基于STM32的Buck-Boost雙向DC-DC變換器的研究

滕新宇　魏子禎　曲強

關鍵詞：DC-DC 變換器；雙閉環控制；Buck-Boost；MATLAB；STM32

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A

0 引言

雙向DC-DC（直流電轉換為直流電）變換器因具有穩定直流電壓和進行能量雙向流動的作用，在工程中獲得廣泛的應用。張宇等[1] 針對雙饋抽水蓄能電機低電壓穿越的問題，提出了基于軟開關技術的兩相交錯式雙向半橋拓撲結構的雙向DC-DC 變換器。該變換器由于造價成本高、技術不成熟、設計電路復雜及電源不能完全切斷等問題并未得到廣泛應用。為避免能源浪費，陳鼎圣等[2] 在新能源儲能系統中，以鋰電池充放電系統為應用場景，但由于電路的開關元件需要耐高壓，并且耐壓要大于正常工作電壓的兩倍，因此，其提出的推挽式開關電源在220 V 交流供電設備中很少用到。曹雷等[3] 提出了一種采用半橋式電路作為雙向DC-DC 的主電路拓撲結構的方案，通過狀態空間平均法對變換器進行了小信號建模，給出了控制量到電感電流、電感電流到輸出電壓的傳遞函數，選擇了合適的補償控制器類型，保證微網輸送電能的連續性，但半橋式對電源的利用率比較低，還會出現半導通區，損耗大。如果兩個控制開關處于交替工作的狀態，也就是兩個開關處于一個很短時間的導通狀態，電源電壓就會發生短路。

為優化設計和提高功率轉化率， 本文采用STM32（ 一種32 位的單片機） 系列中的STM32F103C8T6 芯片來控制可應用于汽車電源系統的Buck-Boost 雙向DC-DC 變換器，構建了Buck-Boost 雙向變換器仿真模型，驗證設計的有效性。

1 基于STM32的Buck-Boost雙向DC-DC變換器設計與PI參數設定

1.1 基于STM32 的Buck-Boost 雙向DC-DC變換器總體電路

圖1 為基于STM32 的Buck-Boost 雙向DC-DC變換器總體電路，主控芯片選擇STM32F103C8T6，通過STM32 芯片的I/O（ 輸入/ 輸出） 口輸出PWM（脈沖寬度調制），借助N 溝道MOSFET（金屬—氧化物—半導體場效應晶體管）柵極驅動芯片LN8362 驅動雙向DC-DC 電路中的MOSFET 場效應管進行切換電池的充放電工作模式，電池電壓采樣電路、充電電流采樣電路和放電電壓采樣電路通過信號處理傳遞信號給STM32 芯片，使STM32 芯片調節PWM 占空比。當K1 閉合時，48 V 直流穩壓電源給負載供電，同時通過由STM32 控制的雙向DC-DC 變換器為24 V 電池充電，當K1 斷開時，24 V 電池通過雙向DC-DC 變換器升壓到48 V 為負載供電，保證負載不間斷運行。

1.2 采樣電路

1.2.1 電流采樣電路

通過測量輸出側串聯的10 mΩ 電阻壓降來實現電流采樣。為減小功率損耗，圖2 中的采樣電阻R1采用精度為0.5% 的電阻[4]，使用INA282 電流感應放大器，差分放大后進入同向放大電路，INA282 的增益為50 V/V，當采樣電阻值為Rx 時，反饋電壓VIBF=50RxI，因電壓與電流成正比，通過單片機計算可得電流值，其中IOUT 為輸出電流，Iin 為輸入電流，AD 為模擬信號，GND 為電線接地端。

1.2.2 電壓采樣電路

電壓信號通過1 kΩ 的電阻與30 kΩ 的電阻分壓輸入模擬數字轉化器（ADC）進行轉換，為提高精度，分壓電阻R4、R5 均采用精度為0.1%、溫度系數為3.0×10-5/℃ 的金屬膜電阻[4]。分壓后并聯一個10 nF 的電容達到低通濾波作用，電壓采樣電路如圖3 所示，其中VCC 表示輸入電壓；VAD 表示要送到單片機進行模數轉換的電壓信號。

1.3 PI 參數設計

基于STM32 的Buck-Boost 雙向DC-DC 變換器采用雙閉環控制，包括電流內環的比例—積分（PI）調節和電壓外環的超前校正，變換器控制圖如圖4 所示。

2 基于STM32的Buck-Boost雙向DC-DC變換器分析

2.1 基于STM32 的Buck-Boost 雙向DC-DC變換器拓撲電路結構

由圖5 可知，Buck-Boost 型雙向DC-DC 變換器由Boost 電路和Buck 電路反并聯而成，將普通的Buck 電路的二極管換成MOSFET，并在兩端口并接大容量的濾波電容[6]。其中Q1 和Q2 是帶寄生二極管的全控型開關管，V1 為電源電壓，SA 為控制開關，C1 為高壓側電容，C2 為低壓側電容，L1 為儲能電感。

2.2 Buck 充電工作模式

當開關SA 閉合時，變換器處于Buck 充電工作模式，電源為負載A 供電且為電池充電；當開關管Q2 導通、Q1 關斷時，電源為電感L1、C2 和電池充電，其電流流向如圖6a 所示；當開關管Q2、Q1 均關斷時，L1 靠Q1 的寄生二極管續流，電池電壓靠L1 電流和C2 放電維持，其電流流向如圖6b 所示。

2.3 Boost 放電工作模式

當開關SA 斷開時，模擬電源系統故障，變換器處于Boost 放電工作模式，儲能電池放電為負載供電，維持負載正常運行；當開關管Q1 導通、Q2關斷時，儲能電池放電為電感L1 充電，電流流向如圖7a 所示；當開關管Q1 關斷、Q2 導通時，電池與電感L1 共同為負載A 供電，電壓上升，電流流向如圖7b 所示。

2.4 元器件參數選擇

（1）L1 電感選擇。輸入電壓V1 的存在使得電感電流線性上升，電感處于儲能增加階段。與Boost 模式下Q2 導通階段相同，在此階段內電感電壓與電容電流可描述為：

3 基于Simulink的雙向DC-DC仿真

使用Simulink（可視化動態系統仿真環境）搭建一個雙向DC-DC 的Buck-Boost 型電路。根據式（6） 至式（9） 計算元件取值： 電感L1 為57.6 mH，C1 為1 nF，C2 為1.25 mF；使用基于超前校正的電壓外環和PI 控制的電流內環，根據傳遞函數計算出電流環PI 參數，進行Boost 放電模擬仿真，當供電電源處于斷開狀態時，負載供電穩定維持在48 V 左右，保持負載的正常運行，仿真結果如圖8a 所示。

當電源系統處于正常運作時，電源為電池充電實現DC-DC Buck 的降壓過程，電池處于充電工作模式；當系統因為某些原因斷電時，電池迅速通過DC-DC Boost 升壓過程，從24 V 迅速升壓到48 V，為負載持續供電，斷電過程如圖8b 所示。由仿真結果可知，基于雙閉環控制的Buck-Boost雙向DC-DC 操作簡單，實用功能強，響應速度快，紋波小，能夠實現瞬間的能量雙向傳遞，保證負載不間斷正常運行。

4 結論

雙向DC-DC 變換器在不間斷電源領域，如汽車系統以及航空航天領域有著重要作用。本文通過MATLAB 對雙向DC-DC 變換器的雙閉環PI 控制模型進行了仿真，仿真結果表明，所采用的基于STM32的Buck-Boost 雙向DC-DC 變換器具有穩定性好、抗干擾性高、反應速度快、效率高、造價低的優點，對雙向DC-DC 變換器的發展有重要的參考意義。