雙向DC—DC變換器建模與控制器設(shè)計(jì)

王曉明

【摘 要】所謂雙向DC-DC變換器是一種維持直流電壓極性不變，可以進(jìn)行能量雙向傳遞的變換裝置。由于雙向DC-DC變換器工作在升降壓模式下特性相似，本文建立了升壓模式下的動(dòng)態(tài)模型，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器。

【關(guān)鍵詞】雙向DC-DC變換器；Boost模式；數(shù)學(xué)模型；PI控制

0 引言

隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科技的快速發(fā)展，資源匱乏、環(huán)境保護(hù)越來越得到人們重視，各國相繼出臺(tái)了較為嚴(yán)格的能源、環(huán)境保護(hù)政策。采用雙向DC-DC變換器可以大幅減輕系統(tǒng)的體積重量及成本，提升電池的使用效率，在電動(dòng)汽車、電梯運(yùn)行、太陽能發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)、不間斷電源（UPS）系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，具有重要的研究意義。

1 拓?fù)溥x擇與數(shù)學(xué)模型建立

1.1 雙向DC-DC變換器拓?fù)溥x擇

雙向DC-DC變換器主要分為隔離型和非隔離型兩類拓?fù)?，其主要區(qū)別在于有無變壓器。首先，采用隔離方式的變換器，由于系統(tǒng)中包含電感、變壓器等磁性材料使得整個(gè)變換器體積過大，而且此種電路比較復(fù)雜，元器件較多使得損耗較大，成本較高。所以不予考慮。其次，采用非隔離方式的變換器，其元器件種類和數(shù)量都比較少，電路簡(jiǎn)單易于控制，而且變換器體積較小效率高，因此本文采用非隔離型拓?fù)洹?/p>

多重化并聯(lián)的變換器能夠提高其工作頻率，使輸出的電壓紋波較小，同時(shí)也可以提高變換器的工作效率。而且該變換器還有著較寬的輸出電壓范圍，從而滿足其充電和放電的基本要求。因此，將多重化并聯(lián)后的變換器應(yīng)用于能量管理系統(tǒng)中將大大提高系統(tǒng)的性能。最后采用兩相交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC-DC變換器，如圖1所示。

1.2 交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路建模

當(dāng)電路工作在Boost模式下，S1，S3導(dǎo)通時(shí)，L1、L2的電壓方程（3-1）為：

vL1（t）=L1=v1（t）

vL2（t）=L2=v1（t）

當(dāng)S1、S3斷開時(shí)，L1、L2的電壓方程（3-2）為：

vL1（t）=L1=v1（t）-v2（t）

vL2（t）=L2=v1（t）-v2（t）

可以把v1（t）和v2（t）看做連續(xù)，并且在一個(gè)周期內(nèi)近似不變，所以可以等效成在Ts內(nèi)的平均值，即v1（t）={v1（t）}、v2（t）={v2（t）}。聯(lián)立（3-1）、（3-2）得L1、L2的電壓（3-3）：

{vL1（t）}={v1（t）}-d'1{v2（t）}

{vL2（t）}={v1（t）}-d'3{v2（t）}

式中d'1=1-d1，d'3=1-d3。

由電感電壓的計(jì)算方程可得（3-4）：

{vL1（t）}=L1

{vL2（t）}=L2

將（3-4）代入（3-3）得到式（3-5）：

L1={v1（t）}-d'1{v2（t）}

L2={v1（t）}-d'3{v2（t）}

根據(jù)基爾霍夫定律可知（3-6）：

{ic（t）}=C2=d'1{iL1（t）}-d'3{iL2（t）}-

在變換器在穩(wěn)態(tài)時(shí)，假設(shè)D1=d1（t）、D3=d3（t），V1={v1（t）}、V2={v2（t）}，IL1={iL1（t）}、IL2={iL2（t）}。

將上面假設(shè)代入式（3-5）、（3-6）并化簡(jiǎn)，在此基礎(chǔ)上可得到小信號(hào)數(shù)學(xué)模型并經(jīng)過一系列公式計(jì)算得到電感電流傳遞函數(shù)和輸出電壓傳遞函數(shù)（3-7）、（3-8）：

Gid（s）=|=

Gvi（s）=|=

2 控制器設(shè)計(jì)

電路工作在Boost模式，為了能夠快速提供功率輸出并保持母線電壓穩(wěn)定，控制是通過電壓電流雙閉環(huán)的方法，直流母線電壓由電壓外環(huán)實(shí)時(shí)檢測(cè)，再跟給定恒壓做比較作為電壓外環(huán)，穩(wěn)定輸出電壓，同時(shí)將其輸出經(jīng)PI調(diào)制作為電流內(nèi)環(huán)的給定電流?？刂瓶驁D如圖2所示。

3 結(jié)束語

經(jīng)過PI補(bǔ)償后，變換器輸出電壓的超調(diào)得到了很好的改善，輸出電壓響應(yīng)速度也提高了，穩(wěn)態(tài)誤差也減小了。因此，本文中的雙閉環(huán)控制器的設(shè)計(jì)還是比較合理的，能夠很好的提高變換器的整體性能。endprint