基于STM32的双向DC-DC变换器的设计

殷果 简正波 李嘉豪 陈东升 杨奥成 郭茁蓬 祝秋香

关键词：BUCK-BOOST 拓扑电路；PID 算法；高效率

0 引言

随着社会的进步与科技的发展，传统能源迅速消耗给整个世界都带来了能源危机和环境污染问题，人们逐渐将焦点转移到了可再生能源如太阳能光伏发电、风力发电和燃料电池动力系统，但是以太阳能及风能为主导的新能源在供电方面又存在易受环境影响的缺点，提供的电能波动起伏大且不稳定[1]。为了满足大众对电力的需求，需要用蓄电池对电能进行存储，然后对外恒压供电。双向DC-DC变换器由于其能量可以双向流动，使用的设备总数小，可以快速切换两个方向的能量传输，并且具有效率高、体积小、成本低的优点，对改善系统在需要双向能量流动时的体积和重量具有重要的意义[2-3]。双向DC-DC变换器作为蓄电池的主要储能结构，其在电动汽车系统、航天电源系统等场合的需求不断增加[4]。而市场现存的单向DC-DC变换器能量仅能单向传输，且存在输出电压低、输出电压不可调的弊病。随着新能源发电技术的不断发展和电动汽车电池技术的持续进步，双向DC-DC变换器也将会被广泛应用于市场，给人们日常生活提供更大的便利。马等人采用PID 闭环控制实现蓄电池升压和恒流充电的一种双向DC-DC 变换器，同步整流以提高变换器效率[2]。王等人又设计了一种基于STM32 的双向DC-DC 变换器，实现对电池恒压恒流充电[5]。本文以STM32单片机作为核心，采用PID 算法，通过PWM 控制MOS 开关管，改变占空比，实现了充电和放电的功能，测试结果表明，该设计实现了恒流充电、恒压放电、过压保护等功能，具有较高的电压、电流控制精度和较高的转换效率。

1 项目方案

双向DC-DC变换器是在保持设备输入、输出电压极性恒定的前提下，按照具体要求调节电流的方向，实现双象限运行的双向直流/直流变换器。双向DC-DC变换器系统以STM32单片机作为控制核心，主要由BUCK-BOOST拓扑电路、PWM控制信号驱动电路、辅助电源电路和电压电流采样电路构成[6-8]。该系统引入PID算法，利用PWM控制MOS开关管，调节占空比，实现充电和放电的功能。在充电模式下，直流电源直接对电池组恒流充电，1～2A步进可调，步进值为0.1A ，充电效率超过90%；放电模式下，由电池组恒压输出30V驱动负载，放电效率超过90%。其系统设计总图如图1所示。

1.1 单片机的选择

方案1：采用STM32F103系列单片机。STM32单片机是意法半导体公司开发的一款32位基于ARMCortex-O 内核的微控制器，工作频率高达72 MHz，128 Kbytes的闪存，高达20 Kbytes的静态随机存储器（SRAM），2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1 个PWM定时器，外围接口丰富：2个12C接口和SPI接口、3个USART 接口、一个USB 接口和一个CAN接口。故STM32具有数据处理快、传输效率高、功耗低、体积小、重量轻等优点。

方案2：采用51系列单片机。AT89C52单片机是由ATMEL公司生产的一款CMOS 8位微控制器，该芯片包含8Kbytes 的Flash ROM和256 bytes的RAM，兼容标准MCS-51指令系统，40个引脚，32个I/O端口，2 个外部中断，3个16位定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可按常规方法编程，但不可在线编程。

综上所述，由于双向DC-DC变换器对单片机的数据处理速度、数据采集功能和数据传输效率等要求比较高，因此选择了STM32作为变换器的控制芯片。

1.2 双向DC-DC 电路的论证与选择

方案一：采用Bi BUCK/BOOST变换器，没有电感电流断续工作，变换效率高，可以同时升、降压，但是输入输出电压极性相反，难以控制电路双向转换。

方案二：采用正极性输出的双向BUCK/BOOST直流变换器，输出电压极性相同，可以同时升、降压，但是由于需要控制四个开关管工作，控制较为复杂，且四个开关管影响整机转换效率。

方案三：采用Bi BUCK-BOOST变换器，控制方法简单，转化效率高，单向升压或降压能更好地满足题目要求。

综上所述，选择方案三。

1.3 驱动电路的论证与选择

方案一：采用IR2104为驱动核心，IR2104由IR公司生产的大功率MOSFET 和IGBT 专用驱动集成电路。它既能实现MOSFET和IGBT的最优驱动，又具有快速完整的保护功能，从而提高了控制系统的可靠性，降低了电路的复杂性。相比于用分立元器件搭建的驱动电路，选用IR2104芯片构成的驱动电路外围电路简单。

方案二：采用TLP250作为驱动核心，TLP250的优点是可靠性高，但电路比较复杂，需要三路电源。

综上所述，选用方案一。

2 项目设计

2.1 硬件设计

1）STM32单片机

STM32单片机是意法半导体公司开发的一款32 位基于ARM内核的微控制器，其具有价格便宜、外设功能多、兼容性强、操作方便等特点，能以最小的硬件变化来满足个性化的需求，适合嵌入式应用。它的操作编程方式多种多样，不但能够通过寄存器进行编程，同时也能够使用官方给出的库文件进行编程。STM32单片机采用的是C语言来进行程序设计。C语言具有语言简洁紧凑、运算符丰富、结构清晰等特点，它与STM32单片机的结合能使项目编程方便、操作简便等特点[9]。

2）BUCK-BOOST拓扑电路

BUCK-BOOST拓扑电路，又称升降压拓扑电路，是一种输出电压比输入电压高也可比输入电压低的单管且不隔离直流电路，其輸出电压与输入电压的极性相反[5]。该电路可看成是BUCK电路和BOOST电路的一个结合。它的特点是温度漂移小、输出电压稳定度高，有很好的负载和线性调整率。当Q2关闭，Q1开通时，可以将BUCK-BOOST 拓扑电路看成是一个BUCK电路，能量从U2传输至U1；当Q1关闭，Q2开通时，可以将拓扑电路看成是一个BOOST电路，能量从U1 传输到U2。BUCK-BOOST 拓扑电路结构如图2 所示。

3）驱动电路

驱动电路是由6N137光耦合器与IR2104芯片所构成，该电路可以将STM32单片机产生的PWM，通过6N137与驱动芯片进行隔离，从而保护单片机；再利用驱动芯片IR2104形成两路反相带死区的PWM驱动开关管，避免两个开关管同时导通而破坏开关管。驱动电路如图3所示。

4）辅助电源的设计

辅助电源的作用是给系统一个稳定的电压。在变换器中，STM32单片机的供电电压是3～5V，霍尔元件及其他芯片的供电电压是12V。因此，辅助电源电路的三端稳压芯片一般是7905和7912。三端稳压芯片能起到一个过压保护、过流保护及过热保护的作用，在其工作时一般给它们配置散热片。

5）信息采集及保护模块

信号采集模块选用16位的ADS1118芯片进行采样。过流保护电路通过单片机采样输入电压和输出电流，当电压低于24±0.5V或高于36±0.5V、电流超过2±0.1A时，单片机通过控制继电器的开、关向PA.2口发送电平，实现对电路的保护功能，过流保护通过软件控制，具有自恢复功能。

使用C语言进行程序设计，利用Keil 5可以将程序烧录至STM32单片机。而STM32单片机作为整个的控制核心，对BUCK-BOOST拓扑电路、辅助电源电路等其他电路起到一个调节的作用，并且实现了电压电流采集、过充保护、按键扫描等功能。该项目的程序设计的思路是首先启动系统，对按键等部分硬件进行初始化，接下来双向DC-DC变换器进入充电模式，然后系统进行判断，如果电压没有超过24V，则继续充电模式；如果电压超过24V，则进入放电模式，最后测试结束。程序设计如图4所示。

3 实验结果

3.1充电电流的测量

当I1=2A，U2在24～36V范围变换时，用数字万用表测量实际输出电流。其中I1为设定电流，U2为充电输入电压，I10为实际测量值。根据相关公式：e=|（I10-I1）|/I1×100%，计算充电电流的变换率。由表1可知充电电流的变化率满足要求。

3.2 变换器的效率测量

当I1=2A，U2=30V时，用数字万用表测量充电电压U1和放电电流I2，根据公式η=|P1/P2|×100%、η=|P2/P1|×100%，其中P1=U1·I1，P2=U2·I2。经过数字万用表测量后输出U1=21.67V，I1=1.996A，输入U2=30.24V，I2=1.475A，计算可得DC-DC变换器的效率符合要求。

3.3 电流显示精度测量

在输出电流I1=1～2A 范圍内，用数字万用表测量输出电流，将测量电流与显示电流记录，经计算电流显示精度测量不低于4%，符合要求数据如表2所示。

3.4 过充保护测试

在输出电流2A下，在额定电流输出端口将电池间接插入一个滑线变阻器，以调节滑线变阻器，并在输出电压超过24V时，开启过充保护，并暂停充电，符合题目要求。

4 结束语

通过团队的努力，双向DC-DC变换器的实验数据基本达标，满足项目创新的要求。双向DC-DC变换器电路简单、效率高、性能稳定，可以适用于直流不停电系统、电动汽车系统等方面。它作为蓄电池的一部分，被广泛应用于实际生活中，给人们的日常生活提供了较大的便利。该项目的实施，不仅推动了团队对专业知识的学习，而且提高了动手的能力，具有实践意义。