基于STM32的SWISS整流器研究與設(shè)計(jì)

摘" 要： SWISS整流器具有輸出功率高、輸出電壓可調(diào)、易高頻化等特點(diǎn)，十分適合用于電動(dòng)汽車大功率充電、數(shù)據(jù)中心、通信基站等大功率變換場合。文中提出一種采用STM32F334單片機(jī)控制的SWISS整流器設(shè)計(jì)方案，利用電壓電流PI雙閉環(huán)控制策略實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的精確控制，并進(jìn)行控制算法的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率因數(shù)校正的功能。設(shè)計(jì)SWISS整流器的硬件電路方案，并給出元件參數(shù)計(jì)算及選型方法。制作400 V/1 000 W樣機(jī)對所提出的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：系統(tǒng)功率因數(shù)在額定功率下可達(dá)0.998，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)97.37%，并具有較快的響應(yīng)速度；在半載滿載切換時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間小于70 ms，且電壓超調(diào)量最大為10%。驗(yàn)證了所提方案的可行性。

關(guān)鍵詞： SWISS整流器； STM32； PI控制； 雙閉環(huán)控制； 功率因數(shù)校正； MOS

中圖分類號： TN35?34； TM46" " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）08?0107?06

Research and design of SWISS rectifier based on STM32

LIU Xinhe， MA Shangang， JIN Fubao， SHI Jinqiang， QI Yanming

（School of Energy and Electrical Engineering， Qinghai University， Xining 810016， China）

Abstract： SWISS rectifier has the characteristics of high output power， adjustable output voltage， easy high?frequency， etc.， which is very suitable for high?power conversion occasions such as high?power charging of electric vehicles， data centers， communication base stations， etc. A design scheme of SWISS rectifier controlled by STM32F334 single chip microcomputer is proposed. The voltage and current PI double closed?loop control strategy is used to achieve accurate control of output voltage， and the control algorithm is designed to realize the function of power factor correction. The hardware circuit scheme of SWISS rectifier is designed， and the method of component parameter calculation and selection is given. A 400 V/1 000 W prototype is made to verify the proposed scheme. The results show that the power factor of the system can reach 0.998 at rated power， the conversion efficiency can reach 97.37%， and the system has a fast response speed. The dynamic adjustment time is less than 70 ms and the voltage overshot is up to 10% at half?load full load. The feasibility of this scheme is verified.

Keywords： SWISS rectifier; STM32; PI control; double closed?loop control; power factor correction; MOS

0" 引" 言

SWISS整流器由Kolar教授在2011年首次提出，是一種具有輸出直流母線電壓可控、輸出電壓范圍寬、輸入電流諧波含量低、轉(zhuǎn)換效率高的單向降壓型三相PFC整流器[1?4]。該整流器非常適用于有大功率需求的場合，在電動(dòng)汽車充電、數(shù)據(jù)中心供電、大功率照明等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[5?6]。

由于SWISS整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出相對較晚，相關(guān)研究內(nèi)容較少，尚無專用的模擬控制芯片可以實(shí)現(xiàn)其功能，且模擬控制存在環(huán)路設(shè)計(jì)困難、電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、功能不易擴(kuò)展等缺點(diǎn)。而采用數(shù)字控制的方式，可通過程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的環(huán)路控制，具有開發(fā)周期短、控制靈活、電路設(shè)計(jì)簡單、方便進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)[7]。為驗(yàn)證SWISS整流器采用數(shù)字控制方案的可行性，本設(shè)計(jì)使用STM32F334控制器作為SWISS整流器的控制核心，并制作400 V/1 000 W樣機(jī)對該方案進(jìn)行驗(yàn)證。

1" 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

采用數(shù)字控制的SWISS整流器的設(shè)計(jì)分為硬件電路設(shè)計(jì)與軟件算法設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。硬件電路主要有主拓?fù)潆娐?、控制器電路、?qū)動(dòng)電路、采樣電路以及保護(hù)電路；軟件算法主要有閉環(huán)控制算法、PLL鎖相環(huán)算法以及采樣濾波算法。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

SWISS整流器的主拓?fù)溆扇糠纸M成，分別為輸入濾波電路、不控整流與諧波注入電路、直流穩(wěn)壓電路[8]。在正常工作時(shí)，不控整流電路將三相交流電整流為六脈動(dòng)直流電；諧波注入電路用于補(bǔ)償輸入電流諧波，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)校正；直流穩(wěn)壓電路用于穩(wěn)定和調(diào)整輸出電壓大小。

由于SWISS整流器輸入為三相交流電，需要對其電壓相位進(jìn)行鎖相，并通過算法控制輸入電流相位與電壓相位相同。利用電壓互感器、電流傳感器分別對交流側(cè)電壓、電流采樣，通過PLL鎖相環(huán)算法實(shí)現(xiàn)軟件鎖相，從而獲取交流電壓相位。對于直流輸出端，需要電壓傳感器采樣輸出電壓作為電壓外環(huán)的輸入信號，電流傳感器采樣輸出電感電流作為電流內(nèi)環(huán)的輸入信號，從而實(shí)現(xiàn)對輸出電壓、電流的閉環(huán)控制。

2" 硬件電路設(shè)計(jì)

SWISS整流器的主拓?fù)潆娐吩砣鐖D2所示。系統(tǒng)的主要參數(shù)設(shè)置為：輸入三相交流相電壓uin為200～240 V；系統(tǒng)開關(guān)頻率fs為100 kHz；輸出直流電壓Uo范圍為0～400 V可調(diào)。

2.1" 輸入LC濾波器參數(shù)計(jì)算

由于SWISS整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特性，需在輸入端增加LC低通濾波器來抑制輸入電流的高次諧波對電路的干擾。LC濾波器在設(shè)計(jì)時(shí)需遵循以下要求：

1） 截止頻率要遠(yuǎn)低于系統(tǒng)的開關(guān)頻率；

2） 在電網(wǎng)頻率下其無功功率最??；

3） 在能有效濾除高頻電流諧波下濾波電容的體積與重量盡可能小；

4） 在額定電流下濾波電感的壓降盡可能小[9]。

為盡可能降低濾波電容引入的無功功率，其參數(shù)盡可能小，選擇范圍在3～13 μF為宜，本設(shè)計(jì)選擇容量為4.7 μF、耐壓450 V的CBB電容。

在確定濾波電容后，可通過濾波器截止頻率與濾波電容計(jì)算濾波電感的參數(shù)。通常濾波器的截止頻率不大于系統(tǒng)開關(guān)頻率的0.1，則濾波電感通過式（1）可得。

[Linx≥1（2π?（0.1fs））2?Cinx=53.8" μH] （1）

式中：[Linx]為輸入濾波器的電感值；[Cinx]為輸入濾波器的電容值；[fs]為系統(tǒng)開關(guān)頻率。

經(jīng)計(jì)算，濾波電感不小于53.8 μH，則可選用常見電感參數(shù)為68 μH、飽和電流為4 A的鐵硅鋁磁環(huán)電感。

2.2" 直流側(cè)電感電容參數(shù)計(jì)算

為了避免系統(tǒng)引入共模噪聲，將直流濾波電感分為上下兩個(gè)等值電感，流經(jīng)電感的電流可分為直流母線電流（[Io]）與紋波電流（[ΔiLf，pp，max]），在開關(guān)頻率一定時(shí)，紋波電流大小與電感大小呈負(fù)相關(guān)，而紋波電流的大小通常為額定直流母線電流[10]的0.15～0.3。本設(shè)計(jì)取電感電流紋波系數(shù)[KRF]=0.2，則電感參數(shù)通過式（2）計(jì)算。

[Lf≥Uo2?KRF?Io1-Dminfs=2" mH]" "（2）

式中：[Lf]為單個(gè)直流濾波電感的電感值；[Dmin]為最小占空比。

在確定電感電流紋波后，輸出電壓紋波的大小與電容值呈負(fù)相關(guān)，在紋波電流一定時(shí)，電容值越大，輸出的電壓紋波越小。但在高頻下，除使用鋁電解電容時(shí)會(huì)影響紋波電壓除電容容量外，還需考慮其等效串聯(lián)電阻（ESR）[11]，則輸出電壓紋波的峰峰值[ΔuCf，pp，max]的公式如下：

[ΔuCf，pp，max=Uo2Lf1-Dmin8f2sCf+ΔiLf，pp，max?ESR] （3）

輸出電壓的電壓紋波通常由要求的設(shè)計(jì)參數(shù)決定，一般不高于額定輸出電壓的1%。則直流側(cè)電容的容值可通過公式（4）計(jì)算。

[Cf≥Uo2Lf1-Dmin8f2s?ΔuCf，pp，max-ΔiLf，pp，max?ESR] （4）

考慮輸出電容除濾波外還需要承擔(dān)穩(wěn)定母線電壓的功能，所以其容量盡可能選擇較大，且ESR盡可能小。本文選用電容容量為330 μF、耐壓為600 V，并采用3個(gè)并聯(lián)的方式降低ESR。

2.3" MOS管驅(qū)動(dòng)電路

由于MCU輸出電壓較低且驅(qū)動(dòng)能力不足，且MOS管源極電壓各不相同，需要采用具有隔離放大功能的電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。采用CA?IS3720HS數(shù)字隔離芯片將MCU控制信號與MOS管驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行電氣隔離，采用UCC37322D驅(qū)動(dòng)芯片對MCU控制信號進(jìn)行功率放大，實(shí)現(xiàn)對MOS管通斷狀態(tài)的控制。MOS管驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3所示。

數(shù)字隔離芯片CA?IS3720HS采用電容耦合原理，具有超低信號延遲、高隔離電壓、低功耗以及壽命長的優(yōu)點(diǎn)，支持兩路數(shù)字信號的隔離傳輸，分別用于隔離PWM驅(qū)動(dòng)信號與使能信號。信號輸入側(cè)采用MCU電源供電，輸出側(cè)則采用隔離電源模塊，通過降壓至5 V進(jìn)行供電，從而實(shí)現(xiàn)電源間的電氣隔離。UCC37322D是一款峰值電流為9 A的高速柵極驅(qū)動(dòng)器，較大的峰值電流能夠使開關(guān)管的動(dòng)作更為迅速，從而支持更高的開關(guān)頻率并降低開關(guān)損耗。柵極電阻主要用于抑制線路寄生電感（Lg）與柵極寄生電容（Cgs）所產(chǎn)生的振蕩。PCB制造時(shí)，40 mil的線寬每毫米的寄生電感約為0.7 nH，根據(jù)線長即可估算柵極線路寄生電感（Lg）的電感值[12]。則柵極電阻的阻值可通過下式計(jì)算：

[Rggt;2LgCgs] （5）

式中[Rg]為柵極電阻總阻值，即外置電阻與開關(guān)管柵極寄生電阻值之和，通常開關(guān)管柵極寄生電阻值約為1.2 Ω。

2.4" 主控電路

本方案采用STM32F334R8T6單片機(jī)作為控制核心，其功能設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。該型號單片機(jī)的內(nèi)核為ARMCortex?M4內(nèi)核，支持DSP運(yùn)算加速器與FPU單精度浮點(diǎn)運(yùn)算，其工作頻率為72 MHz，能夠處理復(fù)雜的算法；外設(shè)有高速12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器、多路定時(shí)器、高分辨率定時(shí)器、通信接口等，其中高分辨率定時(shí)器最大工作頻率為4.608 GHz，即使在高頻狀態(tài)下，占空比也能進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，非常適合應(yīng)用在高頻的數(shù)控電源場合[13]。

3" 控制策略及算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的PI雙閉環(huán)控制策略框圖如圖5所示。輸出電壓與設(shè)定電壓的差值經(jīng)PI電壓外環(huán)補(bǔ)償后，獲得電感電流的設(shè)定值，將電感電流設(shè)定值與實(shí)際電感電流的差值經(jīng)PI電流內(nèi)環(huán)補(bǔ)償后，再將其結(jié)果與STM32定時(shí)器所產(chǎn)生的三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM波，控制開關(guān)管的通斷，從而實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)[14]。

圖5中，[GV（s）]與[GI（s）]分別為電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)如下：

[GV（s）=kVP+kVIsGI（s）=kIP+kIIs] （6）

[Gid（s）]為系統(tǒng)占空比到電感電流的傳遞函數(shù)，[Gvi（s）]為系統(tǒng)電感電流到輸出電壓的傳遞函數(shù)，公式如下：

[Gid（s）=UPNR?sRCf+1s2LfCf+sLfR+1Gvi（s）=RsRCf+1] （7）

式中：[UPN]為不控整流電路輸出電壓；[Lf]為直流側(cè)總電感值；[Cf]為直流側(cè)電容值；[R]為負(fù)載電阻。

通過設(shè)置合適的環(huán)路穿越頻率與相角裕度，即可求得電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)的比例系數(shù)（kp）與積分系數(shù)（ki）。其中穿越頻率[15]一般為開關(guān)頻率fs的0.1～0.2。

STM32F334控制器的功能設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。

控制器通過對輸入側(cè)與輸出側(cè)的電壓和電流進(jìn)行采樣，并利用程序?qū)⑵錇V波后轉(zhuǎn)換為實(shí)際值，并通過輸入側(cè)電壓信號對三相輸入電壓進(jìn)行鎖相，為諧波注入?yún)^(qū)間判斷算法提供相位信號，使其輸出響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號控制諧波注入電路通道的通斷。輸出側(cè)電壓信號、電感電流信號以及相位信號分別作為PI雙閉環(huán)控制算法的輸入，并計(jì)算出新的控制占空比，實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定及功率因數(shù)校正。系統(tǒng)控制流程如圖7所示。

4" 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于STM32F334控制器的SWISS整流器數(shù)字控制方案的可行性，設(shè)計(jì)并制作了1臺輸入為三相相電壓有效值為220 V、輸出直流電壓為400 V、額定輸出功率為1 000 W的樣機(jī)。SWISS整流器樣機(jī)參數(shù)見表1。

SWISS整流器在額定負(fù)載下啟動(dòng)時(shí)的輸出電壓與輸出電流波形如圖8所示。

SWISS整流器從半載到滿載突變、滿載到半載突變時(shí)的輸出電壓、輸出電流的波形如圖9a）、圖9b）所示。

由波形可以看出，在負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓分別有35 V電壓降落、40 V電壓上升，超調(diào)量分別為8.75%與10%，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間小于70 ms，系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度。SWISS整流器在額定功率輸出下的輸入電壓與輸入電流波形如圖10所示。

由圖10可以看出，系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的功能，經(jīng)測量其功率因數(shù)可達(dá)0.998，滿足國標(biāo)要求。輸入電流最大值約為2.2 A，輸入總功率約為1 027 W，轉(zhuǎn)換效率為97.37%。

5" 結(jié)" 論

本文提出一種基于STM32F334的SWISS整流器設(shè)計(jì)方案，完成了SWISS整流器的硬件電路設(shè)計(jì)與閉環(huán)控制算法設(shè)計(jì)，并制作1臺400 V/1 000 W樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有高功率因數(shù)、高工作效率，且動(dòng)態(tài)調(diào)整性能好，輸出精度高等優(yōu)點(diǎn)，證明了SWISS整流器采用數(shù)字控制方案的可行性與有效性。

注：本文通訊作者為馬山剛。

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作者簡介：劉新賀（1998—），男，回族，河南睢縣人，碩士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。