雙向 DC － DC 變換器（ Bidirectional DC － DC Converter—BDC）是一個 DC － DC 變換器的雙象限運行，是在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的情況下，根據應用需要改變電流方向，實現能量雙向流動的 DC － DC 變換器。它的輸入、輸出電壓極性不變，但輸入、輸出電流的方向可以改變。圖 1 為 BDC 的二端口示意圖，雙向 DC － DC 變換器置于 V1 和 V2 之間，控制其間的能量傳輸。從各種基本的變換拓撲來看，可將其看做兩個單向 DC － DC 變換器反向并聯連接，通過改變兩個單元的工作狀態(tài)調節(jié)能量的雙向流動，因此雙向 DC － DC 變換器在功能上相當于兩個單向 DC － DC變換器。

　　雙向DC_DC 變換器的原理

　　雙向DC_DC變換器是指在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的情況下，能夠根據需要調節(jié)能里雙向傳輸的直流到直流變換器，如圖1所示： 雙向DC_DC變換器置于V1和V2 之間，控制其間的能里傳輸，I1和2分別是V1和V2的平均輸入電流。根據實際應用的需要，可以通過雙向DC_DC變換器的變換控制，使能里從V1傳輸到V2，稱為正向工作模式（Forwardmode），此時I1為負，而I2為正; 或使能里從V2傳輸到V1，稱為反向工作模式（Backwardmode），此時I1為正，而2 為負。

　　由于電力電子技術的不斷發(fā)展，使得雙向 DC － DC 變換器的應用日益廣泛。尤其是靜態(tài)開關技術的出現，使雙向 DC － DC 變換器不斷朝著高效化、小型化高性能化的方向發(fā)展。雙向 DC －DC 變換器作為典型的“一機兩用”設備，在需要能量雙向流動的應用場合，可以大幅度降低系統(tǒng)的體積、重量及成本，具有高效率、動態(tài)性能好等優(yōu)勢，具有重要的研究價值。我們以實際參賽為經驗，研究并設計了基于 STC12C5A60S2 單片機的雙 DC － DC 變換電路。

　　系統(tǒng)方案論證

　　雙向 DC － DC 模塊的論證與選擇

　　雙向 DC － DC 變換有隔離和非隔離兩種。非隔離型的電路比較簡單，容易實現，且能滿足低壓、大電流場合應用，但是其電壓轉換比較低; 相反，隔離型的變換器可以實現較大大的電壓轉換比，且相較于非隔離性安全性高，可應用于不同功率場合，但是由于隔離變壓器的漏磁和損耗等易造成效率的降低。本題沒有要求輸入輸出隔離，且結合兩者的優(yōu)缺點，所以選擇非隔離方式。具體有以下幾種方案：

　?。?1） 方案一： 雙向 Cuk 型拓撲結構變換器

　　Cuk 型雙向 DC － DC 變換器電路如圖 2 所示，該電路需要兩個電感將能量經過三次傳遞到負載，因此對電容傳輸能量的性能要求高，不適用于大功率場合應用，且效率比較低，電路較為復雜，實際電路應用很少。

　　（ 2） 方案二： 半橋型雙向變換器

　　把非隔離的半橋型單向 DC － DC 變換的功率二極管變?yōu)殡p向開關后即構成非隔離的半橋型雙向 DC － DC 變換器，其電路如圖3 所示，這種雙向 DC － DC 變流器結構簡單，成本低，容易實現單端恒流，開關管的電壓、電流應力小，適合于中小功率的應用場合。鑒于上面分析，選用方案二。

　　電流恒定控制模塊的論證與選擇

　　（ 1） 方案一： 實時檢測 + 控制器實現

　　通過電路和控制器對輸出電流進行實時檢測，得到實時電流值。如果實時電流值大于（ 或小于） 設定電流值，控制器控制 DC－ DC 使輸出電壓減?。?或增大） ，直至實時電流值等于設定電流值，由此可將電流控制在設定電流值附近。此方案控制電路簡單，但是對控制器的運算量和運算精確度提出了較高要求，而且存在控制延時，效果并不理想。

　　（ 2） 方案二： 采用 CMOS 場效應管 + 控制器實現

　　控制器 控 制 雙 向 DC － DC 的 輸 出 電 壓，使 其 逐 步 達 到 由CMOS 場效應管構成的壓控恒流源的臨界值。電路原理圖如圖 4所示。此方案效率最高，但是若場效應管經常工作于臨界值，會使輸出電流動態(tài)波動很大。

　　3） 方案三： 采用 CMOS 場效應管 + 硬件電路實現

　　采用 CMOS 場效應管構成壓控恒流源，硬件電路直接反饋，電路原理如圖 5 所示。此方案使控制器不再參與電流控制，因此極大減少了控制器的運算量，提高了電路的可靠性。鑒于上面分析，選用方案三。

　　控制電路模塊的論證與選擇

　　（ 1） 方案一： 采用 ATMEL 公司的 AT89S51 單片機。可利用其外圍 ADC 以及 DAC 完成系統(tǒng)反饋功能。AT89S51 雖開發(fā)簡單，初學者容易上手，但 FLASH 存儲僅 4K 字節(jié)。

　?。?2） 方案二： 采用 FPGA。FPGA 資源豐富，可實現靈活的編程控制。但是 FPGA 功耗較大，不適于開發(fā)低功耗電源。

　?。?3） 方案三： 采 用 STC 公 司 的 STC12C5A60S2 單 片 機，是AT89S51 系列的增強版，處理速度增加 8 － 12 倍，其單片機內部就自帶高達 60K FLASH ＲOM，因此在性價比、功耗、難易程度等方面很有優(yōu)勢。

　　鑒于上面分析，選用方案三。