基于STM32的雙向DC-DC變換器的設(shè)計(jì)

殷果 簡(jiǎn)正波 李嘉豪 陳東升 楊?yuàn)W成 郭茁蓬 祝秋香

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

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步與科技的發(fā)展，傳統(tǒng)能源迅速消耗給整個(gè)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(yáng)能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，但是以太陽(yáng)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(dòng)起伏大且不穩(wěn)定[1]。為了滿足大眾對(duì)電力的需求，需要用蓄電池對(duì)電能進(jìn)行存儲(chǔ)，然后對(duì)外恒壓供電。雙向DC-DC變換器由于其能量可以雙向流動(dòng)，使用的設(shè)備總數(shù)小，可以快速切換兩個(gè)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(duì)改善系統(tǒng)在需要雙向能量流動(dòng)時(shí)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(chǔ)能結(jié)構(gòu)，其在電動(dòng)汽車系統(tǒng)、航天電源系統(tǒng)等場(chǎng)合的需求不斷增加[4]。而市場(chǎng)現(xiàn)存的單向DC-DC變換器能量?jī)H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(dòng)汽車電池技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，雙向DC-DC變換器也將會(huì)被廣泛應(yīng)用于市場(chǎng)，給人們?nèi)粘Ｉ钐峁└蟮谋憷?。馬等人采用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(duì)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(cè)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?、PWM控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(duì)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(dòng)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(chǔ)器（SRAM），2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和1 個(gè)PWM定時(shí)器，外圍接口豐富：2個(gè)12C接口和SPI接口、3個(gè)USART 接口、一個(gè)USB 接口和一個(gè)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(gè)引腳，32個(gè)I/O端口，2 個(gè)外部中斷，3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)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(duì)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(shí)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(shí)升、降壓，但是由于需要控制四個(gè)開關(guān)管工作，控制較為復(fù)雜，且四個(gè)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(jiǎn)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(dòng)電路的論證與選擇

方案一：采用IR2104為驅(qū)動(dòng)核心，IR2104由IR公司生產(chǎn)的大功率MOSFET 和IGBT 專用驅(qū)動(dòng)集成電路。它既能實(shí)現(xiàn)MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，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(dòng)電路，選用IR2104芯片構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路外圍電路簡(jiǎn)單。

方案二：采用TLP250作為驅(qū)動(dòng)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(jià)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(gè)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(shí)也能夠使用官方給出的庫(kù)文件進(jìn)行編程。STM32單片機(jī)采用的是C語(yǔ)言來進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。C語(yǔ)言具有語(yǔ)言簡(jiǎn)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(jiǎn)便等特點(diǎn)[9]。

2）BUCK-BOOST拓?fù)潆娐?/p>

BUCK-BOOST拓?fù)潆娐?，又稱升降壓拓?fù)潆娐?，是一種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(gè)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(shí)，可以將BUCK-BOOST 拓?fù)潆娐房闯墒且粋€(gè)BUCK電路，能量從U2傳輸至U1；當(dāng)Q1關(guān)閉，Q2開通時(shí)，可以將拓?fù)潆娐房闯墒且粋€(gè)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(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片進(jìn)行隔離，從而保護(hù)單片機(jī)；再利用驅(qū)動(dòng)芯片IR2104形成兩路反相帶死區(qū)的PWM驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，避免兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通而破壞開關(guān)管。驅(qū)動(dòng)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(gè)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(gè)過壓保護(hù)、過流保護(hù)及過熱保護(hù)的作用，在其工作時(shí)一般給它們配置散熱片。

5）信息采集及保護(hù)模塊

信號(hào)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(shí)，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(duì)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(yǔ)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(gè)的控制核心，對(duì)BUCK-BOOST拓?fù)潆娐?、輔助電源電路等其他電路起到一個(gè)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(dòng)系統(tǒng)，對(duì)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(cè)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(cè)量

當(dāng)I1=2A，U2在24～36V范圍變換時(shí)，用數(shù)字萬用表測(cè)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(cè)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(cè)量

當(dāng)I1=2A，U2=30V時(shí)，用數(shù)字萬用表測(cè)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(cè)量后輸出U1=21.67V，I1=1.996A，輸入U(xiǎn)2=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(cè)量

在輸出電流I1=1～2A 范圍內(nèi)，用數(shù)字萬用表測(cè)量輸出電流，將測(cè)量電流與顯示電流記錄，經(jīng)計(jì)算電流顯示精度測(cè)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(cè)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(gè)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(shí)，開啟過充保護(hù)，并暫停充電，符合題目要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(jiǎn)單、效率高、性能穩(wěn)定，可以適用于直流不停電系統(tǒng)、電動(dòng)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(dòng)了團(tuán)隊(duì)對(duì)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)，而且提高了動(dòng)手的能力，具有實(shí)踐意義。