2021电赛 | C题-三端口DC-DC变换器

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

二 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是低功耗的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TPS54360，TPS54360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HY4008，HY4008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ADS1115，ADS1115是低功耗的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