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首页基于同步整流的高效双向DC/DC变换器设计与性能优化
双向DC/DC变换器是一种创新的电力管理系统,其核心是同步整流电路,这种电路设计巧妙地利用了Buck和Boost电路的拓扑对偶性,允许电能双向流动。同步整流技术的应用使得变换器能在充电和放电两种工作状态下实现自适应换流,提高了系统的灵活性。 设计中,采用了高性能的msp430单片机作为主控制器,它负责生成脉宽调制(PWM)信号,通过IR2110驱动器精确控制MOS管,实现了闭环数字PI控制。这确保了电路能够实现恒流和恒压控制,即使在输入电压和充电电流范围广泛变化的情况下,也能保持良好的电流调整率和高精度电流控制,步进调整量可达10mA。在放电模式下,电路表现出优良的电压调整性能。 此外,设计中的系统具备精细的充电电流测量功能,测量精度高达1mA,显示了高效能的电能转换特性。在充电模式下,效率可达到94%,而在放电模式下,效率更是提升至97%,这对于能源管理来说是非常关键的数据。同时,系统还能实时监控蓄电池的荷电状态(SOC),并将数据直观地显示出来,有利于电池管理。 在电路设计上,研究者对比了三种可能的方案:双-单向DC/DC变换器、带隔离变压器的双向全桥DC/DC变换器以及采用同步整流的方案。最终,选择了同步整流为核心的方案,因为它具有更高的效率、更小的体积、更好的动态性能和更低的成本。测控电路部分,采用MSP430单片机配合电阻分压法进行电流和电压的检测,进一步提升了系统的精确度和控制能力。 这个双向DC/DC变换器设计是一个集成了同步整流技术、精确控制策略和高效能转换的系统,对于能源管理和电池管理系统有着重要的实用价值。
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图 2.4 半桥驱动电路
自举二极管(VD1)和电容(C1)是 IR2110 在 PWM 应用时需要严格挑选和设
计的元器件,应根据一定的规则进行计算分析。在电路实验时进行一些调整,使
电路工作在最佳状态。经理论及实验分析后,我们采用 0.1uF 的 CBB 电容和快速
恢复二极管 FR107。
2.2.2 双向 DC/DC 电路参数计算
(1)输入输出电容的选择
由于本电路输入输出端对偶,因此需要在输入输出端均接入滤波电容,电容
需要滤掉主要的开关纹波,选择电容 C 足够大,这里选用 4700uf 铝电解电容,
为减小电容的 ESR,在 U1、U2 端滤波电容并联 ESR 小的高频电解电容。
(2)升降压电感的选择
由于双向 DC/DC 电路采用无极性 mosfet 导通,并用 mosfet 代替传统的续流
二极管,电感不存在断续模式,因此电感按以下公式计算:
,取为 220uH
2.2.3 INA270 电流采样电路参数计算
对于 INA270,当选取的 RS 能提供电压范围为 50mV~100mV 时就获得了最好
的性能。因此选取 50m 欧的采样电阻。供电旁路电容是为了让电源纹波更小,采
用最小的旁路电容 0.01μ F 和 0.1μ F 放置在靠近输出引脚处。
2.2.4 系统效率计算
在输入电压为 30V 时,BUCK 输入电流为 2A 的测试条件下,假设此时最小的
输出充电电压为 18V,则输出功率为 36W,若要使效率达到 90%以上,那么允许
损耗的功率为 4W。
(1) 开关管的损耗
开关管的功率损耗(包括开关损耗与导通损耗)直接与开关频率有关,本设
计选用的 moesfet 内阻为 2.3m 欧,经估算其损耗为 2*0.2W=0.4W。
(2) 电感储能损耗:储能电感损耗公式,其功率约为 1.5W。
(3) 其他损耗:估算为 1W。
经过计算可得到系统的功率损耗约为 2.9W,即使在最糟糕的情况下,效率也能满
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