积木式双向DC-DC变换实验装置的制作方法

本发明涉及电力电子技术领域，尤其是一种积木式双向DC-DC变换实验装置。

背景技术：

直流-直流变流电路(DC-DC Converter)的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路也称为斩波电路(DC Chopper)，一般为将直流电变为另一直流电，这种情况的输入输出不隔离；间接直流变流电路是指在在直流变流电路中增加交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离。此技术被广泛应用于直流电机调速、开关电源、直流电压隔离等各个领域中，是电力电子技术中的一项重要内容。

直流斩波电路的种类较多，主要包括降压斩波电路(Buck Chopper)、升压斩波电路(Boost Chopper)、升降压斩波电路(Boost-Buck Chopper)、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是基本电路，Buck电路的输出平均电压小于输入电压，而Boost电路的输出平均电压高于输入电压。利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。

随着电力电子技术的不断发展，单一作用的直流变换电路已经不能满足实验和工作的要求，因此需要研发一种多功能直流变换电路，在不同外界要求下对其提供精确有效的控制，使其进入不同的工作模式，输出不同的直流电。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种积木式双向DC-DC变换实验装置，能够快速、精确地输出不同的PWM驱动信号，控制不同的MOS管的开通与关断，使主电路工作在不同的模式，具有很好的教学意义和应用前景。

为解决上述技术问题，本发明提供一种积木式双向DC-DC变换实验装置，包括：直流电源模块、CPLD控制模块、驱动模块、双向DC-DC变换模块和检测模块，直流电源模块、CPLD控制模块、驱动模块和双向DC-DC变换模块依次相连，双向DC-DC 变换模块、检测模块和CPLD控制模块依次相连，组成一个反馈回路；直流电源模块为整个装置提供电源，CPLD控制模块可自身产生PWM驱动信号也可接受来自控制平台的PWM信号，驱动模块向双向DC-DC变换模块提供控制信号，检测模块对双向DC-DC 变换模块的输出信号进行检测并传递给CPLD控制模块。

优选的，电源模块具体为：包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11、第十二电容 C12、第一电感L1、第二电感L2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电源芯片U1、第二电源芯片U2和第三电源芯片U3；其中，第一电源芯片U1选用MP2451，第二电源芯片U2选用MP1430，第三电源芯片U3选用SPX3819；第一电源芯片U1的1脚连接在第六电容C6一端，第一电源芯片U1的1脚连接在第六电容C6另一端；第一电源芯片U1的2脚接地；第一电阻R1与第二电阻R2串联一端接在第一电源芯片U1的3 脚，另一端接地；第三电容C3与第四电阻R4并联一端接在第一电源芯片U1的3脚，另一端接第十电容C10与第二电感L2的一端；第六电阻R6与第八电容C8串联一端接在第一电源芯片U1的4脚，另一端接地；第十电容C10与第二电感L2串联一端接第一电源芯片U1的6脚，另一端接地；第二二极管D2正极接地，负极接第一电源芯片 U1的6脚；第七电容C7一端接第二电源芯片U2的1脚，另一端接电源芯片U2的3 脚；第三电阻R3一端接第二电源芯片U2的2脚，另一端接第二电源芯片U2的7脚；第一电容C1一端接第二电源芯片U2的2脚，另一端接地；第二电容C2一端接第二电源芯片U2的8脚，另一端接地；第四电容C4与第五电阻串联后一端接第二电源芯片 U2的6脚，另一端接地；第五电容C5一端接第二电源芯片U2的6脚，另一端接地；第一二极管正极接地，负极接第二电源芯片U2的5脚；第七电阻R7一端接第二电源芯片U2的5脚，另一端接地；第八电阻与第九电阻串联一端接第二电源芯片U2的5 脚，另一端接DC15V端子；第九电容C9一端接DC15V端子，另一端接地；第一电感 L1一端接第二电源芯片U2的3脚，另一端接DC15V端子；第十一电容C11与第十二电容C12并联后一端接第三电源芯片U3的5脚，另一端接地。

优选的，CPLD控制模块具体为：包括第三十三电阻R33、第四十六电阻R46、第四十七电阻R47、第四十八电阻R48、第一晶振Y1、第二十四电容C24和第四控制芯片U4；其中，第一晶振Y1选用50MHz的晶振，第四控制芯片U4选用EPM7032AE；第四十八电阻R48一端接第四控制芯片U4的1脚，另一脚接DC3.3V端子；第四十七电阻R47一端接第四控制芯片U4的7脚，另一脚接DC3.3V端子；第四十六电阻R46 一端接第四控制芯片U4的26脚，另一脚接地；第三十三电阻R33一端接第四控制芯片U4的36脚，另一脚接第一晶振Y1的1脚；第二十四电容一端接第一晶振Y1的4 脚，另一端接地。

优选的，驱动模块具体为：包括第十四驱动芯片U14、第十七二极管D17、第二十五电容C25和第二十六电容C26；其中，第十四驱动芯片U14选用IR2103S；第二十五电容C25一端接第十四驱动芯片U14的1脚，另一端接第十四驱动芯片U14的4脚；第二十六电容C26一端接第十四驱动芯片U14的8脚，另一端接第十四驱动芯片U14 的6脚；第十四驱动芯片U14的2脚接PWM1端子；第十四驱动芯片U14的3脚接PWM2 端子；第十四驱动芯片U14的4脚接地；第十四驱动芯片U14的5脚接LO1端子；第十四驱动芯片U14的7脚接HO1端子。

优选的，双向DC-DC变换模块具体为：包括第三十五电阻R35、第三十六电阻R36、第三十七电阻R37、第三十八电阻R38、第三十九电阻R39、第四十电阻R40、第四十一电阻R41、第四十二电阻R42、第四十三电阻R43、第四十四电阻R44、第四十五电阻R45、第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4、第十三电容C13、第十六电容C16、第十三二极管D13、第十四二极管D14、第十五二极管D15、第十六二极管D16和第三电感L3；第三十五电阻R35、第三十六电阻R36、第一MOS管Q1、第三电感L3、第三MOS管Q3和第十六电容C16依次相连组成一个回路；第三十五电阻R35和第三十六电阻R36相串联后与第十三电容C13并联；第一 MOS管Q1与第三十八电阻R38串联，第十三二极管D13并联在第三十八电阻R38两端，第三十九电阻R39一端连接在第一MOS管Q1和第三十八电阻R38之间，另一端连接在第一MOS管Q1和第三电感L3之间；第二MOS管Q2的G极连接第三十七电阻R37后连接到LO1端子，第十四二极管D12并联在第三十七电阻R37之间，第四十电阻R40的一端连接在第三十七电阻R37和第二MOS管Q2的G极之间，另一端连接在第二MOS管Q2的D极和第四十二电阻R42之间，第二MOS管Q2的S极连接在第一MOS管Q1和第三电感L3之间；第四MOS管Q4的G极连接第四十一电阻R41后连接到LO2端子，第十五二极管D15并联在第四十一电阻R41之间，第四十三电阻R43 的一端连接在第四十一电阻R41和第四MOS管Q4的G极之间，另一端连接在第四 MOS管Q4的D极和第四十二电阻R42之间，第四MOS管Q4的S极连接在第三电感 L3和第三MOS管Q3之间；第三MOS管Q3与第四十四电阻R44串联，第十六二极管D16并联在第四十四电阻R44两端，第四十五电阻R45一端连接在第三MOS管Q3 和第四十四电阻R44之间，另一端连接在第三MOS管Q3和第十六电容C16之间。

优选的，检测模块具体为：包括第八检测芯片U8、第九检测芯片U9、第五十一电阻R51、第五十二电阻R52、第五十三电阻R53、第五十四电阻R54、第五十五电阻R55、第五十六电阻R56、第六十四电阻R64、第六十七电阻R67、第六十八电阻R68、第六十九电阻R69、第七十电阻R70、第七十一电阻R71、第三十三电容C33、第三十四电容C34、第三十六电容C36、第三十七电容C37；其中，第八检测芯片U8选用MCP6002，第九检测芯片U9选用LM393；第五十一电阻R51一端接A1端子另一端接第八检测芯片U8的3脚；第三十三电容C33一端接第八检测芯片U8的3脚，另一端接地；第五十二电阻R52一端接第八检测芯片U8的2脚，另一端接地；第五十三电阻R53一端接第八检测芯片U8的2脚，另一端接第八检测芯片U8的1脚；第八检测芯片U8的4脚接地；第八检测芯片U8的8脚接DC5V端子；第五十四电阻R54一端接第八检测芯片 U8的1脚，另一端接第八检测芯片U8的5脚；第三十四电容C34一端接第八检测芯片U8的5脚，另一端接地；第五十五电阻R55一端接第八检测芯片U8的6脚，另一端接地；第五十六电阻R56一端接第八检测芯片U8的6脚，另一端接第八检测芯片 U8的7脚；第六十八电阻R68一端接第八检测芯片U8的7脚，另一端接第九检测芯片U9的3脚；第六十七电阻R67一端接第九检测芯片U9的2脚，另一端接DC5V端子；第六十四电阻R64一端接第八检测芯片U8的7脚，另一端接powercurrent端子；第三十七电容C37一端接第八检测芯片U8的7脚，另一端接地；第六十九电阻R69一端接第九检测芯片U9的2脚，另一端接地；第九检测芯片U9的8脚接DC5V端子；第九检测芯片U9的4脚接地；第七十电阻R70一端接第八检测芯片U8的1脚，另一端接DC5V端子；第七十一电阻R71一端接第八检测芯片U8的1脚，另一端接current 端子。

本发明的有益效果为：本发明能够快速、精确地输出或接收不同的PWM驱动信号，使主电路工作在不同的模式，具有很好的教学意义和应用前景。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为本发明的电源模块DC24V转DC15V结构示意图。

图3为本发明的电源模块DC24V转DC5V结构示意图。

图4为本发明的电源模块DC5V转DC3.3V结构示意图。

图5为本发明的CPLD控制模块结构示意图。

图6为本发明的驱动模块结构示意图。

图7为本发明的双向DC-DC变换模块结构示意图。

图8为本发明的检测模块结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种积木式双向DC-DC变换实验装置，包括：直流电源模块、CPLD 控制模块、驱动模块、双向DC-DC变换模块和检测模块，直流电源模块、CPLD控制模块、驱动模块和双向DC-DC变换模块依次相连，双向DC-DC变换模块、检测模块和 CPLD控制模块依次相连，组成一个反馈回路；直流电源模块为整个装置提供电源，CPLD 控制模块可自身产生PWM驱动信号也可接受来自控制平台的PWM信号，驱动模块向双向DC-DC变换模块提供控制信号，检测模块对双向DC-DC变换模块的输出信号进行检测并传递给CPLD控制模块。

如图2所示，电源模块电路为直流24V输入为双向DC-DC主电路供电，经过MP1430 开关电源芯片输出直流15V为驱动模块供电。如图3所示，直流24V经过MP2451开关电源芯片输出直流5V为检测模块供电。如图4所示，直流5V经过SPX3819芯片输出直流3.3V为控制电路供电。

如图5所示，控制模块为MAX7000AE单片机最小系统，可产生并输出PWM信号至驱动模块进行系统自测实现各种组合电路功能；也可接收来自控制平台的控制信号，对当前工作模式进行确认后，将来自控制平台的控制信号进行逻辑保护后输出至驱动模块，实现相关电路功能。

如图6所示，驱动模块采用IR2103S芯片，接收控制模块的PWM信号控制使不同 MOS管的开通与关断以实现不同的电路功能。

如图7所示，双向DC-DC变换主电路由四个MOS管IRF540，相应参数的电感与电容器组成。驱动模块的IR2103S半桥驱动芯片可为同一桥臂的MOS提供互补的PWM 信号以防止桥臂直通现象。当主电路工作在BUCK模式时控制Q1、Q2的导通与关断且 Q1与Q2为1组互补的PWM控制信号，通过调节占空比可改变输出电压，但主电路始终为降压模式。当主电路工作在BOOST模式时控制Q1，Q2和Q3的导通与关断，且Q1与Q2为一组互补的PWM信号且Q1为高占空比导通(90％以上)，通过调节Q3 控制信号的占空比，改变充放电时间可改变输出电压。当主电路工作在BUCK-BOOST 模式时控制Q1，Q2和Q3的导通与关断，且Q1与Q2为一组互补的PWM信号，通过调节Q1，Q2和Q3控制信号的占空比，改变充放电时间可改变输出电压实现

BUCK-BOOST功能。当CC端为输入端DD端为输出端时同样可实现BUCK，BOOST 和BUCK-BOOST功能，通过控制模块的模式选择控制继电器动作，实现输入端与输出端的相互切换。

如图8所示，检测模块由LM393与MCP6002芯片及其外围电路组成。检测模块可对双向DC-DC变换主电路的电流及输出电压进行检测，当电压或电流超出预定值时，控制模块将会控制蜂鸣器报警，并封锁PWM驱动信号停止系统运行，提高系统的安全可靠性。

本发明能够快速、精确地输出或接收不同的PWM驱动信号，使主电路工作在不同的模式，具有很好的教学意义和应用前景。