基于復合控制的雙向DC-DC變換器研究

司勝文，郭小定，陳 馳

（湖南科技大學 信息與電氣工程學院，湖南 湘潭 411201）

0 引 言

當今全球范圍內各大汽車生產廠家都在致力于新能源汽車的研發工作。新能源汽車的研發不僅是汽車產業轉型的信號，而且是世界各國推動經濟發展的突破口，越來越多的汽車公司緊跟時代潮流，將新能源汽車作為發展戰略中的重點突破口。我國在“十五”期間的規劃指出將燃料電池汽車的研發推廣作為當前我國電動汽車產業發展的首要任務[1]。在當今能源消耗極大、環境污染嚴重的背景下，燃料電池汽車的發展勢在必行，必將形成一股強大的力量推動社會發展。燃料電池汽車行駛過中工況相對復雜，能量轉換是其中的一個重要環節。燃料電池汽車系統中，大功率電力電子的雙向變換技術可保證客車行駛時燃料電池工作在最佳效率狀態，且是在制動或減速過程中能量能否可靠、高效回收存儲的關鍵技術[2]。因此，開發DC-DC變換器等能量轉換設備將成為研究的熱點領域。

1 雙向DC-DC變換器工作原理

雙向DC-DC變換器主電路拓撲結構如圖1所示，由升壓Boost電路和降壓Buck電路反并聯而成。雙向DC-DC變換器有兩個功率開關，通過控制開關的導通控制其工作模式。工作在Boost模式時，管S1開關動作，管S2驅動信號可靠封鎖；工作在Buck模式時，管S2開關動作，管S1驅動信號可靠封鎖[3-5]。

變換器工作在Boost模式時，開關管V1截止，通過控制開關管V2的導通時間控制輸出電壓的大小。當開關管V2導通時，電壓U1加到電感L的兩端，電感電流Li流過線圈，在電感線圈未飽和前，電感電流Li線性增加，對電感進行充電，此時電容C2通過負載放電；當開關管V2關斷時，電感電流Li通過二極管向輸出測流動，此時輸入電壓和電感電壓串聯共同給負載供電，并給C2充電，電感電流Li線性減小。

變換器工作在Buck模式時，開關管V2截止，通過控制開關管S2的導通時間控制輸出電壓的大小。當開關管V1導通時，電壓U2加到電感L和電容C1的兩端，電感電流Li線性增加，電動機制動的機械能轉換成電能儲存在電感中，并對超級電容進行充電；當開關管V1關斷時，電感電流Li通過二極管向超級電容測流動，電感電流Li線性減小[6]。

2 復合控制系統的特性原理

雙向DC-DC變換器的輸出特性要求在輸入電壓不穩定的情況下能夠保持輸出恒壓和恒流。雙閉環復合控制系統將幾種特性進行復合，根據輸出電壓和輸出電流的情況，對按照輸入輸出特性的要求和等級進行自動切換[7]，其控制原理圖如圖2所示。

設定系統的輸出電壓和輸出電流，通過各自的閉環控制系統進行調節，將調節后的信號發送到復合自動控制器，自動控制器根據自身特性選擇當前最需要的閉環調節。經過復合控制系統后，輸出一個控制信號到PWM控制器，并發送一個信號到IGBT驅動，控制開關的導通時間，從而控制變換器的輸出特性。隨著輸出電壓、電流的不斷變化，誤差信號不斷變化，控制系統不斷調整輸出特性，最終達到穩定輸出[8]。

圖2 復合控制系統原理圖

3 DC-DC變換器復合控制系統的數學模型

根據復合控制系統的特性，建立如圖3所示的復合系統數學模型圖。DC-DC變換器的輸出電壓u0與輸出電流i0，分別經過電壓傳感器與電流傳感器檢測后，通過采樣調節器Hu0(s)和Hi0(s)后，得到反饋信號bu0(s)和bi0(s)，將兩路反饋信號分別與控制單元預先設定的電壓給定值ug和電流給定值ig進行比較[9]，分別得到電壓環與電流環誤差信號eu0(s)和ei0(s)：

兩路誤差信號再分別通過各自的控制器傳遞函數，經校正補償后輸出e、u0(s)和e、i0(s)：

將校正補償后的誤差信號輸入到復合控制器[10]，得到復合后的誤差信號，復合控制器的傳遞函數定義為Gmin(s)：

復合后的誤差信號輸入到PWM控制器進行脈寬調制，輸出驅動信號控制IGBT的占空比，從而控制輸出大小，其分別是比例調節環節和PWM控制器傳遞函數。G(s)與d的關系如下：

即當確定了e—(s)，G(s)也就隨之確定，電壓輸出特性與電流輸出特性經過上述運算后復合到一起，動態選擇當前需要進行閉環控制的特性，從而實現不同特性之間的自動切換[11]。假若考慮輸入電壓和輸出電壓的擾動，擾動量為u^in和u^0，傳遞函數為Gu0、Gi0、Guin，那么變換器的輸出變量為：

圖3 復合控制系統數學模型圖

4 DC-DC變換器復合控制系統的仿真

若擾動量=0、=0則：

復合控制控制系統利用Simulink搭建電路仿真模型，仿真參數為：電壓環Kp=0.48，Ki=1.25；電流環Kp=6.3，Ki=22；濾波電容C1=C2=1 000 μF，高壓測電壓U=300 V，電感L=3 mH；開關頻率為20 kHz。

4.1 Boost模式仿真

按照上述圖4所示的控制復合系統的方法搭建了Simulink電路仿真模型，按照以上計算的參數進行了仿真，預先設定輸出電壓為300 V，輸出電流為30 A，經過復合控制系統仿真后輸出波形如圖5所示。

圖4 Boost模式系統Simulink仿真模型

圖5 Boost模式下復合控制系統輸出波形

從電壓電流達到穩定的時間來看，單閉環控制時間為3.8×10-3s，復合控制系統為3.6×10-3s，相比之下復合控制系統速度更快；輸出電壓和電流的穩定性都非常好，基本上沒有超調，且紋波很小。設計輸出電流在0.02 s時，由原來的30 A降到25 A，觀察系統的輸出波形，仿真后波形如圖6所示。

從電壓、電流的波形來看，當輸出電流發生變化后，經過復合控制系統反饋調整，系統很快作出反應達到相應值，且在此過程中，波動很小、很平滑，能夠迅速達到新的穩定值。輸入電壓由原來的200 V增大到220 V，通過仿真觀察輸出電壓波形，將其與采用的電壓單閉環進行比較，仿真后波形如圖7所示。

當輸入電壓發生變化時，兩種控制方法均可對其進行調整，保持輸出電壓的穩定，但單閉環控制時出現了一定程度的波動，而復合控制幾乎沒有出現波動，可以說明復合控制的方法比單閉環控制的穩定性更好。

圖6 Boost模式下復合控制系統突變輸出波形

圖7 兩種控制方法輸出電壓比較

5 結 論

復合控制在Boost模式下，既可以動態選擇其輸出特性，又能實現輸出特性的自動切換。在Boost模式下，一個開關周期內電感在開關導通后承受正向電壓，此時電感中電流逐漸增大，儲存電能；開關閉合后承受反向電壓，電感中儲存的電能向輸出側流動，電感電流逐漸減小。仿真波形與理論分析一致，驗證了理論分析的正確性。