一种基于STM32高频开关电源的设计①

2020-02-28

佳木斯大学学报（自然科学版） 2020年1期

(安徽三联学院，安徽合肥 230601)

0 引言

在电力系统中，直流屏广泛应用于发电厂、变电站等场合，为继电保护、自动装置、监测及事故照明等提供直流电源[1-2]。因此，直流屏的安全可靠运行对电网安全稳定运行起着至关重要的作用[3]。作为直流屏的重要组成部分——充电模块，将交流电转换成直流电，稳压输出，一方面给负载供电，另一方面给蓄电池充电[4]，在交流故障的情况下，蓄电池可随时向负载提供稳定电能。由于高频开关电源具有体积小、重量轻、效率高等优势，目前在电力系统中已逐渐取代相控电源[5-6]。因此，基于高频开关电源的原理和应用[7]，设计了一种实用于电力系统的开关电源，该电源采用全桥移相零电压开关电路实现高效率，可通过STM32单片机给定充电模块输出电压和输出限流值，测量并显示充电模块的电压和电流，上报故障信号，采用RS485方式通信。

1 系统结构

设计采用STM32F103作为主控芯片，整个直流电源模块系统结构如图1所示，主要由三大部分电路组成，分别是：(1)三相输入整流滤波电路；(2)DC/DC变换电路；(3)主控制芯片电路。

2 硬件设计

2.1 三相输入整流滤波

系统采用三相三线制交流380V输入，通过电感和电容对输入电源进行EMI滤波，抑制高频干扰，并进一步通过整流电路将三相交流电整流成534V左右直流电。一部分534V直流电经过单端反激控制电路转变成辅助电源供给单片机、风机、放大器等元件，另一部分直流电则进行高频逆变。

图1 直流电源模块系统结构图

2.2 DC/DC变换电路

考虑到所设计的220V/10A模块的功率较大，高频逆变电路采用全桥移相零电压开关电路，如图2所示。桥臂VT1-VT4采用额定电压为800V的MOSFET(IXFK 27N80Q)，主变压器副边采用全桥整流，整流管二极管VDR1-VDR4采用APT30D100BG二极管，并采用二极管钳位吸收电路抑制二极管上的尖峰电压。功率控制电路采用移相全桥软开关控制器UCC3895控制芯片，该器件具有独立的过流保护电路，能够实现快速故障保护，同时在以往产品的基础上增加了自适应死区控制和PWM软关断能力等功能，能够满足现代电力电子设备高频、高效的要求。均流电路采用UC3902均流芯片进行设计，外围电路简单，动态均流性能好。

图2 全桥移相零电压电路原理图

2.3 主控制芯片电路

控制电路采用以STM32F103为核心进行设计，电路功能框图如图3所示。STM32控制电路主要完成输出电压基准设置、输出电流限流给定、控制模块开关机、测量模块输出电压和电流，并在数码管上进行显示、故障处理、通过RS485接口进行通信等功能。其中保护电路包括：过压保护、过流保护、欠压保护、上电缓冲等。一旦发生过压保护，必须重新上电启动，逆变器才能正常工作，过流保护可自恢复。

图3 STM32电路功能框图

3 软件设计与调试

主程序流程图如图4所示。程序开始时，首先进行系统初始化，变量初始化；然后开中断；在中断中判断有没有通信任务，若有，则进行通信处理，完成通信数据传输；若无则判断有无500ms定时任务，包括看门狗计数器清零，故障告警处理等；接下来判断有无10ms定时任务，有则处理显示任务；每100ms处理一次通信任务，如果超时，则按通信中断处理，发出通信中断报警并处理；否则返回判断有无通信任务。

额定输入交流380V条件下，测得输出直流电压在206V时的电压波形，如图5所示。从图中可知，纹波电压为4VP-P，占输出电压1.9%，符合设计要求。