基于STM32雙向轉換電源的設計與實現

摘 要：為了實現電能的雙向流動，在研究雙向DC-DC變換器的基礎上，采用主拓撲為Buck-Boost級聯型雙向直流變換器，利用脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）技術[1]，設計并制作了一種可雙向轉換電能的開關電源。設計中以STM32為控制和計算核心，實現對鋰電池的充放電，經過實際的測試，充電時，在輸入為30V時，以恒定電流2A為鋰電池充電，精度可達0.6%以上，效率高達95.69%；放電時，輸出恒定電壓30V，效率高達94.58%。

關鍵詞：Bi Buck-Boost；雙向DC-DC變換器；高效率；PWM

引言

早在20世紀80年代初，雙向直流變換器就應用于人造衛星的太陽能電源系統。隨后，雙向直流變換器在電動車輛、應急和備用電源中得到了應用。隨著太陽能電源、風力發電、燃料電池等新型電源的興起，雙向直流變換器的應用更加廣泛[2]。

直流變換器主要可分為隔離式和非隔離式，非隔離式的直流變換器相對隔離式的具有效率高、體積小、重量輕、制作方便等優點，但會存在開關管寄生二極管的反向恢復問題；非隔離式雙向直流變換器主要有：Buck-Boost、Buck/Boost、Cuk和Sepi-Zeta四種拓撲結構。綜合考慮到后，電源的主電路采用雙向Buck-Boost直流變換器，該拓撲結構簡單，轉化效率比較高，配合STM32單片機的穩定控制，能夠實現電能的雙向流動。

1 系統框圖及工作原理

系統的結構框圖如圖1所示，以STM32為控制核心，Bi Buck-Boost為主電路，以及驅動電路、輔助電源、采樣電路、過壓保護電路等。系統共有兩種工作模式，分別是充電模式和放電模式；在充電模式下，電路為同步Buck，由直流穩壓電源供電，STM32作為控制核心，通過采樣和脈寬調制技術，輸出恒定電流對鋰電池進行充電，可在液晶上實時顯示充電電流數值，同時設有過壓保護電路，防止損壞鋰電池。放電模式下，由鋰電池供電，同樣用STM32作為控制核心，通過采樣和脈寬調制技術，輸出恒定電壓，液晶實時顯示放電電壓，電壓值可通過鍵盤設置。

2 主電路設計思路

2.1 雙向DC-DC變換電路的設計分析及參數計算

采用雙向Buck-Boost拓撲結構為主電路；當輸入電壓為U1，輸出電壓為U2時，電路等效為同步Buck其中Q2取代了續流二極管。；當輸入電壓為U2，輸出電壓為U1時，電路等效為同步Boost，其中Q1取代了續流二極管。

MOS開關管：選用IRF540，其RDSS=100V，VDSS=0.04 ，性價比高性能好。

電感L：鑒于同步Buck與同步Boost電路分別工作時都是在電流連續工作模式（CCM），根據電流臨界連續條件，綜合考慮后選取電感值約為450uH的儲能電感。

電容C1、C2：輸出端的電容作用為濾除由儲能電感產生的高次諧波，經計算后得輸出濾波電容為4700uF。

2.2 驅動電路的設計

IR2104是一款驅動能力強，性價比較高的驅動芯片。該電路由STM32產生PWM，通過光隔6N137與IR2104連接，再由IR2104產生兩路反相帶死區的PWM來驅動開關管。死區可防止兩個開關管同時導通。

2.3 AD采樣電路的設計

ADS1115是16位的采樣芯片，采樣精度高，在系統中用ADS1115采樣芯片進行電流采樣，用大約50m 的康銅絲作為采樣電阻，通過差分采樣康銅絲上的電壓值，經單片機計算后得到電流值。

2.4 過充保護電路的設計

過充保護電路由圖騰柱結構和繼電器組成；當處于充電模式時，STM32通過自身ADC對充電電壓進行實時采樣，當檢測到電壓超過24V時單片機會發出一個高電平，通過圖騰柱增強驅動能力驅動繼電器和電路斷開，避免損壞鋰電池。

3 系統軟件設計

系統開始工作后，系統進行初始化，初始模式為充電模式，可通過鍵盤轉換模式。單片機通過對電壓、電流進行采樣檢測，如果電壓超過24V則啟動過充保護電路，將采樣電流與設置的電流比較，若和設置電流相差超過一定范圍則通過改變PWM的占空比來調節，使輸出的電流與設置的電流相差在一個很小的范圍內，保持恒流輸出。放電模式時，由單片機對輸出電壓進行采樣，若采樣電壓與設置電壓相差超過設定范圍則改變PWM占空比來調節，使輸出恒定電壓。

4 實驗結果與分析

4.1 電流精度測試

在U1=30V輸入下，用鍵盤設置任意電流給鋰電池充電，用數字萬用表測輸出電流，數據記錄如表1所示。

由上表數據根據相關公式可得電流精度：ei=×100%，其中I1為設置電流，I2為實際電流。

4.2 電流變化率的測試

系統在充電模式，設置輸出電流為2A給鋰電池充電，U1輸入在24V到36V內變化時，用數字萬用表檢測電流，具體數據：輸入電源分別為24V、26V、30V、34V、36V時，輸出電流為1.995A、1.994A、1.997A、1.993A、1.992A。根據相關公式可得電流變化率為：Si=×100%≈0.15%，其中I1=1.995，I2=1.992。

4.3 充電模式給定條件下系統效率的測試

在輸入電壓U1=30V條件下，設置輸出電流I=2A，測得輸入電壓為30.17V，電流為1.455A，輸出電壓為20.918V，電流為1.997A，則效率為95.69%。

4.4 過充保護測試

穩定輸出2A電流條件下，在鋰電池與輸出端串聯一個滑動變阻器來分壓，調節滑動變阻器至輸出電壓接近24V，當測量電壓達到24.1V時，過充保護啟動，充電停止。

4.5 放電模式給定條件下效率的測試

以鋰電池為電源，測得輸入電壓為18.812V，電流為1.596A，輸出電壓為30.011，電流為0.946，則效率為94.58%。

5 結束語

文章設計的雙向轉換電源，在充電模式時，輸入直流電壓30V條件下，以2A恒定電流為鋰電池充電，測試效率高達95.69%；放電模式時，以鋰電池為電源，輸出恒定電壓30V，供電，測試效率高達94.58%。設計基本實現了電能的雙向轉換，整個系統結構較為簡單，運行穩定，且電流精度和效率都比較高，對于研究雙向直流變換器提供了一個比較簡單的研究方案。

參考文獻

[1]王兆安，劉進軍.電力電子技術（5版）[M].北京：機械工業出版社，2013.

[2]嚴仰光.雙向直流變換器[M].南京：江蘇科學技術出版社，2004.

作者簡介：魏永祥（1995-），男，湖南婁底人，本科在讀，研究方向：開關電源技術。