基于單端正激模型的雙向DC-DC變換器研究

5 控制策略

經過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行研究。為了實現變換器雙向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電流內環雙閉環非互補導通、反向電壓單閉環互補導通的控制策略[8-10]。

當進行雙閉環反饋控制時，將輸出電壓經過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，以達到與鋸齒波進行比較產生占空比可以調節的脈沖信號的目標，進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行比較，如圖5(b)所示，Uio即為電壓PI環的輸出電壓值，Uig為輸出電流的采樣信號，通過比較可以得到其輸出信號為：

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

將產生的誤差信號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，比較器輸出高電平;當誤差信號小于鋸齒波信號時，比較器輸出低電平，從而得到PWM高頻信號。對產生的PWM觸發信號進行處理，即可得到相應的開關管驅動信號。采用雙閉環控制，可以增強變換器對負載的適應能力，提高輸出波形質量。

圖5 正向雙閉環環控制組件：(a) 電壓外環PI調節器;

(b) 電流內環比例調節單元

變換器反向工作時，相對于正向工作情形，采取了簡單的輸出電壓單閉環控制，其采樣部分、PI調節單元、PWM比較器等與正向控制類似，在此不再作詳細闡述。在實際工作時，為保證功率器件的正常運行，需添加主開關管的驅動電路。

6 仿真試驗

經過前面對控制方案的設計，現對其進行仿真驗證。變換器正向工作時，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%，由于采取雙閉環的控制方案，電路結構稍微復雜，器件較多，相對于單閉環控制存在有較多的損耗，但是滿足了設計的要求，且動態響應更快;圖6(c)所示為經過PI調節器后的誤差電壓、電流波形，在允許的波動范圍之內，起到了很好地動態調節作用。

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

7 總結

通過對雙向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、電流內環先進的控制方案運用到試驗中，最后通過仿真分析，證明了所設計變換器的正確性和可行性，滿足了設計的要求。

參考文獻

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附注

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

作者簡介

朱勁松(1988-)，男，漢，江蘇泰州人，碩士研究生，研究方向為電力電子技術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。 ■