基于單端正激模型的雙向DC-DC變換器研究

5 控制策略

經(jīng)過(guò)前面對變換器電路結構、工作原理、參數選擇的分析，現對變換器控制策略進(jìn)行研究。為了實(shí)現變換器雙向DC-DC變換，要求變換器正、反方向均能正常工作，決定采取正向電壓外環(huán)電流內環(huán)雙閉環(huán)非互補導通、反向電壓?jiǎn)伍]環(huán)互補導通的控制策略[8-10]。

當進(jìn)行雙閉環(huán)反饋控制時(shí)，將輸出電壓經(jīng)過(guò)采樣電路之后與基準正弦電壓相比較，對它們的誤差電壓采取PI調節運算的方法，然后通過(guò)運算放大器降壓限幅后送到比較器正端，以達到與鋸齒波進(jìn)行比較產(chǎn)生占空比可以調節的脈沖信號的目標，進(jìn)而通過(guò)占空比變化來(lái)控制和改善輸出電壓，如圖5(a)所示。將經(jīng)限幅電路限幅后的誤差電壓信號作為給定電流信號，與電感電流采樣信號再進(jìn)行比較，如圖5(b)所示，Uio即為電壓PI環(huán)的輸出電壓值，Uig為輸出電流的采樣信號，通過(guò)比較可以得到其輸出信號為：

V=Uig+(Uig- Uio)R3/ R1 (18)

將產(chǎn)生的誤差信號ue與鋸齒信號uc分別接到比較器正負兩端，即可產(chǎn)生占空比可以調節的脈沖電壓信號，供邏輯電路使用。當誤差信號大于鋸齒波信號時(shí)，比較器輸出高電平;當誤差信號小于鋸齒波信號時(shí)，比較器輸出低電平，從而得到PWM高頻信號。對產(chǎn)生的PWM觸發(fā)信號進(jìn)行處理，即可得到相應的開(kāi)關(guān)管驅動(dòng)信號。采用雙閉環(huán)控制，可以增強變換器對負載的適應能力，提高輸出波形質(zhì)量。

圖5 正向雙閉環(huán)環(huán)控制組件：(a) 電壓外環(huán)PI調節器;

(b) 電流內環(huán)比例調節單元

變換器反向工作時(shí)，相對于正向工作情形，采取了簡(jiǎn)單的輸出電壓?jiǎn)伍]環(huán)控制，其采樣部分、PI調節單元、PWM比較器等與正向控制類(lèi)似，在此不再作詳細闡述。在實(shí)際工作時(shí)，為保證功率器件的正常運行，需添加主開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)電路。

6 仿真試驗

經(jīng)過(guò)前面對控制方案的設計，現對其進(jìn)行仿真驗證。變換器正向工作時(shí)，其仿真結果如圖6所示。

圖6 變換器正向仿真波形：(a)變換器輸出電壓uo與濾波電感電流i ;(b) 輸出電壓uo與濾波電感電流i局部展開(kāi)圖;( c) 電壓PI調節結果與電流PI調節結果

從圖6(a)的仿真結果可以看出，變換器輸出波形質(zhì)量較好，波形平整，紋波系數較小，諧波含量少;圖6(b)中，輸出電壓紋波為0.0084V，遠小于輸出要求的0.2V，濾波電感電流紋波為0.325A，小于輸出要求的0.4A，變換器工作效率η=(11.603×28.308)/(12×30)=91.2%>80%，由于采取雙閉環(huán)的控制方案，電路結構稍微復雜，器件較多，相對于單閉環(huán)控制存在有較多的損耗，但是滿(mǎn)足了設計的要求，且動(dòng)態(tài)響應更快;圖6(c)所示為經(jīng)過(guò)PI調節器后的誤差電壓、電流波形，在允許的波動(dòng)范圍之內，起到了很好地動(dòng)態(tài)調節作用。

變換器反向工作時(shí)，其仿真結果如圖7所示。

圖7 變換器反向仿真波形：(a) 變換器輸出電壓以及驅動(dòng)信號波形;(b) 變換器磁復位中電阻R的參數波形

從圖7(a)可以看出，反向工作時(shí)變換器輸出電壓很接近48V滿(mǎn)足設計的要求;驅動(dòng)信號滿(mǎn)足Boost電路設計的要求，驅動(dòng)信號互補，有效利用了電感中儲存的能量，這一點(diǎn)與變換器正向工作時(shí)驅動(dòng)信號非互補控制是有區別的;圖7(b)說(shuō)明磁復位電路電阻R中的電流很小并且其損耗很低，在很好實(shí)現磁復位的同時(shí)也滿(mǎn)足了盡量減小能量損耗的目標。

7 總結

通過(guò)對雙向DC-DC變換器的設計，分別對其電路拓撲、控制方案、器件參數等進(jìn)行了分析和對比，選取了基于單端正激變換器同步整流的電路拓撲，并將電壓外環(huán)、電流內環(huán)先進(jìn)的控制方案運用到試驗中，最后通過(guò)仿真分析，證明了所設計變換器的正確性和可行性，滿(mǎn)足了設計的要求。

參考文獻

[1] 李平，何益宏，龔仁喜.雙向直流變換器的發(fā)展現狀[J].廣西師范學(xué)院學(xué)報，2006，23(2)：100-10.

[2] 嚴仰光.雙向直流變換器[M].江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

[3] 張方華.雙向DC-DC變換器的研究[D].南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文，2004.

[4] 童亦斌，吳M，金新民，等.雙向DC/DC變換器的拓撲研究[J].中國電機工程學(xué)報，2007，27(13)：81-86.

[5] 姜德來(lái)，呂征宇.應用同步整流技術(shù)實(shí)現雙向DC - DC變換[J].電源技術(shù)應用，2005，8(11)：9-12.

[6] 劉鳳君.現代高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)及應用[M].電子工業(yè)出版社，2008.

[7] 張占松.開(kāi)關(guān)電源的原理與設計[M].電子工業(yè)出版社，2006.

[8] 張衛平.開(kāi)關(guān)變換器的建模與控制[M].北京：中國電力出版社，2006.

[9] 金楠唐，厚君，葉M生，等.交流Buck型動(dòng)態(tài)電壓調節器的建模與控制[J].電機與控制學(xué)報，2010，14(8)：102-106.

[10] 陳冠旭，戴宇杰，張小興，呂英杰.用于降壓型DC-DC轉換器的死區時(shí)間控制電路[J].微電子學(xué)，2009，39(1)：77-80.

附注

基金項目：國家自然科學(xué)基金(51177073);江蘇省自然科學(xué)基金(BK2009389)。

作者簡(jiǎn)介

朱勁松(1988-)，男，漢，江蘇泰州人，碩士研究生，研究方向為電力電子技術(shù)在電力系統中的應用。E-mail：1988win@163.com。

李 磊(1975-)，男，漢，山東濟寧人，博士，副教授，研究方向為功率電子變換技術(shù)。 ■