三重化交错并联DC/DC变换器优化控制研究*

邓淑贤，刘晓琴，李　敏

（辽宁石油化工大学信息与控制工程学院，辽宁　抚顺　113001）

三重化交错并联DC/DC变换器优化控制研究*

邓淑贤，刘晓琴，李敏

（辽宁石油化工大学信息与控制工程学院，辽宁抚顺113001）

摘要：设计了一种适用于大容量储能系统功率控制的三重化交错并联双向DC/DC变换器。针对具有强非线性、滞后和参数存在漂移的DC/DC变换器，采用平均状态空间法进行了数学建模及分析，提出了基于电流和电压的双闭环PID控制方案，使用了幅相裕度法对PI参数进行整定，最后设计实验验证了所采用的控制策略。实验结果表明，变换器在较宽的工作范围内实现了零电压开关工作，消除了动态电流变化导致的过充和过放，在较大负载变化范围内实现了95%以上的效率。

关键词：三重化交错并联，双向DC/DC，双闭环，模糊PID，零电压开关

0　引言

近年来，随着电动汽车或者微型燃机发电系统的迅猛发展，大容量电池和超级电容得到了越来越多的应用。从储能系统充放电控制单元在整个系统的位置和将要实现的功能看，既要完成对母线或负载放电的升压功能，也要完成降压功能以实现充电，即能量可以实现双向流动，变换器电路是可逆的［1］，因此，设计一种增益较高的双向DC/DC变换器成为储能系统充放电的一项关键技术。

本文设计了适合大容量储能装置的三重化Buck/Boost双向功率变换器，基于交错并联技术，采用电流和电压的双闭环的模糊PID控制方案，提高了系统功率密度与可靠性，同时能够抑制输出谐波，降低功率半导体器件的热应力和电流应力，减小电抗器的体积和扩大系统的输出功率。

1　主电路拓扑结构建模

三重化交错并联Buck/Boost［2］双向功率变换器的拓扑结构如图1所示。

通过控制左上桥臂的开关管导通，右下桥臂或右上桥臂的开关管按相位错开120°开关工作，可以分别实现升压和降压充电，主电路等效为能量从左向右流动的3个Boost或Buck变换器并联。通过控制右上桥臂的开关管导通，左下桥臂或左上桥臂的开关管按相位错开120°开关工作，可以分别实现升压和降压放电，主电路等效为能量从右向左流动的3个Boost或Buck变换器并联。

图1　三重化交错并联双向功率变换器

开关管的开通方式均为零电压导通，二极管均为自然关断，提高了整个变换器的工作效率，消除了二极管由于反向恢复而带来的影响，提高了变换器的可实现性。同时由于功率开关器件一般都存在寄生结电容的存在，加上变换器中缓冲吸收单元的作用，使得变换器的电压上升速率受到了限制，这样就在一定程度上获得了软关断的效果，减少了由于开关动作加在开关管两端的开关应力，进一步提高了系统的可靠性。

通过运用状态空间平均法对主电路进行数学建模［3］。定义状态变量向量X=（IL，VCB，VCD），输入源向量 US=（UB，UD）。在一个开关周期，分别对Buck/Boost双向变换器的4个状态子电路列出微分方程，进而得到其状态空间方程，从而建立起Buck/Boost双向变换器的模型。Buck/Boost双向变换器的4个状态子电路如图2所示。

图2　Buck/Boost双向变换器的4个状态子电路

在一个开关周期，对以上4个子电路进行时间平均，得到双向Buck/Boost双向变换器的平均模型：

Buck和Boost电压方程：

Buck电流方程：

Boost电流方程：

2　控制器设计

控制器采用电压电流双闭环PID控制器，电压外环的作用是稳定电路的输出电压，同时为电流内环提供参考电流基准值。由于电压、电流环调节器的设定带有限幅度，所以电流内环具有限制输出电流和改善动态性能的作用。Buck/Boost三重化双向变换器的双闭环控制方案如图3所示。

图3　Buck/Boost三重化双向DC/DC变换器控制框图

2.1电流环设计

电流环控制结构框图如图4所示［4-6］，图中的Gci（s）为电流环的调节器。

图4　电流环控制结构框图

，可以得出

电流环调节器的目标模型确定为PI加上一阶滤波器：

图4中的Gci（s）控制结构框图如图5所示。

图5　加限幅的调节器确定形式的框图

被控制对象为一阶惯性环节加上一个纯延迟的环节：

由图4可以得到开环传递函数为：

式中，RL、Lm为DC/DC变换器的已知参数。

式（8）中的3个参数K、ωp，ωz可以利用满足相位裕度PM（工程上一般PM≥60°）和增益裕度GM来确定［7］。可以求出要设计的电流环调节器的整定参数为：

2.2电压环设计

将设计好的电流环加入电压环，组成Buck/Boost功率电路的双闭环控制系统，其控制框图如图6（a）和图6（b）所示。

图6　双闭环控制框图

其中，Gcu（s）为Buck/Boost电路电压环调节器。

Buck/Boost电压环控制器的PI整定方法同上文所述电流环的PI整定方法，经过计算后PI参数分别为：

在PI控制算法中，比例环节的主要作用于误差较大时，当误差逐渐减小时，其作用也将越来越小，即比例控制环节可以认为是在控制开始阶段控制PWM波占空比的变化速度。而积分环节则贯穿整个控制过程的始终，积分环节决定着系统的动态响应速度，是否出现超调以及纹波的大小等［10-11］。

3　实验结果

由图1所示拓扑电路组建了Buck/Boost三重化双向DC/DC变换器进行了实验验证。实验样机如图7所示，采用TMS320F28335实现全数字化控制，其中：电流环增益具有4 KHz带宽和47°相位裕度，蓄电池充电模式电压环增益（Buck模式）具有500 Hz带宽和105°相位裕度，蓄电池放电模式电压环增益（Boost模式）具有120 Hz带宽和60°相位裕度。具体设置如下：开关管采用IRF2807，直流母线电压Vbus=30 V～38 V，蓄电池电压Vbat=15 V～25 V，输出功率Pout=200W，输入电压VA=200V，参考电压Uref=50V，电感Lm=46 μH，蓄电池侧滤波电容CB=2 000 μF，直流母线电容CA=20 000 μF。

图7　实验样机

双向变换器Buck和Boost模式的电感电流IL、开关管电压Vds和Vgs波形如图8所示。在每个模式下，当Vgs达到开启电压时，Vds均下降到0，实现了ZVS运行，电感承受正向压降。对比图8（a）和（b）看出，在升压和降压模式下开关管的导通方向和电感电流方向相反，验证了功率的双向流动性。

图8　双向buck-boost变换器实验波形开关管电压电流波形

变负载条件下Buck模式的实验波形如图9所示。当负载电流分别为1 A、3 A，5 A时，开关频率分别对应74.7 KHz，38.9 KHz和23.2 KHz，开关频率随着负载的增大而降低，有利于减小滤波器大小和开关损耗，开关管工作在零电压开关模式。

图9　变负载条件下Buck模式的实验波形

变负载条件下Boost模式的实验波形如下页图10所示。随着直流母线电流从1A增加到3A，开关频率从54.7 KHz减小到20 KHz。与Buck模式类似，开关频率根据蓄电池电压运行在零电压开关模式。验证了本文提出的控制策略较好的自适应调整能力，能保证开关管在任何条件下都工作在ZVS模式。

下页图11显示了电流控制模式下电感电流波形的暂态过程。从图中可以看出，变换器能够控制充电和放电两种模式，调节的充电和放电电流，蓄电池电流可以在充电时的2 A和放电时的-2 A之间进行转换。

下页图12为变换器工作于Boost模式和Buck模式效率随负载变化的曲线图。从图中可以看出，变换器较宽的范围内取得了较高的效率，Buck模式时在10%～100%负载条件下均取得了95%以上的效率，最高效率为96.5%。在Boost模式时，在10%负载条件下实现了93%的效率，50%负载的效率为95%，满载时效率为92.5%。

图10　变负载条件下Boost模式的实验波形

图12　效率曲线

4　结论

本文针对三重化交错并联 Buck/Boost双向DC/DC变换器为时变电路的特点，采用了状态空间平均法进行了数学建模，采取了基于电流环为内环，电压环为外环的双闭环PI控制策略，通过实验证明，系统动态响应时间较短，进入稳态后电压及电流波形平稳。对具有强非线性、滞后和参数存在漂移的DC/DC变换器来说，具有较好的自适应调整能力，能依据变换器的输出电压的情况实时改变控制系统的控制参数，具有较好的鲁棒性、较快的动态相应速度和比较理想的控制精度。

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中图分类号：TP273

文献标识码：A

文章编号：1002-0640（2016）04-0136-05

收稿日期：2015-03-18修回日期：2015-04-15

*基金项目：国家自然科学基金资助项目（51207069）

作者简介：邓淑贤（1978-），女，辽宁丹东人，硕士，讲师。研究方向：电力电子与电力传动。

Research of Optimal Control for Triple-channel Interleaving Bidirectional DC/DC Converter

DENG Shu-xian，LIU Xiao-qin，LI Min
（Department of Information and Control Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun 113001，China）

Abstract：In this paper，a triple-channel interleaving bidirectional DC/DC converter for power control system？of large capacity storage is researched.As for strongly nonlinear，delay and parameter drift of the DC/DC converter，by using the average of the state space method，the mathematical model of DC/DC conversion circuit is analyzed.The dual closed-loop PID control scheme based on the current and voltage is proposed and the gain and phase margin using the method of tuning parameters for PI.Experiment results show that，the proposed method achieves zero-voltage switching（ZVS），eliminating the dynamic current variation due to overcharge and over-discharge that is also implemented to achieve higher 95%efficiency over a wide load range.

Key words：triple-channel interleaving，bidirectional DC/DC converter，dual close-loop，fuzzy-PID，zero-voltage switching