基于STM32的雙向DC-DC變換器的設(shè)計(jì)

殷果 簡正波 李嘉豪 陳東升 楊奧成 郭茁蓬 祝秋香

關(guān)鍵詞：BUCK-BOOST 拓?fù)潆娐罚籔ID 算法；高效率

0 引言

隨著社會的進(jìn)步與科技的發(fā)展，傳統(tǒng)能源迅速消耗給整個世界都帶來了能源危機(jī)和環(huán)境污染問題，人們逐漸將焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了可再生能源如太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和燃料電池動力系統(tǒng)，但是以太陽能及風(fēng)能為主導(dǎo)的新能源在供電方面又存在易受環(huán)境影響的缺點(diǎn)，提供的電能波動起伏大且不穩(wěn)定[1]。為了滿足大眾對電力的需求，需要用蓄電池對電能進(jìn)行存儲，然后對外恒壓供電。雙向DC-DC變換器由于其能量可以雙向流動，使用的設(shè)備總數(shù)小，可以快速切換兩個方向的能量傳輸，并且具有效率高、體積小、成本低的優(yōu)點(diǎn)，對改善系統(tǒng)在需要雙向能量流動時的體積和重量具有重要的意義[2-3]。雙向DC-DC變換器作為蓄電池的主要儲能結(jié)構(gòu)，其在電動汽車系統(tǒng)、航天電源系統(tǒng)等場合的需求不斷增加[4]。而市場現(xiàn)存的單向DC-DC變換器能量僅能單向傳輸，且存在輸出電壓低、輸出電壓不可調(diào)的弊病。隨著新能源發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展和電動汽車電池技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，雙向DC-DC變換器也將會被廣泛應(yīng)用于市場，給人們?nèi)粘Ｉ钐峁└蟮谋憷ｑR等人采用PID 閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)蓄電池升壓和恒流充電的一種雙向DC-DC 變換器，同步整流以提高變換器效率[2]。王等人又設(shè)計(jì)了一種基于STM32 的雙向DC-DC 變換器，實(shí)現(xiàn)對電池恒壓恒流充電[5]。本文以STM32單片機(jī)作為核心，采用PID 算法，通過PWM 控制MOS 開關(guān)管，改變占空比，實(shí)現(xiàn)了充電和放電的功能，測試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了恒流充電、恒壓放電、過壓保護(hù)等功能，具有較高的電壓、電流控制精度和較高的轉(zhuǎn)換效率。

1 項(xiàng)目方案

雙向DC-DC變換器是在保持設(shè)備輸入、輸出電壓極性恒定的前提下，按照具體要求調(diào)節(jié)電流的方向，實(shí)現(xiàn)雙象限運(yùn)行的雙向直流/直流變換器。雙向DC-DC變換器系統(tǒng)以STM32單片機(jī)作為控制核心，主要由BUCK-BOOST拓?fù)潆娐贰WM控制信號驅(qū)動電路、輔助電源電路和電壓電流采樣電路構(gòu)成[6-8]。該系統(tǒng)引入PID算法，利用PWM控制MOS開關(guān)管，調(diào)節(jié)占空比，實(shí)現(xiàn)充電和放電的功能。在充電模式下，直流電源直接對電池組恒流充電，1～2A步進(jìn)可調(diào)，步進(jìn)值為0.1A ，充電效率超過90%；放電模式下，由電池組恒壓輸出30V驅(qū)動負(fù)載，放電效率超過90%。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)總圖如圖1所示。

1.1 單片機(jī)的選擇

方案1：采用STM32F103系列單片機(jī)。STM32單片機(jī)是意法半導(dǎo)體公司開發(fā)的一款32位基于ARMCortex-O 內(nèi)核的微控制器，工作頻率高達(dá)72 MHz，128 Kbytes的閃存，高達(dá)20 Kbytes的靜態(tài)隨機(jī)存儲器（SRAM），2個12位的ADC、3個通用16位定時器和1 個PWM定時器，外圍接口豐富：2個12C接口和SPI接口、3個USART 接口、一個USB 接口和一個CAN接口。故STM32具有數(shù)據(jù)處理快、傳輸效率高、功耗低、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。

方案2：采用51系列單片機(jī)。AT89C52單片機(jī)是由ATMEL公司生產(chǎn)的一款CMOS 8位微控制器，該芯片包含8Kbytes 的Flash ROM和256 bytes的RAM，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，40個引腳，32個I/O端口，2 個外部中斷，3個16位定時計(jì)數(shù)器，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可按常規(guī)方法編程，但不可在線編程。

綜上所述，由于雙向DC-DC變換器對單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度、數(shù)據(jù)采集功能和數(shù)據(jù)傳輸效率等要求比較高，因此選擇了STM32作為變換器的控制芯片。

1.2 雙向DC-DC 電路的論證與選擇

方案一：采用Bi BUCK/BOOST變換器，沒有電感電流斷續(xù)工作，變換效率高，可以同時升、降壓，但是輸入輸出電壓極性相反，難以控制電路雙向轉(zhuǎn)換。

方案二：采用正極性輸出的雙向BUCK/BOOST直流變換器，輸出電壓極性相同，可以同時升、降壓，但是由于需要控制四個開關(guān)管工作，控制較為復(fù)雜，且四個開關(guān)管影響整機(jī)轉(zhuǎn)換效率。

方案三：采用Bi BUCK-BOOST變換器，控制方法簡單，轉(zhuǎn)化效率高，單向升壓或降壓能更好地滿足題目要求。

綜上所述，選擇方案三。

1.3 驅(qū)動電路的論證與選擇

方案一：采用IR2104為驅(qū)動核心，IR2104由IR公司生產(chǎn)的大功率MOSFET 和IGBT 專用驅(qū)動集成電路。它既能實(shí)現(xiàn)MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動，又具有快速完整的保護(hù)功能，從而提高了控制系統(tǒng)的可靠性，降低了電路的復(fù)雜性。相比于用分立元器件搭建的驅(qū)動電路，選用IR2104芯片構(gòu)成的驅(qū)動電路外圍電路簡單。

方案二：采用TLP250作為驅(qū)動核心，TLP250的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，但電路比較復(fù)雜，需要三路電源。

綜上所述，選用方案一。

2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

1）STM32單片機(jī)

STM32單片機(jī)是意法半導(dǎo)體公司開發(fā)的一款32 位基于ARM內(nèi)核的微控制器，其具有價格便宜、外設(shè)功能多、兼容性強(qiáng)、操作方便等特點(diǎn)，能以最小的硬件變化來滿足個性化的需求，適合嵌入式應(yīng)用。它的操作編程方式多種多樣，不但能夠通過寄存器進(jìn)行編程，同時也能夠使用官方給出的庫文件進(jìn)行編程。STM32單片機(jī)采用的是C語言來進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。C語言具有語言簡潔緊湊、運(yùn)算符豐富、結(jié)構(gòu)清晰等特點(diǎn)，它與STM32單片機(jī)的結(jié)合能使項(xiàng)目編程方便、操作簡便等特點(diǎn)[9]。

2）BUCK-BOOST拓?fù)潆娐?/p>

BUCK-BOOST拓?fù)潆娐罚址Q升降壓拓?fù)潆娐罚且环N輸出電壓比輸入電壓高也可比輸入電壓低的單管且不隔離直流電路，其輸出電壓與輸入電壓的極性相反[5]。該電路可看成是BUCK電路和BOOST電路的一個結(jié)合。它的特點(diǎn)是溫度漂移小、輸出電壓穩(wěn)定度高，有很好的負(fù)載和線性調(diào)整率。當(dāng)Q2關(guān)閉，Q1開通時，可以將BUCK-BOOST 拓?fù)潆娐房闯墒且粋€BUCK電路，能量從U2傳輸至U1；當(dāng)Q1關(guān)閉，Q2開通時，可以將拓?fù)潆娐房闯墒且粋€BOOST電路，能量從U1 傳輸?shù)経2。BUCK-BOOST 拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

3）驅(qū)動電路

驅(qū)動電路是由6N137光耦合器與IR2104芯片所構(gòu)成，該電路可以將STM32單片機(jī)產(chǎn)生的PWM，通過6N137與驅(qū)動芯片進(jìn)行隔離，從而保護(hù)單片機(jī)；再利用驅(qū)動芯片IR2104形成兩路反相帶死區(qū)的PWM驅(qū)動開關(guān)管，避免兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通而破壞開關(guān)管。驅(qū)動電路如圖3所示。

4）輔助電源的設(shè)計(jì)

輔助電源的作用是給系統(tǒng)一個穩(wěn)定的電壓。在變換器中，STM32單片機(jī)的供電電壓是3～5V，霍爾元件及其他芯片的供電電壓是12V。因此，輔助電源電路的三端穩(wěn)壓芯片一般是7905和7912。三端穩(wěn)壓芯片能起到一個過壓保護(hù)、過流保護(hù)及過熱保護(hù)的作用，在其工作時一般給它們配置散熱片。

5）信息采集及保護(hù)模塊

信號采集模塊選用16位的ADS1118芯片進(jìn)行采樣。過流保護(hù)電路通過單片機(jī)采樣輸入電壓和輸出電流，當(dāng)電壓低于24±0.5V或高于36±0.5V、電流超過2±0.1A時，單片機(jī)通過控制繼電器的開、關(guān)向PA.2口發(fā)送電平，實(shí)現(xiàn)對電路的保護(hù)功能，過流保護(hù)通過軟件控制，具有自恢復(fù)功能。

使用C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，利用Keil 5可以將程序燒錄至STM32單片機(jī)。而STM32單片機(jī)作為整個的控制核心，對BUCK-BOOST拓?fù)潆娐贰⑤o助電源電路等其他電路起到一個調(diào)節(jié)的作用，并且實(shí)現(xiàn)了電壓電流采集、過充保護(hù)、按鍵掃描等功能。該項(xiàng)目的程序設(shè)計(jì)的思路是首先啟動系統(tǒng)，對按鍵等部分硬件進(jìn)行初始化，接下來雙向DC-DC變換器進(jìn)入充電模式，然后系統(tǒng)進(jìn)行判斷，如果電壓沒有超過24V，則繼續(xù)充電模式；如果電壓超過24V，則進(jìn)入放電模式，最后測試結(jié)束。程序設(shè)計(jì)如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1充電電流的測量

當(dāng)I1=2A，U2在24～36V范圍變換時，用數(shù)字萬用表測量實(shí)際輸出電流。其中I1為設(shè)定電流，U2為充電輸入電壓，I10為實(shí)際測量值。根據(jù)相關(guān)公式：e=|（I10-I1）|/I1×100%，計(jì)算充電電流的變換率。由表1可知充電電流的變化率滿足要求。

3.2 變換器的效率測量

當(dāng)I1=2A，U2=30V時，用數(shù)字萬用表測量充電電壓U1和放電電流I2，根據(jù)公式η=|P1/P2|×100%、η=|P2/P1|×100%，其中P1=U1·I1，P2=U2·I2。經(jīng)過數(shù)字萬用表測量后輸出U1=21.67V，I1=1.996A，輸入U2=30.24V，I2=1.475A，計(jì)算可得DC-DC變換器的效率符合要求。

3.3 電流顯示精度測量

在輸出電流I1=1～2A 范圍內(nèi)，用數(shù)字萬用表測量輸出電流，將測量電流與顯示電流記錄，經(jīng)計(jì)算電流顯示精度測量不低于4%，符合要求數(shù)據(jù)如表2所示。

3.4 過充保護(hù)測試

在輸出電流2A下，在額定電流輸出端口將電池間接插入一個滑線變阻器，以調(diào)節(jié)滑線變阻器，并在輸出電壓超過24V時，開啟過充保護(hù)，并暫停充電，符合題目要求。

4 結(jié)束語

通過團(tuán)隊(duì)的努力，雙向DC-DC變換器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本達(dá)標(biāo)，滿足項(xiàng)目創(chuàng)新的要求。雙向DC-DC變換器電路簡單、效率高、性能穩(wěn)定，可以適用于直流不停電系統(tǒng)、電動汽車系統(tǒng)等方面。它作為蓄電池的一部分，被廣泛應(yīng)用于實(shí)際生活中，給人們的日常生活提供了較大的便利。該項(xiàng)目的實(shí)施，不僅推動了團(tuán)隊(duì)對專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，而且提高了動手的能力，具有實(shí)踐意義。