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标准版 2021电赛 | C题-三端口DC-DC变换器

简介:上海海事大学 F311队电赛C题

开源协议: Public Domain

发布时间:2021-12-19 15:49:01
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描述

题目分析部分

设计并制作三端口 DC-DC 变换器,其结构框图如图 1 所示。变换器有两种工作模式:模式 I,模拟光伏电池向负载供电的同时为电池组充电(IB≥0);模式 II,模拟光伏电池和电池组同时为负载供电(IB≤ 0)。根据模拟光照(US 的 大小)和负载情况,变换器可以工作在模式 I或模式 II,并可实现工作模式的自动转换,在各种情况下均应保证输出电压 UO稳定在 30V。

基本要求

(1)US=50V、IO=1.2A 条件下,变换器工作在模式 I,UO=30V±0.1V,IB≥0.1A。

(2)IO=1.2A、US由 45V 增加至 55V ,电压调整率 SU ≤ 0.5% 。

(3)US=50V、IO由 1.2A 减小至 0.6A,负载调整率 SI ≤ 0.5%。

(4)US=50V、IO=1.2A 条件下,变换器效率≥90%。

发挥部分

(1)IO=1.2A、US 由 55V 减小至 25V,要求:变换器能够从模式 I 自动转换到模式 II;在 US全范围实现最大功率点跟踪,偏差 ≤0.1V;电压调整率 SU ≤0.1%。

(2)US=35V、 IO=1.2A 条件下,变换器工作在模式 II,UO=30V±0.1V,效率≥95%。

(3)US=35V、 IO由 1.2A 减小至 0.6A,变换器能够从模式 II 自动转换到模式 I,负载调整率 SI ≤ 0.1%。

(4)其他。

3.说明


(1)图 1 中直流稳压电源、二极管 D、电阻 RS 构成模拟光伏电池。直流稳压电源建议使用输出电压不小于 60V(可两路串联获得),额定电流不小于 3A 的成品电源,使用过程中应注意安全、避免触电伤害,测试时直流稳压电源由赛区提供;二极管 D、电阻 RS的选用应注意电流、功率等指标,必要时加装散热装置,注意避免烫伤。

(2)图 1 中电池组由 4 节容量 2000~3000mAh 的 18650 型锂离子电池串联组成,要求采用自带管理功能(或自带保护板)的电池。电池组不需封装在作品内,测试时自行携带至测试场地,测试过程中不允许更换电池。

(3)参赛队应认真阅读所用电池的技术资料,能够正确估算或检测电池的荷电状态,测试前自行合理设定电池的初始状态,保证测试过程中电池能正常充、放电。

(4)制作时应合理设置测试点,具体可参考下图。

题目分析

拿到C题时,我们组对于C题的整体结构十分模糊,一度想用三个boost电路来完成主电路的设计,之后通过研究光伏电池后发现,要对于负载稳压通过光伏电池是十分困难的,之后我们采取通过对电池组输出端稳压的方式对整个系统进行优化,将BOOST电路换为双向DC-DC电路,从而使输出端达到30v稳压,进而调节Ui的电压。通过功率的变化达到模式一和模式二的自动切换。

系统介绍

以双向半桥电路为主拓扑结构,以STM32G071为控制核心,协调各个模块实现题目要求。电路分为主电路拓扑模块、控制模块、PWM控制信号驱动模块、辅助电源模块、电压电流采样模块。主电路拓扑模块采用双半桥电路;控制模块使用STM32G071的PWM输出端口产生PWM信号,通过ADS1115采集电压、电流信号,由程序进行比例积分调节,进行可靠的闭环控制,从测量结果来看,完成了题目的基本要求和发挥部分要求。

1.1系统方案

通过STM32G071作为系统的主控,输出PWM信号,控制IR2104构成半桥斩波Boost电路,以实现输入端口最大功率点跟踪,同时,STM32G071控制IR2104构成双向半桥斩波Buck电路,使其输出电压稳压系统要求的30v,根据Uo改变Buck电路占空比,使能量自由从输出端口和储能端口双向流动。根据反馈信号对PWM信号做出PI比例积分调节,从而实现输出偏差ΔU1=|U1-0.5×Us|≤0.1v。图是方案系统方案框图。

 

1.2.2电压电流检测方案

采用INA282专用检流芯片。INA282是德州仪器的电流分流模拟输出型电流感应放大器,其电压增益为50倍,共模抑制比较高,INA282共模范围为-14v至80v。利用INA282进行检流电路简单,静态功耗较低

电路与程序设计

2.1功能电路设计

2.1.1控制器模块电路设计

系统采用STM32F071作为主控,设计了底板电路,加入PMOS防反接保护,电源接反时,PMOS的门极和源极间电压为0v,负载回路断开,保护电路安全。PWM输出口采用6N137光电隔离芯片,对PWM输出电信号有良好隔离作用,防止后级半桥电路影响系统主控。

实物图如图

单片机输出PWM信号给半桥电路,通过IIC读取AD637采集的电压数据。

2.1.2直流电流采样电路

电流采样电路采用TI公司的IN282芯片,采样电阻采用20毫欧电阻,将电流信号转化为电压信号,通过AD637读出。IN282电路如图所示。

实物图如图

2.1.3 AD转换电路

 

为了提高系统的精度,没有采用STM32单片机内部的AD转换电路,采用ADS1115模数转换芯片ADS1115是低功耗16位模数转换器,采用超小型无引脚封装。ADS1115器件集成了低漂移电压基准和振荡器。测量电压Uo、电压Ui与输入电流Ii。ADS1115电路如图所示。

2.1.4辅助电源

系统辅助电源采用TPS54360TPS54360产生12V电压和5V电压,给AD转换电路、单片机与双向DCDC电路供电,来满足系统对电源的要求。TPS54360是美国德州仪器公司生产的一款高效率电源转换芯片TPS54360,它具有100KHz至2.5MHz的开关频率。同时由于该稳压器采用了电流模式控制,使得电路无负载时的电源电流减小至146uA,关断电源电流被减少至2uA,也大大提高了电源转换效率。

实物图如图

2.1.5半桥电路

半桥电路如图7所示,采用IR2104作为半桥驱动芯片,场效应管采用HY4008所以外加了肖特基二极管1N5819半桥驱动IR2104S自己可以通过自举升压来获得足够的栅压

实物图如图

 

2.3 提高效率方法

在调试的过程中我们遇到的最难实现要求的是发挥部分的第二要求,要求系统的效率大于95%。为了完成发挥部分的第二要求,我们采用了多种方法来提高系统效率,总结如下:

1.采用低功耗单片机

比赛开始时采用STM32F334单片机,后来采用低功耗单片机STM32G071,采用STM32G071单片机后,系统损耗减小了1W。

2.采用低内阻的功率管

我们的信号采用HY4008HY4008是优秀的国内半导体厂商后裔半导体生产的场效应管,导通时,其内阻为2.9毫欧,耐压80V;

3.采用高效率的辅助电源模块

辅助电源模块采用TPS54360,电路无负载时的电源电流减小至146uA,关断电源电流被减少至2uA,提高了电源转换效率。

4.采用功耗低的芯片

采用低功耗的芯片设计电路,例如AD转换芯片采用ADS1115ADS1115是低功耗16位模数转换器

  5.降低单片机的功耗

   在满足系统要求的前提,降低时钟频率,同时通过对STM32G071内部电源管理进一步降低系统功耗

6.采用低内阻电感

绕制电感时,采用低内阻的铜线绕制,降低电感内阻,来降低系统损耗。

 

2.3程序设计

程序设计框图如下图所示,由单片机测得输出电压Uo、输入电压Ui和输入电流Ii,控制Boost电路做MPPT最大功率跟踪,以及调整稳压电路占空比,形成闭环做比例积分控制使输出电压Uo稳定在30V。

系统的程序流程图如图所示。

MPPT程序原理如图

本程序采用扰动观察法。当输出电压稳定在30V后,最大功率点追踪(MPPT)通过修改半桥的开关频率轻微改变Ui的参考值,Ui将跟随该值,待其稳定后,如果功率增大,则继续向该方向改变Ui参考值,否则回退。如此反复。完整程序见附件2。

测试结果

最大功率点追踪精确度不够且速度慢。

其余要求完成

 

ID Name Designator Footprint Quantity
1 10u C1,C3,C5,C7,C9,C2,C6,C11 C0805 8
2 104 C2,C4,C6,C8,C10,C9,C11,C13 C0805 8
3 1u C11,C7,C12 C0805 3
4 HDR-F-2.54_1x4 H1 HDR-F-2.54_1X4 1
5 IRF9540NSTRLPBF_C409763 Q1 TO-252-3_L6.5-W5.8-P4.58-BR 1
6 1k R1,R5,R7,R6,R8,R11,R4 R0805 7
7 10k R2,R4,R6,R8,R3 R0805 5
8 5k R3,R9,R10,R11,R1,R2 R0805 6
9 ADS1115IDGSR U1 MSOP-10_L3.0-W3.0-P0.50-LS5.0-BL 1
10 MMSZ4683 ZD1,ZD2,ZD3,ZD4 SOD-123_L2.8-W1.8-LS3.7-RD 4
11 0.1u C2,C5,C6,C7,C3 C0805 5
12 MMSZ4689T1G D1,D2,D3 SOD-123_L2.8-W1.8-LS3.7-RD 3
13 PH-00347 H1,H2 HDR-TH_38P-P2.54-V-M-R2-C19-S2.54 2
14 100 R4,R7,R9,R10 R0805 4
15 EL6N137S(TA) U1,U2,U3,U4 SMD-8 4
16 0.1u 104 C1 C0805 1
17 1000uF C4,C10 CAP-TH_BD16.0-P7.50-D1.2-FD 2
18 100p C5,C16 C0805 2
19 103 C9,C14 C0805 2
20 SS14 D1,D2 SMA_L4.4-W2.8-LS5.4-RD 2
21 US1M D3 SMA_L4.4-W2.8-LS5.4-RD 1
22 100uH L1 IND-SMD_L12.6-W13.5 1
23 HY1908 Q1 TO-252-2_L6.6-W6.1-P4.57-LS9.9-TL-CW 1
24 HY908 Q2 TO-252-2_L6.6-W6.1-P4.57-LS9.9-TL-CW 1
25 S9012G Q3,Q4 SOT-23-3_L2.9-W1.6-P1.90-LS2.8-BR 2
26 8 R1,R2 R0805 2
27 IR2104 U2 SOIC-8_L4.9-W3.9-P1.27-LS6.0-BL 1
28 104 C15,C19,C24 C0603 3
29 10u C17,C22 C0603 2
30 1u C18,C21 C0603 2
31 103 C20,C23 C0603 2
32 470u C25,C26 CASE-A_3216 2
33 0.1u C27,C28 C0603 2
34 SS54A D4 SMA_L4.2-W2.6-LS5.1-RD 1
35 1m L2 L0603 1
36 162k R12 R0603 1
37 10.2k R13 R0603 1
38 1k R14,R15,R16,R17,R18 R0603 5
39 10k RP1 RES-ADJ-TH_3386P 1
40 TPS54360DDAR U5 SOIC-8_L5.0-W4.0-P1.27-LS6.0-BL-EP2.0 1
41 INA282AIDR U6,U7 SOIC-8_L4.9-W3.9-P1.27-LS6.0-BL 2

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