【 DigiKey DIY原創(chuàng)大賽】基于雙向電源模塊設(shè)計的雙向直流大功率源載一體機

名稱：源載一體機

設(shè)計背景：

現(xiàn)在新能源速度迅猛，儲能逆變，戶外電源，鋰電池，性能源汽車等都是雙向能源轉(zhuǎn)換等應(yīng)用場景，那么開發(fā)者對實驗設(shè)備的功能需求也是提出更高的要求，目前主流的實驗電源，負(fù)載都是分開，而且都是單向的，一臺實驗電源價格不低，價格低的性能差，電阻負(fù)載及更加，一臺1500W電子負(fù)載動則上萬，很多工程師，工廠的老化環(huán)境使用電阻棒，這樣就很多不便的點，再者可選擇的就是雙向電源，雙向源載一體機，這玩意那就是非常方便了。源載一體故名思就是將電源和負(fù)載合二為一，既可以當(dāng)作實驗電源使用，也可以當(dāng)作負(fù)載使用，當(dāng)然這里講的源載一體機并不是說將一個負(fù)載合電源做在一個箱子里面就叫源載一體機，而是臺源載一體機其實是雙向可調(diào)電源，當(dāng)負(fù)載應(yīng)用時，是將電能轉(zhuǎn)換后回饋到電網(wǎng)，實現(xiàn)高能效比，轉(zhuǎn)換效率通常是達(dá)到90%以上，還有這種源載機的電壓調(diào)節(jié)范圍，電流調(diào)節(jié)范圍是非常廣的，那么對于開發(fā)工程師簡直是做夢的想要的一臺機器把，反正本人是做夢都想要的，但是不看不知道一看嚇一跳，現(xiàn)在這種源再一體機的價格簡直是不要太貴，而且功率都做的很大，一臺15KW 的雙向可調(diào)電源要6W+,所以真心用不起，所以秉著理工技術(shù)難的原則就是，買不起就自己造的原則，就默默的埋下了這顆種子。

其實這種機器確實存在很大的技術(shù)難點，雖然我做過可調(diào)電源，正弦波逆變器，但是要把這兩玩意做成一個機器，那技術(shù)上就不是一回事，逆變器就不是簡單的逆變器，要能并網(wǎng)雙向，現(xiàn)在的儲能逆變器確實很火，都是雙向技術(shù)，但是想自己能玩轉(zhuǎn)還是有一定技術(shù)門檻的，自己不擅長軟件那就是很大的問題，再者要實現(xiàn)雙向DC的隔離，再要實現(xiàn)電壓電流的寬范圍調(diào)節(jié)，都不是簡單的事情。再者要實現(xiàn)友好的交互界面，不能就接一個電壓電流表頭把，那豈不是一個高大上的儀器看上去像一臺電焊機？不行，那一定要有液晶屏。確實一臺理想源載機要攻克的技術(shù)難點太多了，于是默默的放下了很長一段時間。

直到有一天，在某魚上看到雙向電源模塊，價格很便宜，是做電池化成淘汰下拉的，當(dāng)時也是很好奇，這東西能好嗎，是不是做工很爛。經(jīng)過很長一段時間的思想斗爭于是決定買兩臺回來測試一下，先看看這玩意里面究竟怎么做的，性能好不好。買回來后測試確實驚訝到我了，內(nèi)部做工真的非常的漂亮，做工和通訊電源一樣，器件用料扎實，排布工整，滿滿當(dāng)當(dāng)。當(dāng)時是買的一個4000W，50V +84A-75A左右的參數(shù)，簡直不要太完美。這種模塊內(nèi)部采用圖騰柱整流，輸出采用雙向LLC結(jié)構(gòu)，所以輸出是不能調(diào)節(jié)的，美中不足啊，當(dāng)做可調(diào)電源肯定是要電流，電壓都要從0開始調(diào)節(jié)的。帶大家看看拆機的照片：

我在想這個種電源做工品質(zhì)絕對是OK，包括測試性能都是很好的，全新的價格據(jù)說是4000來塊，那么在這個基礎(chǔ)上增加一級雙向調(diào)壓，既可以實現(xiàn)可調(diào)電源的功能了，那也是可以的，既可以滿足需求也可以快速實現(xiàn)開發(fā)。那么想到BUCK-BOOT 4開關(guān)變換結(jié)構(gòu)，這個拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)升降壓，雙向而且是寬范圍，但是想玩轉(zhuǎn)可不簡單，目前市面上有4開關(guān)專用的驅(qū)動芯片但是都不滿足我的需求，我的預(yù)期是要實現(xiàn) 降壓、升壓，正向，反向，全部的功能，因為該模塊輸出是50V ，如果只能實現(xiàn)降壓那么顯然是不夠的。但是這個四開關(guān)做做可靠可不是簡單的事情，因為本人對模擬電路有一定的經(jīng)驗，純硬件正弦波逆變器曾經(jīng)也是手搓過的，就在向這個4開關(guān)仔細(xì)像想一下應(yīng)該也是可行的，在腦海里思考這個用純硬件驅(qū)動四開關(guān)的方案~~后來就一發(fā)不可收拾的堅持做研究探索純硬件的控制方案，需要實現(xiàn)升降壓，雙向調(diào)電流電壓，短路保護，單周期限流等功能，知道這種保護沒做好是直接炸機的。

初步設(shè)計的原理就是R1采集電感電流，做主電流控制，R4采集輸出電流，對終入輸出的電流進行精準(zhǔn)的采集顯示。

經(jīng)過一段時間的技術(shù)技術(shù)可行性的評估，初步制定技術(shù)路線制定源載機的參數(shù)：

輸入電壓：AC220V±20%

輸出電壓：0-140V

輸出電流：-100A到 +100A

輸出功率：4000Wmax

饋能功率：3600W；（受雙向AC/DC模塊限制）

功能描述：

1、電源模式：當(dāng)作實驗電源使用，0-140V聯(lián)系可調(diào)，0-100A連續(xù)可調(diào)。負(fù)電流設(shè)置為0 ，不能調(diào)節(jié)，可設(shè)定最大輸出功率，超過設(shè)定功率，自動降低輸出電流,電壓

2、負(fù)載模式：可以0-140V范圍內(nèi)，0-100A電流恒流調(diào)節(jié)，超出設(shè)定功率，自動降低電流，電阻模式（根據(jù)電流，電壓去計算電阻）

3、源載模式：恒定設(shè)定電壓，當(dāng)外部源電壓比設(shè)定電壓高的時候，電流流入源載機，回電網(wǎng)，外部源電壓低的情況，源載機對外輸出電流，如果超出設(shè)定電流，自動進入CC恒流模式，此模式真正的雙向調(diào)節(jié)。與電池特性一致，

4、電池測試：可編程對電池的充電截至電壓，放電截至電壓，充電電流，放電電流進行編程，記錄放電AH,WH 周期時長。可以設(shè)定電池測試循環(huán)測次數(shù)。

還要一個很好的人機交互界面。

花了一點時間把PCB都搞了一下：

功率板：

功能：主要是4開關(guān)的主功率板，板上集成輔助開關(guān)電源為整個控制系統(tǒng)，驅(qū)動提供電源，供電范圍是15-100V，

開關(guān)管采用的是HYG035N10，這個管子內(nèi)阻非常低3.5mR/100V，速度很快，低壓大電流非常推薦，功率管采用3并，共12個，電流采樣采用的康銅電阻 2mR 4并，分為電感電流采集和輸出電流采集，兩路，均采用納芯微的NSI1200隔離光耦進行隔離，輸出電壓和輸出電壓采用的電阻差分采集，驅(qū)動光耦采用那芯微的NSI6801,驅(qū)動能力很強，電感使用的華為拆機電感，90A/35uH，抗飽和能力很強。

主功率部分只有這么多東西，電路部分并不復(fù)雜，成功與否在于細(xì)節(jié)。

控制板：

控制板：采用純硬件控制策略，一堆模擬電路和波形發(fā)生器組成，結(jié)合各種邏輯保護，和開關(guān)換向切換BOOST-BUCK 模式及雙向，這里不做過多贅述，現(xiàn)在很多方案都是MCU實現(xiàn)，我這個方案玩一下強化模擬電路的設(shè)計能力而使用的，這里這塊板MCU給一些基準(zhǔn)信號，整個功率部分就能運行起來，基準(zhǔn)信號使用電位器都能給。最開始調(diào)試就是沒有上MCU板的。

MCU控制板：

MCU板上采用一個STM32103的單片機，驅(qū)動3.5寸裸屏，采用外部ADC ADS1118 差分采集輸出電壓，電流，保證電流電壓的精度。集成一個無線串口模塊可以連接上位機進行波形顯示。

最后看一下UI界面：花了一點時間手搓一個顯示界面，由于本人單片機水平有限，顯示這款總是卡頓不前，還在持續(xù)優(yōu)化中

最后還有一塊板：雙向電子開關(guān)，該電子開關(guān)是防止輸出電壓比較高的情況下，短路輸出端子造成打火，或者負(fù)載端突然短路，還有輸出反接使用的，我們使用可調(diào)電壓夾子短路時挺嚇人，或者給電池充電的時候不小心接反可能都會把電源干掛，處于這些考慮我特意花了點時間設(shè)計下面這款電子開關(guān)，

該電子開關(guān)采用的8個150V MOS ，開通總內(nèi)阻在1.5mR左右，使用時背面貼導(dǎo)熱導(dǎo)散熱器，保證大電流的流通。設(shè)置4個TVS管方式尖峰擊穿MOS ，最核心的就是短路保護，這個短路保護的值是可以調(diào)節(jié)的，此板已經(jīng)調(diào)試完成，效果非常好，我將把電路圖放出來，大家可以分析該電路的實現(xiàn)原理，有實際需求可以直接使用。

SW100A_Project_23.pdf