一種基于STM32高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)①

(安徽三聯(lián)學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

在電力系統(tǒng)中，直流屏廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、變電站等場(chǎng)合，為繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、監(jiān)測(cè)及事故照明等提供直流電源[1-2]。因此，直流屏的安全可靠運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[3]。作為直流屏的重要組成部分——充電模塊，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，穩(wěn)壓輸出，一方面給負(fù)載供電，另一方面給蓄電池充電[4]，在交流故障的情況下，蓄電池可隨時(shí)向負(fù)載提供穩(wěn)定電能。由于高頻開(kāi)關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)勢(shì)，目前在電力系統(tǒng)中已逐漸取代相控電源[5-6]。因此，基于高頻開(kāi)關(guān)電源的原理和應(yīng)用[7]，設(shè)計(jì)了一種實(shí)用于電力系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源，該電源采用全橋移相零電壓開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)高效率，可通過(guò)STM32單片機(jī)給定充電模塊輸出電壓和輸出限流值，測(cè)量并顯示充電模塊的電壓和電流，上報(bào)故障信號(hào)，采用RS485方式通信。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)采用STM32F103作為主控芯片，整個(gè)直流電源模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由三大部分電路組成，分別是：(1)三相輸入整流濾波電路；(2)DC/DC變換電路；(3)主控制芯片電路。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 三相輸入整流濾波

系統(tǒng)采用三相三線制交流380V輸入，通過(guò)電感和電容對(duì)輸入電源進(jìn)行EMI濾波，抑制高頻干擾，并進(jìn)一步通過(guò)整流電路將三相交流電整流成534V左右直流電。一部分534V直流電經(jīng)過(guò)單端反激控制電路轉(zhuǎn)變成輔助電源供給單片機(jī)、風(fēng)機(jī)、放大器等元件，另一部分直流電則進(jìn)行高頻逆變。

圖1 直流電源模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 DC/DC變換電路

考慮到所設(shè)計(jì)的220V/10A模塊的功率較大，高頻逆變電路采用全橋移相零電壓開(kāi)關(guān)電路，如圖2所示。橋臂VT1-VT4采用額定電壓為800V的MOSFET(IXFK 27N80Q)，主變壓器副邊采用全橋整流，整流管二極管VDR1-VDR4采用APT30D100BG二極管，并采用二極管鉗位吸收電路抑制二極管上的尖峰電壓。功率控制電路采用移相全橋軟開(kāi)關(guān)控制器UCC3895控制芯片，該器件具有獨(dú)立的過(guò)流保護(hù)電路，能夠?qū)崿F(xiàn)快速故障保護(hù)，同時(shí)在以往產(chǎn)品的基礎(chǔ)上增加了自適應(yīng)死區(qū)控制和PWM軟關(guān)斷能力等功能，能夠滿足現(xiàn)代電力電子設(shè)備高頻、高效的要求。均流電路采用UC3902均流芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，外圍電路簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)均流性能好。

圖2 全橋移相零電壓電路原理圖

2.3 主控制芯片電路

控制電路采用以STM32F103為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路功能框圖如圖3所示。STM32控制電路主要完成輸出電壓基準(zhǔn)設(shè)置、輸出電流限流給定、控制模塊開(kāi)關(guān)機(jī)、測(cè)量模塊輸出電壓和電流，并在數(shù)碼管上進(jìn)行顯示、故障處理、通過(guò)RS485接口進(jìn)行通信等功能。其中保護(hù)電路包括：過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、欠壓保護(hù)、上電緩沖等。一旦發(fā)生過(guò)壓保護(hù)，必須重新上電啟動(dòng)，逆變器才能正常工作，過(guò)流保護(hù)可自恢復(fù)。

圖3 STM32電路功能框圖

3 軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試

主程序流程圖如圖4所示。程序開(kāi)始時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，變量初始化；然后開(kāi)中斷；在中斷中判斷有沒(méi)有通信任務(wù)，若有，則進(jìn)行通信處理，完成通信數(shù)據(jù)傳輸；若無(wú)則判斷有無(wú)500ms定時(shí)任務(wù)，包括看門狗計(jì)數(shù)器清零，故障告警處理等；接下來(lái)判斷有無(wú)10ms定時(shí)任務(wù)，有則處理顯示任務(wù)；每100ms處理一次通信任務(wù)，如果超時(shí)，則按通信中斷處理，發(fā)出通信中斷報(bào)警并處理；否則返回判斷有無(wú)通信任務(wù)。

額定輸入交流380V條件下，測(cè)得輸出直流電壓在206V時(shí)的電壓波形，如圖5所示。從圖中可知，紋波電壓為4VP-P，占輸出電壓1.9%，符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 程序流程框圖

圖5 輸出直流電壓波形

4 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)以STM32F103為核心，在DC-DC主變換電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本功能，編寫軟件程序算法，測(cè)試表明，該高頻開(kāi)關(guān)電源紋波小，性能穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。