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一种新颖的全数字式双向恒流源电路的设计
摘要:针对采用蓄电池作为后备电源的系统，设计出一套新颖的双向工作恒流电路。该电路既可实现蓄电池对低压负载的大电流放电，又可以对蓄电池本身进行恒流充电。同时，本文提出了一套全数字化控制方案，不仅实现了双向电路的恒流控制，而且对蓄电池本身进行了能量管理，使电路具有浮充和欠压保护等功能。另外，通过软件编程，采用数字控制可以很方便地实现电路的恒流、恒压、恒功率等控制功能，从而使电路具有很强的实用性。实验采用TI公司的F2407ADSP芯片作为控制核心，结果表明，该数控电路具有很好的恒流效果，可以用于电力、通讯系统的后备电源中。
关键词:蓄电池；电源；数字控制/双向恒流源；浮充
引言
目前，电力系统的后备电源、分布式电源系统以及通讯系统的后备电源[1，2]等应用场合，均采用大容量的蓄电池作为储能元件。然而，在蓄电池的使用中需要一个双向DC/DC变换器来进行直流功率的变换。一旦电网系统发生故障，蓄电池通过DC/DC变换器直接并入直流母线，给后端的用电设备提供能量。当电网正常工作时，直流母线通过DC/DC变换器将电能储存在蓄电池中，而当蓄电池作为通讯系统的后备电源时，由于后端的用电设备多以低压大电流工作，因此要求蓄电池能够提供一个大而稳定的工作电流。另外，对蓄电池充电时，也必须进行恒流控制，因此在双向DC/DC变换器中恒流控制的好坏直接影响用电设备和蓄电池的使用寿命。
随着数字信号处理器（DSP）技术的成熟，越来越多的功率电路采用了数字式控制[3]。与模拟控制相比，数字控制具有性价比高、性能稳定等优点。另外，通过对控制软件的编程，可以很方便地实现电路功能。针对蓄电池等储能元件在使用过程中功率双向变换的问题，本文在介绍目前已有的非隔离型双向拓扑基础上，提出了一种改进型双向电路拓扑。该拓扑不仅实现了双向电路的恒流控制，而且解决了双向拓扑中对不同大小电流的采样问题。通过对DSP软件的编程，还可以实现对电路的恒流、恒压以及恒功率等控制功能。实验表明，该电路具有很好的恒流控制性能。可以用于蓄电池、超级电容等储能元件的双向功率变换。
双向拓扑比较
最近，较多文献对双向DC/DC电路拓扑进行了研究，其中包括对两种双向Buck-Boost电路的研究。图1a示出一般的Buck-Boost电路，图1b示出采用级联形式的Buck-Boost电路。当电路以降压模式工作时，两种电路的电气应力差别不是很大，但是当电路以升压模式工作时，采用级联型Buck-Boost电路具有明显的优势。但由于级联型Buck-Boost电路在增加功率器件的同时，减小了电感和电容上的电气应力，因此在实际应用中应综合考虑电路的应用成本问题。
采用图1所示的两种电路形式，可以同时工作于升降压模式，但当电路要求单独工作于升压或降压方式时，可以考虑采用图2所示的同步整流Buck或Boost电路。图2a中，当能量从Uin流向Uo时，VT1受PWM信号控制，VT2作为同步整流管工作，此时电路工作于同步Buck方式；当能量从Uo流向Uin时，VT2受PWM信号控制，VT1作为同步整流管工作，此时电路工作于同步Boost方式。类似地，可获得图2b所示的同步Boost电路的工作方式。在本文的应用中，由于Uin始终大于Uo，并且在蓄电池容量一定的情况下，降压输出有利于增加输出电流，因此可以采用图2a所示的同步Buck电路的工作方式。但当电路双向工作时，蓄电池放电到负载侧的电流和充电时电流相差很大，放电时最大可达到30A，此时采样电阻不能太大，太大容易造成损耗过大。而恒流充电时电流仅为1.5A，此时采样电阻不能太小，太小则采样到的信号太弱，易受干扰。另外，由于采用霍尔元件会增加电路成本，故在此不予考虑。因此，必须对图2a电路加以适当改造。
改进型电路拓扑的提出
采用图3所示的改进型并联拓扑电路结构。图中去掉了Boost输入端到VT2之间的地线。当VT1开通后，Buck回路沿图3a中的粗线形成回路，经过采样电阻R1；图3b是Buck电路在VT1关断后的蓄流回路；图3c粗线所示的是Boost电路充电时形成的回路；图3d粗线是VT2导通后，Boost电路形成的回路。两个回路均通过Buck电路的地线，并且经过R1。由于R1很小，只有12.5m!，对Boost充电回路的小电流影响甚微，可近似看作导线。
数字式控制的实现
这里介绍一种采用F2407ADSP控制芯片实现PWM调制的方法。F2407A内部的PWM功能单元可以生成对称或非对称的PWM信号，图4示出对称型PWM的生成原理。通过设置F2407A内部的全比较寄存器CMPRx（x=1，2，3）可以获得对称的PWM驱动脉冲。另外，开关周期由DSP内部相应的定时器T1设定。考虑到双向电路可工作于3种状态：①正向Buck；②反向Boost；③Buck和Boost同时工作。因此，采用数字控制时，Buck电路由CMPR1来控制，Boost电路由CMPR2来控制。其开关载波由内部的周期寄存器T1来生成，程序设定20%s。图5示出整个数控系统结构框图。图中虚线框代表F2407ADSP控制芯片。
由于系统采用全数字式控制，因此可以通过软件编程实现电路的其他功能。下面分别从软件算法的角度介绍蓄电池的浮充控制、蓄电池的恒功率输出、以及欠压保护等功能。当电路工作于蓄电池充电模式时，可通过软件设定给定充电电流值Ib*（1.5A对应的数值）、电池浮充电压值U1、充电关断值U2以及浮充比例系数Kpb。其充电时真实的给定电流算法如下：
当电路工作于正向放电时，一旦负载发生突变，其输出功率必定随之改变。当输出功率超出蓄电池额定容量时，容易造成蓄电池损坏。因此，需要设置一个恒功率输出的功能。通过软件设定放电给定电流值Io、恒功率输出电压值Uo1。其算法如下：
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当蓄电池处于欠压状态时，需要进行欠压保护，否则大电流放电很容易损坏蓄电池。此时通过软件放电设定电流值Io、电池欠压值Ubo、关断Buck电路的电池电压值Ubs以及欠压比例系数Kpo。算法如下：
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实验结果
实验中采用24V/7Ah镍氢蓄电池作为输入电源，输出采用恒流控制。电路主拓扑采用图3所示的改进型并联拓扑，其开关频率为50kHz，输出电流范围为0～30A。采用1.5A恒流充电，带浮充功能。电路参数为：L1=40!H，L2=1mH，C1=C2=4700!F，R1=12.5m"，R2=0.5"。图6a示出Buck电路的电感电流波形，此时输出电流为16A。图6b示出Buck电路发生负载突变时电流的响应，突变由软件控制实现，此时输出电流从0A突变到30A。
由图6可见，电流响应较快且具有很好的恒流效果。图7a是对蓄电池充电时的二极管电流iVD2波形，该波形反映了蓄电池充电电流Ib的真实大小；由图7b可见，蓄电池充电时电流恒流效果很好。
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结论
针对蓄电池系统在使用过程中的功率变换问题，提出了一种新颖的双向变换拓扑。该拓扑不仅实现了蓄电池功率变换的要求，同时对放电电流和充电电流进行了恒流控制。蓄电池放电时采用降压型电路拓扑，可使负载端电流迅速增大，有很快的动态响应，从而满足低压大电流用电设备的要求。同时，在对蓄电池进行恒流充电时，通过软件编程，实现蓄电池的浮充功能，从而延长蓄电池的使用寿命。另外，提出了对双向恒流源电路的全数字控制方案，实验证明，该方案具有很好的控制效果。所提出的双向恒流DC/DC变换器可用于采用蓄电池等储能元件的功率变换中，如电力、通讯系统的后备电源，分布式电源系统，以及采用低压大电流工作的电动工具等。
关键词:蓄电池；电源；数字控制/双向恒流源；浮充
引言
目前，电力系统的后备电源、分布式电源系统以及通讯系统的后备电源[1，2]等应用场合，均采用大容量的蓄电池作为储能元件。然而，在蓄电池的使用中需要一个双向DC/DC变换器来进行直流功率的变换。一旦电网系统发生故障，蓄电池通过DC/DC变换器直接并入直流母线，给后端的用电设备提供能量。当电网正常工作时，直流母线通过DC/DC变换器将电能储存在蓄电池中，而当蓄电池作为通讯系统的后备电源时，由于后端的用电设备多以低压大电流工作，因此要求蓄电池能够提供一个大而稳定的工作电流。另外，对蓄电池充电时，也必须进行恒流控制，因此在双向DC/DC变换器中恒流控制的好坏直接影响用电设备和蓄电池的使用寿命。
随着数字信号处理器（DSP）技术的成熟，越来越多的功率电路采用了数字式控制[3]。与模拟控制相比，数字控制具有性价比高、性能稳定等优点。另外，通过对控制软件的编程，可以很方便地实现电路功能。针对蓄电池等储能元件在使用过程中功率双向变换的问题，本文在介绍目前已有的非隔离型双向拓扑基础上，提出了一种改进型双向电路拓扑。该拓扑不仅实现了双向电路的恒流控制，而且解决了双向拓扑中对不同大小电流的采样问题。通过对DSP软件的编程，还可以实现对电路的恒流、恒压以及恒功率等控制功能。实验表明，该电路具有很好的恒流控制性能。可以用于蓄电池、超级电容等储能元件的双向功率变换。
双向拓扑比较
最近，较多文献对双向DC/DC电路拓扑进行了研究，其中包括对两种双向Buck-Boost电路的研究。图1a示出一般的Buck-Boost电路，图1b示出采用级联形式的Buck-Boost电路。当电路以降压模式工作时，两种电路的电气应力差别不是很大，但是当电路以升压模式工作时，采用级联型Buck-Boost电路具有明显的优势。但由于级联型Buck-Boost电路在增加功率器件的同时，减小了电感和电容上的电气应力，因此在实际应用中应综合考虑电路的应用成本问题。
采用图1所示的两种电路形式，可以同时工作于升降压模式，但当电路要求单独工作于升压或降压方式时，可以考虑采用图2所示的同步整流Buck或Boost电路。图2a中，当能量从Uin流向Uo时，VT1受PWM信号控制，VT2作为同步整流管工作，此时电路工作于同步Buck方式；当能量从Uo流向Uin时，VT2受PWM信号控制，VT1作为同步整流管工作，此时电路工作于同步Boost方式。类似地，可获得图2b所示的同步Boost电路的工作方式。在本文的应用中，由于Uin始终大于Uo，并且在蓄电池容量一定的情况下，降压输出有利于增加输出电流，因此可以采用图2a所示的同步Buck电路的工作方式。但当电路双向工作时，蓄电池放电到负载侧的电流和充电时电流相差很大，放电时最大可达到30A，此时采样电阻不能太大，太大容易造成损耗过大。而恒流充电时电流仅为1.5A，此时采样电阻不能太小，太小则采样到的信号太弱，易受干扰。另外，由于采用霍尔元件会增加电路成本，故在此不予考虑。因此，必须对图2a电路加以适当改造。
改进型电路拓扑的提出
采用图3所示的改进型并联拓扑电路结构。图中去掉了Boost输入端到VT2之间的地线。当VT1开通后，Buck回路沿图3a中的粗线形成回路，经过采样电阻R1；图3b是Buck电路在VT1关断后的蓄流回路；图3c粗线所示的是Boost电路充电时形成的回路；图3d粗线是VT2导通后，Boost电路形成的回路。两个回路均通过Buck电路的地线，并且经过R1。由于R1很小，只有12.5m!，对Boost充电回路的小电流影响甚微，可近似看作导线。
数字式控制的实现
这里介绍一种采用F2407ADSP控制芯片实现PWM调制的方法。F2407A内部的PWM功能单元可以生成对称或非对称的PWM信号，图4示出对称型PWM的生成原理。通过设置F2407A内部的全比较寄存器CMPRx（x=1，2，3）可以获得对称的PWM驱动脉冲。另外，开关周期由DSP内部相应的定时器T1设定。考虑到双向电路可工作于3种状态：①正向Buck；②反向Boost；③Buck和Boost同时工作。因此，采用数字控制时，Buck电路由CMPR1来控制，Boost电路由CMPR2来控制。其开关载波由内部的周期寄存器T1来生成，程序设定20%s。图5示出整个数控系统结构框图。图中虚线框代表F2407ADSP控制芯片。
由于系统采用全数字式控制，因此可以通过软件编程实现电路的其他功能。下面分别从软件算法的角度介绍蓄电池的浮充控制、蓄电池的恒功率输出、以及欠压保护等功能。当电路工作于蓄电池充电模式时，可通过软件设定给定充电电流值Ib*（1.5A对应的数值）、电池浮充电压值U1、充电关断值U2以及浮充比例系数Kpb。其充电时真实的给定电流算法如下：
当电路工作于正向放电时，一旦负载发生突变，其输出功率必定随之改变。当输出功率超出蓄电池额定容量时，容易造成蓄电池损坏。因此，需要设置一个恒功率输出的功能。通过软件设定放电给定电流值Io、恒功率输出电压值Uo1。其算法如下：
当蓄电池处于欠压状态时，需要进行欠压保护，否则大电流放电很容易损坏蓄电池。此时通过软件放电设定电流值Io、电池欠压值Ubo、关断Buck电路的电池电压值Ubs以及欠压比例系数Kpo。算法如下：
实验结果
实验中采用24V/7Ah镍氢蓄电池作为输入电源，输出采用恒流控制。电路主拓扑采用图3所示的改进型并联拓扑，其开关频率为50kHz，输出电流范围为0～30A。采用1.5A恒流充电，带浮充功能。电路参数为：L1=40!H，L2=1mH，C1=C2=4700!F，R1=12.5m"，R2=0.5"。图6a示出Buck电路的电感电流波形，此时输出电流为16A。图6b示出Buck电路发生负载突变时电流的响应，突变由软件控制实现，此时输出电流从0A突变到30A。
由图6可见，电流响应较快且具有很好的恒流效果。图7a是对蓄电池充电时的二极管电流iVD2波形，该波形反映了蓄电池充电电流Ib的真实大小；由图7b可见，蓄电池充电时电流恒流效果很好。
结论
针对蓄电池系统在使用过程中的功率变换问题，提出了一种新颖的双向变换拓扑。该拓扑不仅实现了蓄电池功率变换的要求，同时对放电电流和充电电流进行了恒流控制。蓄电池放电时采用降压型电路拓扑，可使负载端电流迅速增大，有很快的动态响应，从而满足低压大电流用电设备的要求。同时，在对蓄电池进行恒流充电时，通过软件编程，实现蓄电池的浮充功能，从而延长蓄电池的使用寿命。另外，提出了对双向恒流源电路的全数字控制方案，实验证明，该方案具有很好的控制效果。所提出的双向恒流DC/DC变换器可用于采用蓄电池等储能元件的功率变换中，如电力、通讯系统的后备电源，分布式电源系统，以及采用低压大电流工作的电动工具等。
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