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)過前面對(duì)變換器電路結(jié)構(gòu)、工作原理、參數(shù)選擇的分析，現(xiàn)對(duì)變換器控制策略進(jìn)行研究。為了實(shí)現(xiàn)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(nèi)環(huán)雙閉環(huán)非互補(bǔ)導(dǎo)通、反向電壓單閉環(huán)互補(bǔ)導(dǎo)通的控制策略[8-10]。

當(dāng)進(jìn)行雙閉環(huán)反饋控制時(shí)，將輸出電壓經(jīng)過采樣電路之后與基準(zhǔn)正弦電壓相比較，對(duì)它們的誤差電壓采取PI調(diào)節(jié)運(yùn)算的方法，然后通過運(yùn)算放大器降壓限幅后送到比較器正端，以達(dá)到與鋸齒波進(jìn)行比較產(chǎn)生占空比可以調(diào)節(jié)的脈沖信號(hào)的目標(biāo)，進(jìn)而通過占空比變化來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(hào)作為給定電流信號(hào)，與電感電流采樣信號(hào)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(hào)，通過比較可以得到其輸出信號(hào)為：

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

將產(chǎn)生的誤差信號(hào)ue與鋸齒信號(hào)uc分別接到比較器正負(fù)兩端，即可產(chǎn)生占空比可以調(diào)節(jié)的脈沖電壓信號(hào)，供邏輯電路使用。當(dāng)誤差信號(hào)大于鋸齒波信號(hào)時(shí)，比較器輸出高電平;當(dāng)誤差信號(hào)小于鋸齒波信號(hào)時(shí)，比較器輸出低電平，從而得到PWM高頻信號(hào)。對(duì)產(chǎn)生的PWM觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行處理，即可得到相應(yīng)的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。采用雙閉環(huán)控制，可以增強(qiáng)變換器對(duì)負(fù)載的適應(yīng)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(diào)節(jié)器;

(b) 電流內(nèi)環(huán)比例調(diào)節(jié)單元

變換器反向工作時(shí)，相對(duì)于正向工作情形，采取了簡單的輸出電壓單閉環(huán)控制，其采樣部分、PI調(diào)節(jié)單元、PWM比較器等與正向控制類似，在此不再作詳細(xì)闡述。在實(shí)際工作時(shí)，為保證功率器件的正常運(yùn)行，需添加主開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路。

6 仿真試驗(yàn)

經(jīng)過前面對(duì)控制方案的設(shè)計(jì)，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。變換器正向工作時(shí)，其仿真結(jié)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局部展開圖;( c) 電壓PI調(diào)節(jié)結(jié)果與電流PI調(diào)節(jié)結(jié)果

從圖6(a)的仿真結(jié)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(shù)較小，諧波含量少;圖6(b)中，輸出電壓紋波為0.0084V，遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜，器件較多，相對(duì)于單閉環(huán)控制存在有較多的損耗，但是滿足了設(shè)計(jì)的要求，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快;圖6(c)所示為經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后的誤差電壓、電流波形，在允許的波動(dòng)范圍之內(nèi)，起到了很好地動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)作用。

變換器反向工作時(shí)，其仿真結(jié)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(qū)動(dòng)信號(hào)波形;(b) 變換器磁復(fù)位中電阻R的參數(shù)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滿足設(shè)計(jì)的要求;驅(qū)動(dòng)信號(hào)滿足Boost電路設(shè)計(jì)的要求，驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，有效利用了電感中儲(chǔ)存的能量，這一點(diǎn)與變換器正向工作時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)非互補(bǔ)控制是有區(qū)別的;圖7(b)說明磁復(fù)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(xiàn)磁復(fù)位的同時(shí)也滿足了盡量減小能量損耗的目標(biāo)。

7 總結(jié)

通過對(duì)雙向DC-DC變換器的設(shè)計(jì)，分別對(duì)其電路拓?fù)?、控制方案、器件參?shù)等進(jìn)行了分析和對(duì)比，選取了基于單端正激變換器同步整流的電路拓?fù)?，并將電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)先進(jìn)的控制方案運(yùn)用到試驗(yàn)中，最后通過仿真分析，證明了所設(shè)計(jì)變換器的正確性和可行性，滿足了設(shè)計(jì)的要求。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 嚴(yán)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?fù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/研究">研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(13)：81-86.

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

[6] 劉鳳君.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源技術(shù)及應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2008.

[7] 張占松.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社，2006.

[8] 張衛(wèi)平.開關(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(diào)節(jié)器的建模與控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，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(zhuǎn)換器的死區(qū)時(shí)間控制電路[J].微電子學(xué)，2009，39(1)：77-80.

附注

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

作者簡介

朱勁松(1988-)，男，漢，江蘇泰州人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。E-mail：1988win@163.com。

李 磊(1975-)，男，漢，山東濟(jì)寧人，博士，副教授，研究方向?yàn)楣β孰娮幼儞Q技術(shù)。 ■