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电流双向DC-DC变换器设计设计要求和技术指标l 主电路采用DC-DC的结构形式l 整机额定功率：2kWl 输入端为直流蓄电池组（+60V上下可允许范围内波动）l 输出端电压保持恒定为+100V一、设计的整体原理和设计方案1、设计的整体原理本设计的实质是间接直流变换电路。间接直流变流电路，也称直-交-直换流电路，它是目前直流变换的主要形式，该方式通过DC-AC和AC-DC两次电能转换，效率较低，但输出波形较好。间接直流变换电路是通过控制功率开关器件的通断，将直流转换为一定频率的交流，再将一定频率的交流转换为一定幅度的直流。直流变换电路一般由逆变电路、交流中间电路、整流电路、滤波电路、控制回路五大部分组成，其结构图如1图所示。 图1 间接直流变换电路结构图2、设计方案如图2所示，主电路由两开关管Q1和Q2，两二极管D1和D2构成。Q1和Q2为PWM工作方式，互补导通，有死区时间。变换器输出与输入电压间的关系为V2V1=Dy(1-Dy),式中，Dy为Q2的占空比。当Dy0.5时，能量从V1向V2传送；当Dy0.5时，能量从V2向V1传送。当能量从V1向V2传送时，通过Q1的通断，将能量传送到L1，通过D2传送到L2，最终传送给V2；反之，亦然。 图2 主电路结构二、电路的设计1. 电力电子器件的选择1.1二极管的选择 当Q1截止时，二极管D1所承受的反向电压最大值为60V；当能量从V2向V1传送时，二极管D2所承受的反向电压最大值为100V，流过D1的平均电流为I1=2000/60=33.3(A)；当能量从V1流向V2时，通过二极管D2的平均电流为I2=2000/100=20(A)，电流、电压都取2倍的裕量。1.2交流中间回路中电感和电容 本设计中功率开关管开关频率为50KHz，所以T=1/=，由式V2/V1=D/(1-D) (1)得D=0.625。 再由式，计算出电感L1的值。 令，得L1=,取电感L1=0.01Mh。电容的选择考虑到输出电压波纹最大不能超过1%，本设计取输出波纹电压值为0.1V，则由式，可得电容C1=2500uF，选3000uF。1.3 IGBT参数的确定 （1）IGBT额定电压的确定在DC/DC变换电路中，IGBT所承受的最大正向电压为E=100V,则可以选IGBT的耐压值为V=2E=200V。（2）IGBT的额定电流的确定该电路的输出功率为2KW。输出电压的有效值V2为100V，设电流有效值为，则IGBT的有效电流值为=2000/100=20（A），IGBT的额定电流应高于，且且向上靠拢电流等级，取电流额定电压为30A。1.4 滤波器的设计 LC滤波器的设计，电路结构图如下：图3 LC滤波电路图低通滤波器设计时，一般使截止频率f远远小于开关频率，即可达到滤波效果，其中，一般情况下，使f10100。具体倍数视情况而定，需要满足一下三个条件：(1) 抑制最低谐波(2)(3)由以上条件可以选择电感、电容的参数为：L=6Mh,C=20uF。2 DC/DC变换器控制单元和辅助单元电路设计Zeta-Sepic电路是DC/DC变换器的核心组件，车载DC/DC变换器除此外还包括控制单元和辅助单元电路，其性能直接影响Zeta-Sepic电路的工作质量和整车控制器的准确运行。控制单元与辅助单元电路同Zeta-Sepic一同构成DC/DC变换器的总体硬件电路。其系统结构图如图4所示。2.1控制单元控制单元选用单片机MC9S12D64，它延续了飞思卡尔半导体在车用微控制器领域的优良传统，是以速度更快的S12内核（Star Core）为核心的单片机MC9S12系列的成员，管脚兼容，存储器可以得到升级。并且片内有多种外围设备可供选择。 MC9S12D64共有8种工作模式，模式的设定通过复位期间采集BKGD、MODB、MODA三个引脚的状态来实现。增强了应用的可选择性。控制单元通过CAN通讯网络接受整车控制器的指令，按照协议翻译指令对燃料电池电堆提取相应的功率，并将通过传感器检测到的DC/DC变换器的高低端的电流电压值按照协议上传CAN通讯网络。同时读取温度传感器的值，根据要求适时的启动散热风扇。2.2CAN通讯硬件接口电路做为电动车的DC/DC变换模块，须参与整车的通讯和控制，通过接受整车控制信号指令做出相应的动作，对燃料电池提取功率。CAN通讯接口硬件设计如图8所示，其中82C250是CAN控制器和物理总线间的接口，它和CAN控制器之间采用光隔P113以提高系统的抗干扰能力。 图5 CAN通讯接口硬件电路设计2.3 DC/DC变换器低端高端电压电流测量对DC/DC变换器的高端低端电压电流进行采样，作为控制DC/DC变换器功率的回馈参考数据，并上传CAN网络做为整车控制的重要参考数据。高端和低端的电流采样用传感器WBV151S07,为电压隔离传感器，输入范围为075mV,输出为05V，供电为12V。被测母线通过分流，将电流以比例衰减到电流传感器的输入范围内，并通过车用微控制器MC9S12D64的AD采样传感器的输出端。高端和低端的电压采样用传感器WBV151S01，当被测电压低于500V时，将电压传感器直接挂接到被测母线上，通过控制器AD采样接口读取传感器输出端的值。2.4温度传感器车载DC/DC变换器为大功率器件，散热是重要性能指标之一，因此为DC/DC变换器设置了温度传感器，来实时检测温度，当散热器不能满足其散热要求时，根据温度传感器采集的温度量来启动散热风扇，并以温度为依据设定风扇的转速大小。温度检测采用的是美DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器DS18B20。它的测量范围为50到125，精度可达0.1，不需要A/D转换，直接将温度值转换为数字量。DS18B20严格的遵守单线串行通信协议，每一个DS18B20在出厂时都用激光进行调校，并具有唯一的64位序列号。这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。工作中控制单元对DS18B20的操作以ROM命令和存储器命令形式出现。其中ROM操作指令分别为：读ROM(33H) 、匹配ROM(55H) 、跳过ROM(CCH) 、搜索ROM(F0H)和告警搜索(ECH)命令。暂存器指令分别为：写暂存存储器(4EH)、读暂存存储器(BEH)、复制暂存存储器(48H)、温度转换(44H)和读电源供电方式(B4H)。2.5 DC/DC变换器工作模式DC/DC变换器设计三种工作模式，使能工作模式，正常工作模式和故障模式。在使能工作模式下DC/DC处于未被启动状况，需要将其引出的两使能脚短路使其使能成功，使能成功后即进入正常工作模式，在正常工作模式下可对DC/DC变换器进行提取功率操作。DC/DC的控制单元如果检测到故障，将使DC/DC变换器进入故障模式，此时整车控制器指令对DC/DC变换器的操作无效。2.6流程图如图6所示，为DC/DC变换器的工作主流程图，此外，在CAN中断处理程序中，按协议接受CAN网数据供主程序使用，并在定时中断中定时上传数据，每100ms上传一帧数据,采用CAN2.0 通讯协议，29位ID，每帧8个字节数据量通讯方式。是否成功关闭散热器调用散热器子程序是否启动散热器读取散热器温度上传高低端电流电压值按指令提取功率上传状态信息是否有故障结束上传状态信息禁止DC/DC变换器操作按协议翻译接受