基于電壓型控制DC-DC變換器雙脈寬調(diào)制對電流諧波抑制的研究

魏華汝，張俊洪，高 嵬，馮 進(jìn)，李 珺

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基于電壓型控制DC-DC變換器雙脈寬調(diào)制對電流諧波抑制的研究

魏華汝，張俊洪，高 嵬，馮 進(jìn)，李 珺

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

物理濾波是傳統(tǒng)變換器開關(guān)產(chǎn)生動作的基礎(chǔ)，本研究基于諧波對濾波的嚴(yán)重依賴，探尋減少此依賴的方法，并抑制電流諧波而展開研究，通過調(diào)制雙脈寬減少源頭諧波的產(chǎn)生來實現(xiàn)。BUCK電路這種直流斬波器，開關(guān)是基于雙脈沖來進(jìn)行控制的，當(dāng)電流是連續(xù)時，就會對輸出波執(zhí)行傅里葉展開操作，雙脈沖相位差直接影響到各次諧波的幅值。對比例系數(shù)(,)，(,)與諧波周期占空比以及諧波次數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建它們之間的函數(shù)關(guān)系，基于Matlab仿真對諧波抑制的效果進(jìn)行分析比較。除此之外，設(shè)計并選擇最簡控制電壓型的手段以及其實現(xiàn)方法。

雙脈寬調(diào)制 比例系數(shù)建模 電壓型控制

0 引言

由于DC-DC變換器與傳統(tǒng)的變換器相比有著獨特的優(yōu)勢，比如其功能變換效率非常高，并且具有高功率密度等，這就使得DC-DC變換器的應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛，尤其是艦艇與潛艇上。通過查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前世界對此類變換器的研究主要停留在對該變換器的控制領(lǐng)域，并未涉足研究改進(jìn)DC-DC變換器調(diào)制方法，也沒有相應(yīng)的創(chuàng)新工程。除此之外，大部分的研究基于單脈寬調(diào)制策略展開探索的，若期有更優(yōu)輸出性能的產(chǎn)品，就必然立足于開關(guān)頻率的增大，就會導(dǎo)致系統(tǒng)損耗的增大以及功率器件壽命的縮短。除此之外，對于控制器的運算性能的要求也越來越高。

單脈寬調(diào)制尤其是傳統(tǒng)型的，在每個開關(guān)周期內(nèi)，開通與開關(guān)只有一次。單脈寬調(diào)制的優(yōu)點在于，其具有極其簡單的原理，便于操作與實現(xiàn)，不足之處在于具有非常高的輸出電壓諧波含量。[1]目前，市面上主要是以物理濾波的方式進(jìn)行濾波（尤其是有源濾波器和無源濾波器），意味著通過將濾波器安裝在電路上實現(xiàn)電磁具有良好的兼容性能。對于有源濾波器來講，其特點為具有非常突出的效果，但是成本高、制作流程復(fù)雜，因此應(yīng)用程度與范圍均不及無源濾波器。其中，LC無源濾波器具有非常簡單的設(shè)計，且成本低，然而其不足之處就在于靈活性差。具體表現(xiàn)為，一組LC濾波器的作用范圍僅限于某一次諧波，要想達(dá)到較強(qiáng)的抑制效果，必須將多組LC濾波器進(jìn)行組合使用方可。［2］濾波器體積較大，必然會占據(jù)潛艇及艦艇的很大部分的空間，這必然會對艇員生活質(zhì)量以及濾波效率產(chǎn)生很大程度的影響。

傳統(tǒng)電機(jī)與電力電子變流設(shè)備對諧波的抑制原理不同，前者是基于電樞繞組的短距與磁路進(jìn)行設(shè)計與開展，此種方法無需多余的設(shè)備?；诖?，本研究探尋對于專用設(shè)備依賴度低甚至完全不依賴的電力電子諧波抑制技術(shù)。若合理改進(jìn)DC-DC變換器，降低諧波在源頭上的產(chǎn)生量，在一定程度上可以對電網(wǎng)質(zhì)量起到提高作用，對濾波器的依賴也起到減小的作用，除此之外，還可以對設(shè)備的體積進(jìn)行減小，對設(shè)備的成本起到降低的作用。本研究基于雙脈寬調(diào)制技術(shù)控制功率器件的倍頻，這樣才能夠優(yōu)化輸出電流控制性能。而雙脈寬調(diào)制技術(shù)指的是每個開關(guān)周期中，重新設(shè)計其脈沖序列，目的在于功率器的開關(guān)各有兩次。

1 基于Buck電路的DC-DC變換器單雙脈寬調(diào)制方法對比

1.1 原理分析

雙脈寬調(diào)制方式下電路一共有4種工作狀態(tài)，如圖1所示。圖2為電路在雙脈寬調(diào)制方式的的工作波形圖；圖中t為第一個脈沖開通時間，t為兩個脈沖時間間隔，t為第二個脈沖開通時間，t為第二個脈沖與下個周期首個脈沖的時間間隔。

圖1 雙脈寬調(diào)制方式工作原理合電路工作過程

圖2 雙脈寬調(diào)制方式工作原理圖

基于雙脈寬調(diào)制技術(shù)的工作原理以及其流程，對其電感電流表達(dá)式進(jìn)行推導(dǎo)，結(jié)論如下：

式中A與的公式為：

A是當(dāng)雙脈寬調(diào)制技術(shù)的輸出電流為n次的時候其諧波的幅值，是該條件下諧波相位；根據(jù)傅立葉級數(shù)的定義，由式（1）可以得到a與b表達(dá)式并整理得：

將式（5）和（6）代入式（3）與（4）我們可得：

雙脈寬調(diào)制技術(shù)（如圖2所示）t表示的是首個脈沖所通過的時間，t表示的第二個脈沖所通過的時間，t為雙脈沖時間差，除此之外t，t，t滿足如下關(guān)系式：

式（12）中D1是首個脈沖占空比所表示的符號，D2是緊隨首個之后的脈沖占空比所表示的符號，D1表示的是雙脈沖時間間隔以及其與控制信號周期比。設(shè)函數(shù)(,)與(,)，目的在于便于分析，(,)表示的是開關(guān)周期內(nèi)第二個脈沖占空比/第一個脈沖占空比的比例系數(shù)。而(,)表示的是雙脈沖時間間隔與首個脈沖所持續(xù)的時間之間的比例系數(shù)，如下所示：

通過式（9）~（11）可以算出D1，D2，D1各自的數(shù)學(xué)表達(dá)式，具體如下：

將式（12）代入式（8）可得：

通過式（13）能夠發(fā)現(xiàn)，若有一定的周期占空比的時候，(,)、(,)、k和k均在不同程度地影響著輸出電流的諧波分布，k與k在確定濾波電感值的時候是常數(shù)。基于(,)以及(,)兩函數(shù)的調(diào)整來實現(xiàn)輸出電流頻譜特性的改變，基于此原理來優(yōu)化控制輸出電流諧波含量。［3］由此可見，相比于單脈寬調(diào)制，雙脈寬調(diào)整相關(guān)參數(shù)從源頭降低開關(guān)所產(chǎn)生的諧波含量，從而降低對物理濾波器的依賴。

1.2 DC-DC變換器單雙脈寬調(diào)制仿真試驗

接下來，將D取值為0.5，為7的時候進(jìn)行仿真，圖3為仿真結(jié)果。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，諧波會隨著(,)以及(,)的變化而改變，當(dāng)(,)以及(,)有一個恰當(dāng)?shù)娜≈禃r，就能達(dá)到諧波最小的時候。本研究基于雙脈寬調(diào)制技術(shù)，調(diào)整(,)以及(,)使諧波達(dá)最低，并對(,)以及(,)和以及D進(jìn)行仿真探索，結(jié)果如圖4、5［3］。

圖3 7次諧波與H(D, n)，G(D,n)函數(shù)關(guān)系圖

通過理論分析可以得出，占空比恒定時，為更好地抑制對輸出電流特定次諧波，可通過對函數(shù)(,)與(,)進(jìn)行調(diào)整。

圖6為上述4種工況雙脈寬調(diào)制方法與單脈沖調(diào)制方式下的輸出電流、電壓實驗波形。對實驗的結(jié)果進(jìn)行分析后能夠了解，雙脈寬調(diào)制技術(shù)的穩(wěn)態(tài)效果更好，這是由于其輸出電壓與輸出電流均有非常小的波動，從而證明了理論推導(dǎo)以及仿真結(jié)果的正確性。

圖4 特定次諧波最小值時H(D, n)與占空比D，諧波次數(shù)n的關(guān)系圖

圖5 特定次諧波最小值時G(D,n)與占空比D，諧波次數(shù)n的關(guān)系圖

2 雙脈寬信號的疊加控制方式

斬波器輸入電壓一般都是在交流電整流獲得。在整流之后，電壓波動依然會存在，并且與負(fù)載存在正相關(guān)關(guān)系，交流電也會因此而受到干擾。閉環(huán)反饋的建立，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，確保直流輸出相對更佳。為了更好地實現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)，可通過PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，對系統(tǒng)性能進(jìn)行改善。

圖7 基于PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電壓型控制原理示意圖

若占空比在0.5以上的情況下，通過電流控制模式的應(yīng)用，出于峰值電流對反饋信號存在的干擾，輸出電流會形成一定程度的諧波震蕩，繼而對實驗研究的雙脈寬調(diào)制對諧波抑制效果存在影響；通過滯環(huán)控制的環(huán)境下，濾波電路設(shè)計相對較難，并且電路也不具備抗干擾能力；通過電壓控制響應(yīng)速度相對較慢，對負(fù)載電流不存在限流，具有一定的抗干擾能力。采用滯環(huán)控制時濾波電路設(shè)計難度大，且電路抗干擾能力差。通過實現(xiàn)限流電路的設(shè)計，能夠確保開關(guān)管保護(hù)效果，相比于其他控制方式，電壓控制方式更迎合于本次實驗需求，通過電壓控制模式的使用下，實現(xiàn)相應(yīng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，繼而在DSP29335上有效控制系統(tǒng)。Buck電路變換結(jié)構(gòu)圖可通過圖7進(jìn)行了解。

3 結(jié)論

通過分析和仿真試驗不難看出，相比于單脈寬調(diào)制，雙脈寬調(diào)制可以有效抑制輸出諧波含量，由式（13）可知，雙脈寬調(diào)制可以通過對(,)以及(,)兩函數(shù)的調(diào)整來優(yōu)化輸出電流的頻譜特性，即從源頭實現(xiàn)對諧波的自我消化，有效地減小對濾波器的依賴。

在具體實現(xiàn)過程中，基于PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電壓型控制方式相比其他控制方法，能夠盡可能減少各種因素的干擾，滿足雙脈寬調(diào)制方法實現(xiàn)的控制條件要求和下一步產(chǎn)品實驗定型的需要。

[1] 王兆安, 劉進(jìn)軍. 電力電子技術(shù)(第5版)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[2] 彭威, 張俊洪, 高健鑫. 移相控制雙脈沖對電流諧波的抑制[J]. 船電技術(shù), 2016, (7): 17-21.

[3] 劉鑫, 劉培毅, 李珺. 基于雙脈寬調(diào)制的諧波抑制技術(shù)[J]. 兵器裝備工程學(xué)報, 2017, 38(03): 129-133.

[4] 高嵬, 張俊洪. 船用單路Buck斬波器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計與實驗[J]. 船電技術(shù), 2011, (10): 19-22.

The Study of Current Harmonic Suppression Based on the Voltage Type Double Pulse Width Modulation Control of DC - DC Converter

Wei Huaru, Zhang Junhong, Gao Wei, Feng Jin, Li Jun

(Electrical Engineering School of Naval Engineering University, Wuhan 430033, China)

TM46

A

1003-4862（2018）11-0037-05

2018-06-20

魏華汝（1994-），男，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。E-mail:1045438544@qq.com

張俊洪（1960-），男，博士生導(dǎo)師。研究方向：電機(jī)與電器。