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(jìn)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(jī)，并以TMS320F28335為核心控制單元設(shè)計了控制電路。為便于實(shí)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(jī)分別對雙向直流變換裝置的輸出特性進(jìn)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(diǎn)，所以在如船舶電力推進(jìn)等存在再生制動的大功率推進(jìn)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(shí)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(jìn)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(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計的仿真與樣機(jī)試驗。

2 電路拓?fù)浼罢{(diào)節(jié)器參數(shù)計
2．1 Bi Buck-Boost變換器電路拓?fù)?br /> 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(bǔ)PWM信號。

2．2 主拓?fù)鋮?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(jìn)行研究。考慮到實(shí)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(xiàn)，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(jìn)行了調(diào)節(jié)器的設(shè)計。