基于數(shù)字控制的雙向直流變換裝置的設(shè)計

摘要：針對大功率Bi Buck-Boost直流變換裝置進行了研究，采用工程設(shè)計法設(shè)計了基于電流模式閉環(huán)控制的調(diào)節(jié)器。搭建了試驗樣機，并以TMS320F28335為核心控制單元設(shè)計了控制電路。為便于實現(xiàn)數(shù)字調(diào)節(jié)器，推導(dǎo)了兩個具有高階形式調(diào)節(jié)器的增量式數(shù)字調(diào)節(jié)器算法。通過仿真程序和試驗樣機分別對雙向直流變換裝置的輸出特性進行了驗證。仿真和試驗結(jié)果一致且符合設(shè)計要求，驗證了設(shè)計方法和參數(shù)是合理有效的。
關(guān)鍵詞：變換器；工程設(shè)計法；數(shù)字控制

1 引言
雙向直流變換器主要應(yīng)用在小功率場合，由于其電流雙向的特點，所以在如船舶電力推進等存在再生制動的大功率推進場合也有廣泛的應(yīng)用前景。通常，電力變換裝置控制系統(tǒng)是基于小信號模型的動態(tài)校正來完成調(diào)節(jié)器的設(shè)計工作，設(shè)計過程復(fù)雜。此處將調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計法引入到雙向直流變換裝置調(diào)節(jié)器的設(shè)計中，可簡化閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計過程。同時，電力變換裝置的調(diào)節(jié)器往往是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的非PID形式。為便于數(shù)字調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)，針對所設(shè)計的兩種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)器的增量式算法進行了推導(dǎo)。構(gòu)建以TMS320F28335為核心控制單元的直流變換裝置，并進行了系統(tǒng)設(shè)計的仿真與樣機試驗。

2 電路拓撲及調(diào)節(jié)器參數(shù)計
2．1 Bi Buck-Boost變換器電路拓撲
通過在單向Buck直流變換器的開關(guān)管上反并聯(lián)二極管，在二極管上反并聯(lián)開關(guān)管可構(gòu)成BiBuck-Boost直流變換裝置，其構(gòu)成如圖1所示。VS2工作，VS1截止工作在降壓模式；VS1工作，VS2截止工作在升壓模式。兩個功率開關(guān)器件的驅(qū)動信號可采用帶有死區(qū)時間的互補PWM信號。

2．2 主拓撲參數(shù)的選擇
針對功率為80 kW，電壓為1 000 V／800 V的Bi Buck-Boost變換器進行研究?？紤]到實際應(yīng)用中可選IGBT的開關(guān)頻率情況，選定開關(guān)頻率為1 kHz。根據(jù)文獻，電路工作在CCM狀態(tài)，儲能電感計算式為：

式中：Iom為最小平均電流；Ui為輸入側(cè)直流電壓；Uo為輸出側(cè)直流電壓；f為IGBT開關(guān)頻率。
所需濾波電容的設(shè)計值為：

式中：△Uo為紋波峰峰值。
結(jié)合本系統(tǒng)，確定儲能電感為5 mH，濾波電容為250μF。
2．3 閉環(huán)形式及調(diào)節(jié)器工程設(shè)計
閉環(huán)控制采用具有快速暫態(tài)響應(yīng)的電流控制模式。電流模式控制系統(tǒng)框圖如圖2所示，采用工程設(shè)計法進行了調(diào)節(jié)器的設(shè)計。