任务名称
2021年_C题：三端口 DC-DC 变换器
任务要求
难度
一 任务
设计并制作三端口 DC-DC 变换器，其结构框图如图 1 所示。变换器有两种工作模式：模式 I，模拟光伏电池向负载供电的同时为电池组充电（IB>0）；模式 II，模拟光伏电池和电池组同时为负载供电（IB<0）。根据模拟光照（US 的 大小）和负载情况，变换器可以工作在模式 I或模式 II，并可实现工作模式的自动转换，在各种情况下均应保证输出电压 UO稳定在 30V。
二 要求
1. 基本要求
（1）US=50V、IO=1.2A 条件下，变换器工作在模式 I，UO=30V±0.1V，IB≥0.1A。
（2）IO=1.2A、US由 45V 增加至 55V ，电压调整率 SU ≤ 0.5% 。
（3）US=50V、IO由 1.2A 减小至 0.6A，负载调整率 SI ≤ 0.5%。
（4）US=50V、IO=1.2A 条件下，变换器效率I ≥90%。
2. 发挥部分
（2）US=35V、 IO=1.2A 条件下，变换器工作在模式 II，UO=30V±0.1V，效率II ≥95%。
（3）US=35V、 IO由 1.2A 减小至 0.6A，变换器能够从模式 II 自动转换到模式 I，负载调整率 SI ≤ 0.1%。
（4）其他。
三 说明
- 图 1 中直流稳压电源、二极管 D、电阻 RS 构成模拟光伏电池。直流稳压电源建议使用输出电压不小于 60V（可两路串联获得），额定电流不小于 3A 的成品电源，使用过程中应注意安全、避免触电伤害，测试时直流稳压电源由赛区提供；二极管 D、电阻 RS的选用应注意电流、功率等指标，必要时加装散热装置，注意避免烫伤。
- 图 1 中电池组由 4 节容量 2000~3000mAh 的 18650 型锂离子电池串联组成，要求采用自带管理功能(或自带保护板）的电池。电池组不需封装在作品内，测试时自行携带至测试场地，测试过程中不允许更换电池。
- 参赛队应认真阅读所用电池的技术资料，能够正确估算或检测电池的荷电状态，测试前自行合理设定电池的初始状态，保证测试过程中电池能正常充、放电。
- 基本要求（2）中
其中 UO45 为 US=45V 时的输出电压，UO55 为 US=55V 时的输出电压；类似地，发挥部分（1）中
，基本要求（3）和发挥部分（3）中的
- 变换器效率 η1=(Pp+PB)/PⅠ×100%，ηⅡ=Po/（PⅠ+PB）×100%，其中PⅠ=UⅠ·IⅠ、Po=Uo·Io、PB=|UB ·IB| 变换器的所有电路（包括测控电路）均由模拟光伏电池供电，即从输入端口（UⅠ处）取电。赛区测试时不再接入其他任何交、直流电源。
- 制作时应合理设置测试点，具体可参考图
评审标准
参考答案
GPT-4o给出的设计方案：
一、电路设计与元件选择
（1）DC-DC变换器选择：
选择一个能够满足输入和输出电压范围的DC-DC变换器模块。
- 输入电压范围：35V到50V（根据测试条件3和4）
- 输出调节范围：30V（如图1所示模拟电池电压）
（2）组件选择：
- 电压源(Vs)：可调的直流电源。
- 电流计(I1, I2, I3)：选择能够测量精确电流（如安规电流表）。
- 电压表(V1, V2, V3)：高精度的数字电压表测量电压。
- 负载(Ri)：可调电阻或者电子负载，能够模拟不同负载条件下的情况。
二、 电路安装与调试
根据图2所示的电路连接整个系统：
- 直流电源：将Vs调至所需的输入电压范围，连接到DC-DC变换器模块的输入端。
- 测量节点：连接电压表和电流表到指定的测量点。
- 负载：连接可调电阻或电子负载到变换器的输出端，模拟负载电流（0到12A）。
三、测试与验证
根据二部分所述的测试要求和条件，进行以下几项测试：
（1）测试1：负载适应性测试
- 在输入电压（35V到50V）下以不同电流（0A到12A）设置，调整负载条件，使得Uo=30V，记录实验结果，确保输出电流和电压满足要求。
- 确认稳态电压和电流在所述范围内变化时实际输出电压在要求范围内变化。
（2）测试2：效率测量
- 计算输入功率和输出功率：
- 输入功率：Pin=Ui · Ii
- 输出功率：Pout= Uo · Io
- 计算效率：
- η=Pout/Pin×100%
（3）测试3：调节率测量
- 输入电压变化（35V到50V）时，测量输出电压变化。
- 在不同负载电流（0A到12A）情况下，测量输出电压变化。
- 计算电压调节率，以[U_o]表现形式，确保满足公式所列条件。
四、安全与稳定性措施
- 保护电路：在输入和输出端分别加装保险丝或电流保护电路，防止过流过压。
- 隔离与接地：保证电路的良好接地，避免地环路干扰。
五、最终设计验证
- 在进行以上步骤和测试后，对比实验结果和项目要求，验证设计的DC-DC变换器满足所有功能和性能指标。
- 编写实验报告，记录测试数据与分析结果。
通过上述设计步骤和方法，能够有效地达到图中项目的各种测试要求，并确保DC-DC变换器稳定、可靠地工作。
本题目考查的知识点：
本题目主要考察了DC-DC变换器电路设计及测试的知识点，具体包括以下几个方面：
- 电路设计与元件选择：要求选择合适的DC-DC变换器模块、输入电源和负载元件，并正确连接电路。
- 电气参数测量：需要熟练掌握电压、电流测量仪器的使用以及精确测量输入输出电压、电流。
- 效率与调节率计算：要求掌握输入输出功率的计算，了解并计算转换效率和电压调节率。
- 负载适应性测试：测试变换器在不同输入电压和负载电流下的性能，确保输出电压稳定。
- 安全与保护措施：设计安全保护电路，加装保险丝或电流保护，确保电路长期稳定运行。
这些知识点要求考生具备硬件电路设计、实验操作以及数据分析的综合能力。
