基于数字控制的双向直流变换装置的设计

摘要：针对大功率Bi Buck-Boost直流变换装置进行了研究，采用工程设计法设计了基于电流模式闭环控制的调节器。搭建了试验样机，并以TMS320F28335为核心控制单元设计了控制电路。为便于实现数字调节器，推导了两个具有高阶形式调节器的增量式数字调节器算法。通过仿真程序和试验样机分别对双向直流变换装置的输出特性进行了验证。仿真和试验结果一致且符合设计要求，验证了设计方法和参数是合理有效的。
关键词：变换器；工程设计法；数字控制

1 引言
双向直流变换器主要应用在小功率场合，由于其电流双向的特点，所以在如船舶电力推进等存在再生制动的大功率推进场合也有广泛的应用前景。通常，电力变换装置控制系统是基于小信号模型的动态校正来完成调节器的设计工作，设计过程复杂。此处将调节器的工程设计法引入到双向直流变换装置调节器的设计中，可简化闭环系统的设计过程。同时，电力变换装置的调节器往往是结构较为复杂的非PID形式。为便于数字调节器的实现，针对所设计的两种复杂结构的调节器的增量式算法进行了推导。构建以TMS320F28335为核心控制单元的直流变换装置，并进行了系统设计的仿真与样机试验。

2 电路拓扑及调节器参数计
2．1 Bi Buck-Boost变换器电路拓扑
通过在单向Buck直流变换器的开关管上反并联二极管，在二极管上反并联开关管可构成BiBuck-Boost直流变换装置，其构成如图1所示。VS2工作，VS1截止工作在降压模式；VS1工作，VS2截止工作在升压模式。两个功率开关器件的驱动信号可采用带有死区时间的互补PWM信号。

2．2 主拓扑参数的选择
针对功率为80 kW，电压为1 000 V／800 V的Bi Buck-Boost变换器进行研究。考虑到实际应用中可选IGBT的开关频率情况，选定开关频率为1 kHz。根据文献，电路工作在CCM状态，储能电感计算式为：

式中：Iom为最小平均电流；Ui为输入侧直流电压；Uo为输出侧直流电压；f为IGBT开关频率。
所需滤波电容的设计值为：

式中：△Uo为纹波峰峰值。
结合本系统，确定储能电感为5 mH，滤波电容为250μF。
2．3 闭环形式及调节器工程设计
闭环控制采用具有快速暂态响应的电流控制模式。电流模式控制系统框图如图2所示，采用工程设计法进行了调节器的设计。