基于STM32的Buck-Boost双向DC-DC变换器的研究

滕新宇　魏子祯　曲强

关键词：DC-DC 变换器；双闭环控制；Buck-Boost；MATLAB；STM32

中图分类号：TM46 文献标识码：A

0 引言

双向DC-DC（直流电转换为直流电）变换器因具有稳定直流电压和进行能量双向流动的作用，在工程中获得广泛的应用。张宇等[1] 针对双馈抽水蓄能电机低电压穿越的问题，提出了基于软开关技术的两相交错式双向半桥拓扑结构的双向DC-DC 变换器。该变换器由于造价成本高、技术不成熟、设计电路复杂及电源不能完全切断等问题并未得到广泛应用。为避免能源浪费，陈鼎圣等[2] 在新能源储能系统中，以锂电池充放电系统为应用场景，但由于电路的开关元件需要耐高压，并且耐压要大于正常工作电压的两倍，因此，其提出的推挽式开关电源在220 V 交流供电设备中很少用到。曹雷等[3] 提出了一种采用半桥式电路作为双向DC-DC 的主电路拓扑结构的方案，通过状态空间平均法对变换器进行了小信号建模，给出了控制量到电感电流、电感电流到输出电压的传递函数，选择了合适的补偿控制器类型，保证微网输送电能的连续性，但半桥式对电源的利用率比较低，还会出现半导通区，损耗大。如果两个控制开关处于交替工作的状态，也就是两个开关处于一个很短时间的导通状态，电源电压就会发生短路。

为优化设计和提高功率转化率， 本文采用STM32（ 一种32 位的单片机） 系列中的STM32F103C8T6 芯片来控制可应用于汽车电源系统的Buck-Boost 双向DC-DC 变换器，构建了Buck-Boost 双向变换器仿真模型，验证设计的有效性。

1 基于STM32的Buck-Boost双向DC-DC变换器设计与PI参数设定

1.1 基于STM32 的Buck-Boost 双向DC-DC变换器总体电路

图1 为基于STM32 的Buck-Boost 双向DC-DC变换器总体电路，主控芯片选择STM32F103C8T6，通过STM32 芯片的I/O（ 输入/ 输出） 口输出PWM（脉冲宽度调制），借助N 沟道MOSFET（金属—氧化物—半导体场效应晶体管）栅极驱动芯片LN8362 驱动双向DC-DC 电路中的MOSFET 场效应管进行切换电池的充放电工作模式，电池电压采样电路、充电电流采样电路和放电电压采样电路通过信号处理传递信号给STM32 芯片，使STM32 芯片调节PWM 占空比。当K1 闭合时，48 V 直流稳压电源给负载供电，同时通过由STM32 控制的双向DC-DC 变换器为24 V 电池充电，当K1 断开时，24 V 电池通过双向DC-DC 变换器升压到48 V 为负载供电，保证负载不间断运行。

1.2 采样电路

1.2.1 电流采样电路

通过测量输出侧串联的10 mΩ 电阻压降来实现电流采样。为减小功率损耗，图2 中的采样电阻R1采用精度为0.5% 的电阻[4]，使用INA282 电流感应放大器，差分放大后进入同向放大电路，INA282 的增益为50 V/V，当采样电阻值为Rx 时，反馈电压VIBF=50RxI，因电压与电流成正比，通过单片机计算可得电流值，其中IOUT 为输出电流，Iin 为输入电流，AD 为模拟信号，GND 为电线接地端。

1.2.2 电压采样电路

电压信号通过1 kΩ 的电阻与30 kΩ 的电阻分压输入模拟数字转化器（ADC）进行转换，为提高精度，分压电阻R4、R5 均采用精度为0.1%、温度系数为3.0×10-5/℃ 的金属膜电阻[4]。分压后并联一个10 nF 的电容达到低通滤波作用，电压采样电路如图3 所示，其中VCC 表示输入电压；VAD 表示要送到单片机进行模数转换的电压信号。

1.3 PI 参数设计

基于STM32 的Buck-Boost 双向DC-DC 变换器采用双闭环控制，包括电流内环的比例—积分（PI）调节和电压外环的超前校正，变换器控制图如图4 所示。

2 基于STM32的Buck-Boost双向DC-DC变换器分析

2.1 基于STM32 的Buck-Boost 双向DC-DC变换器拓扑电路结构

由图5 可知，Buck-Boost 型双向DC-DC 变换器由Boost 电路和Buck 电路反并联而成，将普通的Buck 电路的二极管换成MOSFET，并在两端口并接大容量的滤波电容[6]。其中Q1 和Q2 是带寄生二极管的全控型开关管，V1 为电源电压，SA 为控制开关，C1 为高压侧电容，C2 为低压侧电容，L1 为储能电感。

2.2 Buck 充电工作模式

当开关SA 闭合时，变换器处于Buck 充电工作模式，电源为负载A 供电且为电池充电；当开关管Q2 导通、Q1 关断时，电源为电感L1、C2 和电池充电，其电流流向如图6a 所示；当开关管Q2、Q1 均关断时，L1 靠Q1 的寄生二极管续流，电池电压靠L1 电流和C2 放电维持，其电流流向如图6b 所示。

2.3 Boost 放电工作模式

当开关SA 断开时，模拟电源系统故障，变换器处于Boost 放电工作模式，储能电池放电为负载供电，维持负载正常运行；当开关管Q1 导通、Q2关断时，储能电池放电为电感L1 充电，电流流向如图7a 所示；当开关管Q1 关断、Q2 导通时，电池与电感L1 共同为负载A 供电，电压上升，电流流向如图7b 所示。

2.4 元器件参数选择

（1）L1 电感选择。输入电压V1 的存在使得电感电流线性上升，电感处于储能增加阶段。与Boost 模式下Q2 导通阶段相同，在此阶段内电感电压与电容电流可描述为：

3 基于Simulink的双向DC-DC仿真

使用Simulink（可视化动态系统仿真环境）搭建一个双向DC-DC 的Buck-Boost 型电路。根据式（6） 至式（9） 计算元件取值： 电感L1 为57.6 mH，C1 为1 nF，C2 为1.25 mF；使用基于超前校正的电压外环和PI 控制的电流内环，根据传递函数计算出电流环PI 参数，进行Boost 放电模拟仿真，当供电电源处于断开状态时，负载供电稳定维持在48 V 左右，保持负载的正常运行，仿真结果如图8a 所示。

当电源系统处于正常运作时，电源为电池充电实现DC-DC Buck 的降压过程，电池处于充电工作模式；当系统因为某些原因斷电时，电池迅速通过DC-DC Boost 升压过程，从24 V 迅速升压到48 V，为负载持续供电，断电过程如图8b 所示。由仿真结果可知，基于双闭环控制的Buck-Boost双向DC-DC 操作简单，实用功能强，响应速度快，纹波小，能够实现瞬间的能量双向传递，保证负载不间断正常运行。

4 结论

双向DC-DC 变换器在不间断电源领域，如汽车系统以及航空航天领域有着重要作用。本文通过MATLAB 对双向DC-DC 变换器的双闭环PI 控制模型进行了仿真，仿真结果表明，所采用的基于STM32的Buck-Boost 双向DC-DC 变换器具有稳定性好、抗干扰性高、反应速度快、效率高、造价低的优点，对双向DC-DC 变换器的发展有重要的参考意义。