基于單片機控制的單端正激雙向DC／DC變換器

摘要：提出了一種新穎的雙向DC／DC變換器方案。該變換器采用單端正激變換電路為主電路，C8051F020單片機為控制器，應用同步整流技術和全數字控制，使得整個設計具有電路簡潔、轉換效率高、控制簡單、工作可靠、可實現能量的雙向流動等特點。介紹了系統的基本構成，分析了電路的工作原理。PSPICE仿真以及樣機的測試結果驗證了該設計方案的可行性和優越性。
關鍵詞：變換器；單端正激；同步整流；數字控制

1 引言
在航空電源系統、電動汽車等車載電源、艦載電源、蓄電池儲能等應用場合，兩側都是直流電壓或直流有源負載，其中輸入端接直流母線，輸出端接儲能裝置(蓄電池)比較常見。此時為了實現充、放電，能量必須能夠雙向流動，因此就需要雙向DC／DC變換器。隨著科學技術的發展，雙向DC／DC變換器的應用場合正在逐步擴大，特別適用于需要對蓄電池進行充／放電的場合。作為DC／DC變換器的一種新形式，雙向DC／DC變換器在工業應用中的地位越來越突出。
現今開關電源發展的趨勢是低電壓、大電流，這使得在次級整流電路中選用同步整流技術成為一種高效、低損耗的方法。雙向DC／DC變換器的設計主要考慮主電路拓撲選擇和控制方式選擇。在此介紹了一種由單端正激變換電路作主電路、C8051F020單片機作控制器的雙向DC／DC變換器的設計過程。該變換器應用同步整流技術，采用全數字控制，使得整個設計具有電路簡潔、轉換效率高、控制簡單、工作可靠、可實現能量雙向流動等特點。通過PSPICE仿真及樣機的測試，驗證了該方案的可行性。此變換器可用于各類電池的充、放電及直流電源的核心部分。

2 主電路拓撲
目前，應用較多的雙向DC／DC變換器拓撲結構存在電路復雜、能量傳輸過程環節較多、變換器效率低、開關管電壓難以抑制等缺點。單端正激變換器的電路較簡單，是中、小功率電源中較常用的方式之一。圖1為所提出的雙向DC／DC變換器的主電路拓撲結構。

系統由變壓器T及其磁復位電路、主開關管V1、整流管V2和續流管V3、輸出濾波電感L、電容C等部分組成。與同等功率等級的常見雙向DC／DC變換器相比，該拓撲具有結構簡潔、系統成本低、工作效率高、控制方法簡單等特點，在工業應用中具有一定優勢。
2．1 正向工作過程分析
圖2為變換器正向工作電流連續時的主要波形。其工作過程分為4個階段。

階段1[0，t1] V1和V2導通。t=0時，V1導通，電源電壓Ui加在初級繞組N1上，即uN1=Ui，故鐵心磁化，鐵心磁通φ增長，即；N1dφ／dt =Ui。在此開關模態中，φ增長量為：
△φ(+)=UiDyTs／N1 (1)
變壓器的勵磁電流iM從零開始線性增加，且iM=Uit／Lm，Lm為初級繞組的勵磁電感。則次級繞組N2上電壓為：
uN2=N2Ui／N1=Ui／K12 (2)
式中：K12為初、次級繞組的匝比，K12=N1／N2。
此時V2導通，V3截止，濾波電感電流iL線性增加，這與Buck變換器中開關管導通時一樣，只是電壓為Ui／K12，且：diL／dt=(Ui／K12-Ui)／L。