 升降壓; DC/DC變換器; 儲能電池; 浪涌保護; 實驗測試

中圖分類號： TN624?34; TM46? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）04?0029?05

Design of program?controlled buck?boost DC/DC converter

WANG Yu， YOU Zhiyu

（State Ethnic Affairs Commission Key Laboratory of Electronic Information Engineering， Southwest Minzu University， Chengdu 610041， China）

Abstract： During the power supply process of storage battery， ultracapacitor and other energy storage batteries， the terminal voltage can gradually decline with the discharge， which resulting reduce in efficiency of the electrical equipment system or exceeding the allowable range of equipment power supply voltage. A program?controlled buck?boost DC/DC converter is designed with the NQ60 buck?boost converter module to avoid the shortage of direct power supply of the energy storage battery. The program?controlled DC/DC converter can detection voltage and current parameters on the input and output sides of it in real time， set its output voltage and maximum output current limit by means of the CAN bus， and convert the output voltage of the energy storage battery into the rated voltage range of the equipment to realize the stable power supply of the equipment. The program?controlled DC/DC converter is achieved by means of the detailed analysis and design of the DC/DC converter power circuit and control unit. The experimental tests show that the output value of the DC/DC converter can be programmed， and has high output efficiency.

Keywords： program?controlled; buck?boost; DC/DC converter; energy storage battery; surge protection; experimental test

0? 引? 言

隨著能源消耗日益增大、化石能源資源日益枯竭、環(huán)境污染日趨嚴重，開發(fā)和利用清潔、環(huán)保、可再生新能源成為能源發(fā)展的總體方向[1?4]。由于可再生資源存在隨機性和波動性，導致可再生新能源輸出存在波動性[5?6]，不能滿足一般用電設備持續(xù)穩(wěn)定供電的要求。為解決可再生能源的隨機性和波動性，一般與蓄電池、超級電容等儲能電池聯(lián)合使用，組成多能源系統(tǒng)。儲能電池雖解決了可再生新能源的隨機性與波動性，但儲能電池隨著放電的進行，其端電壓會逐漸降低，導致用電設備系統(tǒng)效率降低或超出設備供電電壓允許范圍[7]。為解決儲能電池供電時端電壓不穩(wěn)定的問題，可在儲能電池后連接一個DC/DC變換器[8?10]，使其輸出電壓穩(wěn)定在用電設備額定電壓范圍內，以滿足用電設備對供電電壓的要求。

本文采用SynQor公司的NQ60非隔離Buck?Boost模塊，設計一個基于CAN總線的程控升降壓DC/DC變換器，對儲能電池輸出電壓進行變換，以滿足不同用電設備對供電電壓的要求[11]。采用C8051F單片機設計控制單元，通過CAN通信接口對DC/DC變換器進行程控，實現(xiàn)輸出設置。通過對DC/DC變換器功率變換電路、控制單元的詳細設計，最終實現(xiàn)了該DC/DC變換器。經(jīng)實驗測試表明，所設計的變換器輸出值可程控設置，變換效率高，控制性能優(yōu)越，具有較強的應用價值。

1? 系統(tǒng)方案設計

1.1? 設計目標與思路

儲能電池在充滿電時其端電壓高于額定電壓，隨著放電的進行，其端電壓不斷下降，將導致無法滿足用電設備對供電電壓的要求或使用電設備效率降低。為實現(xiàn)儲能電池與用電設備的匹配，本文設計一個基于CAN總線的程控單向升降壓DC/DC變換器，輸入電壓范圍為10～60 V，輸出電壓范圍為0～60 V可調，最大輸入或輸出電流為80 A，輸出電壓和最大輸出電流限值可實時在線設置。

根據(jù)設計目標，為快速實現(xiàn)DC/DC變換器，采用性能參數(shù)符合要求的DC/DC變換模塊進行功率電路設計，并用微處理器設計其控制單元。NQ60非隔離Buck?Boost模塊輸入電壓范圍為9～60 V，輸出電壓范圍為0～60 V可調，最大輸入或輸出電流為40 A。輸入/輸出電壓參數(shù)符合設計要求，但其最大電流不滿足設計要求。由于NQ60具備均流控制端，可以并聯(lián)使用，故可采用2個NQ60并聯(lián)，使其輸入或輸出電流達80 A。因此本文根據(jù)設計需要采用2個NQ60并聯(lián)的方式來實現(xiàn)DC/DC變換器功率變換電路。

為了實現(xiàn)NQ60輸出電壓、電流限值在線程控，需設計控制單元，實時通過CAN總線接收設置參數(shù)，設置NQ60的輸出電壓、電流限值端口設置電壓，以實現(xiàn)DC/DC變換器實時在線調整輸出電壓、電流限值。鑒于此，既具備模擬輸出通道，又具備CAN通信協(xié)議控制器的微控制器中，C8051F040微控制器便是其中之一，本文采用該微控制器進行控制單元設計，以實現(xiàn)DC/DC變換器的控制及狀態(tài)采集。

1.2? 方案設計

NQ60具備電壓設置Vset、電流設置Iset、使能控制ON/OFF、均流控制Ishare、同步控制Syncin、電壓傳感參考正Vsense+、電壓傳感參考負Vsense?、輸入Vin+、輸入Vin-、輸出Vout+及輸出Vout-等端口，要控制NQ60的工作，需要對NQ60有關控制端口進行控制，從而實現(xiàn)對輸出的控制。本文采用2個NQ60模塊并聯(lián)，實現(xiàn)80 A的輸入或輸出電流，并聯(lián)框圖如圖1所示。

為實現(xiàn)對功率變換電路的控制，利用C8051F040微控制器設計了DC/DC變換器的控制單元，可檢測DC/DC變換器輸入、輸出等運行狀態(tài)參數(shù)，控制變換器按照期望的輸出電壓、電流參數(shù)運行?？刂茊卧δ芸驁D如圖2所示。

電壓設置Vset、電流設置Iset用于設置模塊期望的輸出電壓值及輸出電流限值，采用模擬電壓進行控制，其控制電壓與輸出值的對應關系為：

[VVset=2.366-2.316×VsetVmaxVIset=0.095 3+2.085×IsetImax] （1）

式中：Vset為DC/DC變換器期望的輸出電壓值;Vmax為DC/DC變換器最大輸出電壓值，默認為60 V;Iset為DC/DC變換器期望的輸出電流限值;Imax為DC/DC變換器最大輸出電流值，默認為40 A;[VVset]為期望輸出電壓對應的控制電壓;[VIset]為期望輸出電流限值對應的控制電壓。由式（1）可知，[VVset]的控制電壓范圍為0.05～2.366 V，[VIset]的控制電壓范圍為0.095 3～2.180 3 V。

微控制器C8051F040是增強型51單片機[10]，內部集成了12位多通道ADC、2個12位DAC、電壓基準及CAN控制器等功能單元件。集成ADC可采集DC/DC變換器輸入/輸出電壓、電流值;集成DAC可輸出Vset，Iset控制電壓，控制NQ60 模塊輸出電壓及輸出電流限值;集成CAN控制器可用于實現(xiàn)CAN通信，接收外部控制參數(shù)指令，設置DC/DC變換器輸出參數(shù)值，輸出DC/DC變換器狀態(tài)參數(shù)，為外部控制提供參考數(shù)據(jù);I/O端口可用于控制NQ60模塊的ON/OFF及浪涌保護電路的投切;供電單元取自DC/DC變換器的輸入端，經(jīng)過變換后給控制單元供電。

2? 系統(tǒng)硬件設計

2.1? 功率變換電路設計

根據(jù)設計要求及圖1所示功率結構框圖，設計的DC/DC變換器功率電路原理圖見圖3。DC/DC變換器輸入、輸出帶有大容量電解電容，在上電瞬間會存在較大的充電電流，為防止瞬間電流過大對電容造成沖擊，功率電路利用R1及LS1構成浪涌保護電路。在上電時繼電器LS1處于斷開狀態(tài)，電流通過R1對輸入、輸出電容充電，充電電流通過電阻R1進行限流。當控制單元檢測到輸入電壓大于某一閾值時，則輸出控制信號SPctr，閉合繼電器LS1，使電阻R1短路，切除浪涌保護電阻。

功率變換電路設計了輸入/輸出電壓、輸入/輸出電流檢測電路，以實現(xiàn)DC/DC變換器輸入、輸出參數(shù)檢測。電阻R8～R10，R11～R13分別構成輸入、輸出側分壓電路，將輸入電壓、輸出電壓變換成C8051F040微控制器ADC可接收的電壓值[AVin]，[AVout]，再采用電壓跟隨電路對[AVin]，[AVout]進行處理后與控制單元的ADC連接;輸入輸出電流分別由U3，U4霍爾傳感器ACS758PFF進行采樣，將電流值轉變成對應的電壓值[IVin]，[IVout]，再與控制單元的ADC連接，在控制程序中轉換成對應的輸入輸出電流值;控制單元輸出的控制信號[Vset]，[Iset]也經(jīng)電壓跟隨電路后與功率電路的[AVset]，[AIset]連接，對NQ60輸出控制。

2.2? 控制單元電路設計

控制單元主要實現(xiàn)對功率變換電路的控制、輸入/輸出參數(shù)采集，包括主控器電路、模擬信號采樣電路、變換器輸出設置驅動電路、供電單元電路、開關控制驅動電路、CAN通信接口電路等幾部分。主控器電路即為C8051F的最小系統(tǒng)，包括時鐘電路、復位電路、編程接口等，按照芯片應用手冊設計即可;模擬信號采樣電路主要對輸入/輸出電壓、輸入/輸出電流進行采樣，由于在功率變換電路中已經(jīng)對需要采集的模擬信號進行了調理，故可直接與ADC通道連接;控制單元輸出的設置信號[VVset]，[VIset]電壓范圍為0～2.4 V，微控制器集成2個DAC通道，采用自帶的2.4 V電壓基準，其輸出電壓范圍為0～2.4 V，完全滿足[VVset]，[VIset]控制電壓的要求，故可直接DAC輸出，經(jīng)電壓跟隨處理后與NQ60模塊的Vset，Iset相連接即可。

1） 供電單元電路設計。DC/DC變換器工作時，需先啟動DC/DC控制單元，由控制單元設置功率轉換模塊NQ60的工作參數(shù)后才能啟動工作。工作時DC/DC變換器輸入端接有電源，可用于DC/DC控制單元供電。供電單元利用金升陽的寬電壓降壓模塊URBYMD20W將DC/DC變換器輸入電壓變換成12 V，一方面給變換器散熱風扇供電，另一方面再經(jīng)低壓變換器變換成5 V，給霍爾傳感器供電，5 V再經(jīng)AS1117?3.3 V變換成3.3 V，對微控制器及相關電路供電。

2） 開關控制驅動電路設計?？刂茊卧敵鲩_關控制信號控制浪涌保護繼電器及NQ60模塊的ON/OFF，為提高控制單元抗干擾及驅動能力，輸出開關信號采用光耦隔離輸出。LS1繼電器為12 V繼電器，采用G3VM光耦隔離繼電器進行驅動。 ON/OFF為TTL電平，采用PC817光耦驅動。設計的電路原理圖如圖4所示。

3） CAN通信接口電路設計。微控制器C8051F040集成了CAN控制器，但需外接收發(fā)器才能實現(xiàn)CAN通信，其電路原理圖如圖5所示[12]。采用SN65HVD230收發(fā)器，該收發(fā)器通信速率快，抗干擾能力強，可靠性高。

3? 系統(tǒng)軟件設計

程控升降壓DC/DC變換器通過CAN總線接收控制參數(shù)及命令，控制變換器對儲能電池端電壓進行變換，輸出控制參數(shù)期望的電壓值，并實時上傳DC/DC變換器運行狀態(tài)參數(shù)，設計的控制程序流程圖如圖6所示。

DC/DC變換器上電后，控制單元自啟動，初始化控制器各硬件功能單元，進入待機狀態(tài)。隨后采集DC/DC輸入端電壓參數(shù)，進行浪涌保護控制。在上電結束后先查詢CAN總線傳來的控制參數(shù)及命令，根據(jù)控制命令執(zhí)行相應操作，同時采集DC/DC變換器的輸入/輸出狀態(tài)參數(shù)，并實時通過CAN總線輸出狀態(tài)參數(shù)，并設置DC/DC狀態(tài)。

4? DC/DC變換器測試

根據(jù)設計目標，對DC/DC變換器功率變換電路、控制單元硬件進行了詳細設計，最后實現(xiàn)了程控升降壓DC/DC變換器。實現(xiàn)的程控升降壓DC/DC變換器樣機如圖7所示。

為便于對程控升降壓DC/DC變換器樣機進行測試，利用計算機、USB CAN轉換器、直流電源、電子負載，構建了測試平臺。利用計算機與USB CAN轉換器，根據(jù)程控DC/DC變換器CAN通信協(xié)議編寫上位機控制程序，模擬遠程控制端。對升降壓DC/DC變換器的啟動、停止、輸出電壓設置、最大電流限制設置等功能進行測試，測試響應曲線如圖8a）所示。測試時蓄電池端電壓約為33.5 V，電子負載采用恒流模式抽取功率，抽取電流為41.5 A。當發(fā)送啟動、停止控制指令時，變換器立即啟動或停止，響應速度快;當發(fā)送輸出調整指令后，變換器輸出立即改變，且輸出電壓精度高。測試時將DC/DC變換器輸出電壓值依次按照48 V—45 V—40 V—48 V進行設置，其輸出響應曲線如圖8a）中輸出電壓曲線所示，且蓄電池輸入電流在輸出電壓改變時也發(fā)生相應的變化。遠程控制程序通過CAN總線實時獲取DC/DC變換器輸入端、輸出端的電壓、電流數(shù)據(jù)，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)繪制出響應曲線。實驗測試表明設計的程控升降壓DC/DC變換器程控性能良好，輸出達到設計目標。

為測試程控DC/DC變換器的變換效率，利用直流電源代替測試平臺中的儲能電池，對設計的程控升降壓DC/DC變換器效率進行測試，測試結果如圖8b）所示。當直流電源輸出功率為2 130.891 W時，DC/DC變換器輸出功率為2 010.9 W，變換器效率為94.37%，該效率包含DC/DC變換器損耗及散熱風扇功率。DC/DC變換器選擇的散熱風扇功率為15 W，若不計算散熱風扇功率，則DC/DC變換器的轉換效率為95.1%。從圖8看出，在變換器輸出功率較輕時，效率稍微偏低;在功率達到800 W后，其效率基本保持在94%左右，變換效率較高。

5? 結? 語

本文利用NQ60升降壓變換模塊，設計了一個輸出電壓為0～60 V可調、最大輸入或輸出電流為80 A的程控升降壓DC/DC變換器，實現(xiàn)對儲能電池輸出電壓的變換，以滿足用電設備對供電電壓的要求。實驗測試結果表明，設計的程控升降壓DC/DC變換器程控效果好，轉換效率高，能在較大電壓范圍內實現(xiàn)變換。

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