基于數字控制的雙向直流變換裝置的設計

摘要：針對大功率Bi Buck-Boost直流變換裝置進行了研究，采用工程設計法設計了基于電流模式閉環控制的調節器。搭建了試驗樣機，并以TMS320F28335為核心控制單元設計了控制電路。為便于實現數字調節器，推導了兩個具有高階形式調節器的增量式數字調節器算法。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。仿真和試驗結果一致且符合設計要求，驗證了設計方法和參數是合理有效的。
關鍵詞：變換器；工程設計法；數字控制

1 引言
雙向直流變換器主要應用在小功率場合，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用前景。通常，電力變換裝置控制系統是基于小信號模型的動態校正來完成調節器的設計工作，設計過程復雜。此處將調節器的工程設計法引入到雙向直流變換裝置調節器的設計中，可簡化閉環系統的設計過程。同時，電力變換裝置的調節器往往是結構較為復雜的非PID形式。為便于數字調節器的實現，針對所設計的兩種復雜結構的調節器的增量式算法進行了推導。構建以TMS320F28335為核心控制單元的直流變換裝置，并進行了系統設計的仿真與樣機試驗。

2 電路拓撲及調節器參數計
2．1 Bi Buck-Boost變換器電路拓撲
通過在單向Buck直流變換器的開關管上反并聯二極管，在二極管上反并聯開關管可構成BiBuck-Boost直流變換裝置，其構成如圖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。兩個功率開關器件的驅動信號可采用帶有死區時間的互補PWM信號。

2．2 主拓撲參數的選擇
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。考慮到實際應用中可選IGBT的開關頻率情況，選定開關頻率為1 kHz。根據文獻，電路工作在CCM狀態，儲能電感計算式為：

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

式中：△Uo為紋波峰峰值。
結合本系統，確定儲能電感為5 mH，濾波電容為250μF。
2．3 閉環形式及調節器工程設計
閉環控制采用具有快速暫態響應的電流控制模式。電流模式控制系統框圖如圖2所示，采用工程設計法進行了調節器的設計。