STM32功率电子技术：15个实战案例，掌握电能转换与控制精髓

# 1. STM32功率电子技术概述**

功率电子技术是利用电力电子器件来控制和转换电能的一种技术。它在现代工业、能源、交通等领域有着广泛的应用。STM32是一种微控制器，它具有强大的计算能力和丰富的外设资源，非常适合用于功率电子控制。

本章将介绍STM32功率电子技术的概述，包括其特点、应用领域以及发展趋势。

# 2. 功率电子器件与电路

### 2.1 半导体功率器件

半导体功率器件是功率电子电路中的核心元件，其主要作用是控制和转换电能。常用的半导体功率器件包括二极管、晶体管和MOSFET。

#### 2.1.1 二极管

二极管是一种允许电流单向流动的器件。其主要结构由P型和N型半导体材料组成，形成一个PN结。当正向偏置二极管时，PN结中的空穴和电子会发生复合，形成电流。反向偏置时，PN结中的电场会阻止电流流动。

**应用：**

* 整流：将交流电转换成直流电
* 保护：防止电流反向流动
* 电压调节：通过并联二极管进行电压钳位

#### 2.1.2 晶体管

晶体管是一种具有三个电极（基极、集电极和发射极）的器件。通过控制基极电流，可以放大或开关集电极和发射极之间的电流。

**应用：**

* 放大器：放大信号的幅度
* 开关：控制电流的通断
* 稳压器：调节输出电压

#### 2.1.3 MOSFET

MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种利用电场效应控制电流流动的器件。其主要结构由源极、漏极和栅极组成。当栅极施加正向电压时，源极和漏极之间形成导电沟道，电流得以流动。

**应用：**

* 开关：高频开关应用
* 功率放大器：放大功率信号
* 电压调节：通过脉宽调制（PWM）控制输出电压

### 2.2 功率电子电路

功率电子电路是将电能从一种形式转换成另一种形式的电路。常用的功率电子电路包括整流器、逆变器和DC/DC转换器。

#### 2.2.1 整流器

整流器是一种将交流电转换成直流电的电路。其主要结构由二极管组成，通过二极管的单向导电特性，将交流电的正半周转换成直流电。

**应用：**

* 电源适配器：将交流电转换成直流电，为电子设备供电
* 电池充电器：将交流电转换成直流电，为电池充电

#### 2.2.2 逆变器

逆变器是一种将直流电转换成交流电的电路。其主要结构由晶体管或MOSFET组成，通过脉宽调制（PWM）技术，将直流电转换成频率和幅度可控的交流电。

**应用：**

* 不间断电源（UPS）：在断电时，将电池的直流电转换成交流电，为负载供电
* 太阳能逆变器：将太阳能电池板产生的直流电转换成交流电，并入电网

#### 2.2.3 DC/DC转换器

DC/DC转换器是一种将直流电从一种电压转换成另一种电压的电路。其主要结构由晶体管或MOSFET、电感和电容组成，通过开关调节技术，实现电压转换。

**应用：**

* 电压调节：将高电压转换成低电压，或将低电压转换成高电压
* 负载隔离：将两个不同电压的电路进行隔离
* 电池管理：管理电池的充电和放电过程

# 3.1 PWM控制技术

**3.1.1 PWM基本原理**

脉宽调制（PWM）是一种数字控制技术，通过调节脉冲的宽度来控制输出功率。PWM信号由一系列固定频率的脉冲组成，脉冲的宽度可变。脉冲宽度与输出功率成正比，即脉冲宽度越大，输出功率越大。

**3.1.2 PWM调制方式**

PWM调制方式有多种，包括：

- **单极性PWM：**脉冲宽度始终为正，脉冲周期不变。
- **双极性PWM：**脉冲宽度可以为正或负，脉冲周期不变。
- **互补PWM：**使用两个互补的PWM信号，当一个信号为高时，另一个信号为低。

### 3.2 PID控制算法

**3.2.1 PID算法原理**

比例-积分-微分（PID）控制算法是一种反馈控制算法，通过计算误差（期望值与实际值之差）的比例、积分和微分项来调节输出。PID算法的数学表达式为：

u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t)dt + Kd