航空電源雙向DC-DC控制器設(shè)計(jì)

李 博，鄒浩彥

（1.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司 第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089；2.空裝駐西安地區(qū)第一軍事代表室，陜西 西安 710089）

0 引 言

近年來，隨著多電（ME）/全電（AE）飛機(jī)[1-4]概念的提出，液壓能和氣壓能逐漸被電能替代。原先由液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)的裝置轉(zhuǎn)為由電能驅(qū)動(dòng)。電能的廣泛使用，對飛機(jī)電源系統(tǒng)容量提出更大的要求，例如B787的電功率[5]達(dá)到了1.4 MW。雙向DC-DC變換器[6-8]作為ME/AE飛機(jī)電源系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換的重要部件，對ME/AE的發(fā)展具有重要意義。同時(shí)，其具備高可靠性，高轉(zhuǎn)換效率以及較小體積的優(yōu)點(diǎn)。但由于系統(tǒng)中負(fù)載的多樣性和環(huán)境不確定性等因素，對變換器的穩(wěn)定運(yùn)行（例如輸出電壓紋波增大等）造成負(fù)面影響。文獻(xiàn)[9]以控制變換器輸出電壓為目的，設(shè)計(jì)了基于Super-Twisting（ST）滑模算法的Buck-Boost電路控制器，在輸入電壓和輸出負(fù)載大擾動(dòng)下，獲得滿意的性能。

本文針對雙向DC-DC變換器自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于ST算法的電流內(nèi)環(huán)+電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制器，并給出了電路參數(shù)計(jì)算和控制器設(shè)計(jì)方法，同時(shí)實(shí)驗(yàn)證明該變換器在雙閉環(huán)控制算法下，系統(tǒng)具有更好的響應(yīng)速度和魯棒性。

1 雙向DC-DC變換器工作原理

圖1為一種航空電源系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，雙向DC-DC變換器的作用為母線通過雙向DC-DC變換器向蓄電池充電（正向）；緊急情況下，蓄電池通過變換器放電（反向）以保證重要機(jī)載用電設(shè)備正常工作。

雙向DC-DC變換器拓?fù)錇橐话霕蚴诫p向DC-DC電路。其工作在正向（Buck）模式下的工作階段分解如圖2所示；工作在反向（Boost）模式下的工作階段分解如圖3所示。

圖2 正向模式下的工作階段

圖3 反向模式下的工作階段

圖2、圖3中：當(dāng)S2工作S1截止時(shí)，電路中的能量流動(dòng)方向?yàn)閁1至U2；當(dāng)S1工作S2截止時(shí)電路中的能量流動(dòng)方向相反。經(jīng)過分析可知，S1和S2互補(bǔ)導(dǎo)通，且U1，U2間關(guān)系相同，變換器可逆性良好；且可實(shí)現(xiàn)平面坐標(biāo)系下的兩象限運(yùn)行。

2 控制器設(shè)計(jì)

由ST算法理論可知，ST由兩部分組成：滑模面是時(shí)間上的積分；滑模面是一個(gè)連續(xù)函數(shù)，即：

當(dāng)滿足 α＞H/KM，λ2＞2（αKM+H）/KM，0＜ρ≤ 0.5，ST 有限時(shí)間收斂于滑模面原點(diǎn)，其中，α，ρ，H，λ均為正常數(shù)。又因ST不需要任何有關(guān)滑模面在時(shí)間上的微分信息，若ρ=0.5，則系統(tǒng)將最大可能實(shí)現(xiàn)二階滑動(dòng)模態(tài)[9-11]?？刂撇呗钥驁D如圖4所示。

圖4 控制策略框圖

取電流內(nèi)環(huán)滑模面s1,2=iL-Iref，電壓外環(huán)滑模面s3,4=V1,2-Iref。由李雅普洛夫穩(wěn)定性判據(jù)分別進(jìn)行穩(wěn)定性分析，可知當(dāng)滿足式（2）時(shí)，系統(tǒng)是漸進(jìn)穩(wěn)定的。

3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

變換器設(shè)計(jì)要求見表1所列。

表1 變換器參數(shù)

3.1 MOSFET選擇

根據(jù)表1的電路參數(shù)，開關(guān)管開關(guān)頻率為40 kHz、最大需要承受電為120 V、電流為25 A，擇型號為IRFP4768PbF的N溝道增強(qiáng)型MOSFET。

3.2 電感設(shè)計(jì)

3.3 電容設(shè)計(jì)

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 程序設(shè)計(jì)

圖5給出了PWM信號中斷程序流程。在i時(shí)刻ePWM1和ePWM2計(jì)數(shù)器同時(shí)開始計(jì)數(shù)，并觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換信號，i～i+1時(shí)刻間，共采樣10次并處理，同時(shí)在i+1時(shí)刻更新占空比輸出2路帶死區(qū)的互補(bǔ)PWM。

圖5 PWM程序流程

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

選 取 控制器參數(shù) α1, α2, α3, α4分別為 100，100，500，501 ；λ1, λ2, λ3, λ4分別為 0.15，0.11，6，1.28。實(shí)驗(yàn)平臺主要由上位機(jī)（CCS9.0）、可編程直流電源、電子負(fù)載、雙向DC/DC變換器和DSP28335控制電路等組成，如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺

圖7、圖8分別為Buck、Boost模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。由圖7和圖8可知，ST雙閉環(huán)算法具有良好的啟動(dòng)性能，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間端、曲線平滑；負(fù)載/電源擾動(dòng)下，輸出電壓保持不變，系統(tǒng)魯棒性好。

圖7 Buck模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 Boost模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 語

本文針對半橋式雙向DC/DC變換器在電源/負(fù)載擾動(dòng)下的非線性問題，設(shè)計(jì)了基于ST算法控制器，確定了控制框圖，并在不同模式下對系統(tǒng)的啟動(dòng)、電源/負(fù)載擾動(dòng)情況下的性能進(jìn)行考核。結(jié)果表明系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，系統(tǒng)紋波小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、魯棒性強(qiáng)。