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来源：职称驿站所属分类：电力论文 发布时间：2014-12-23浏览：19次
摘 要： 针对全桥双向DC?DC变换器Buck和Boost两种模式参数设计要求不同的问题，提出了一种“占空比?变压器?电感”匹配设计法。对全桥双向 DC?DC变换器的两种工作模式分别进行建模，设计了闭环控制系统，Buck模式的闭环控制系统保证了动力电池恒压充电;Boost模式的闭环控制系统保证了母线电压恒定。根据混合动力船舶的特点设计了双向DC?DC变换器，仿真实验验证了所设计的双向DC?DC变换器控制系统和控制策略的正确性，保证了分别处于两种工作模式时输出端电压稳定。
关键词： 核心期刊论文表,混合动力船舶,双向DC?DC变换器,小信号模型,PID控制器
Research and design of bi?directional DC?DC converter for hybrid power ships
LIU Bin， SHEN Ai?di， GAO Di?ju
(Marine Technology & Control Engineering Key Laboratory， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China)
Abstract： Bi?directional full?bridge bi?directional DC?DC converter has two operating modes (Buck and Boost)， for which different modes have different requirements for parameter design， a "duty cycle―transformer―inductor" matching design method is proposed to solve this problem. The modeling for two modes of full?bridge bi?directional DC?DC converter was carried out. A closed?loop control system was designed for different models. The closed?loop control system of Buck mode ensures power battery charging with constant voltage. The closed?loop control system of Boost mode ensures constant DC busbar voltage. According to the characteristics of hybrid power ships， a bi?directional DC?DC converter was designed. The correctness of the control systems and control strategies of the bi?directional DC?DC converter system was verified in the simulation experiments to ensure the output voltage stability in two operating modes.
Keywords： hybrid power ship; bi?directional DC?DC converter; small signal model; PID controller
0 引 言
双向DC?DC变换器广泛应用于直流能量双向流动的场合，在电动汽车中已经应用比较广泛[1?3]。双向DC?DC变换器的拓扑多种多样[3?6]，主要分为隔离性和非隔离型两种。一般情况下，在电压差很大的情况下选择使用隔离型双向DC?DC变换器比较合适，而在电压差相对较小的情况下选择使用非隔离型的双向DC?DC变换器比较合适。与混合动力汽车相比，混合动力船舶的直流电网电压要高出许多，而电压和功率较大的动力电池价格非常昂贵。考虑到动力电池输出电压与混合动力船舶双向DC?DC变换器母线侧电压差距较大的问题，本文选择了隔离型全桥双向DC?DC变换器[4，7]。
双向 DC?DC变换器作为一种“一机两用”设备，设计参数时要兼顾两种拓扑，然而这往往又是难以做到的[8?10]。参数设计直接关系到系统的性能好坏，其难点就是变压器和电感等磁性元件的设计。当双向DC?DC变换器处于Buck模式时，电感元件是滤波元件;当双向DC?DC变换器处于Boost模式时，电感元件又是升压元件。因此，既要要根据滤波的要求进行设计，还要考虑升压的因素[8?10]。
针对双向DC?DC变换器不同工作模式时两种拓扑参数设计存在的问题，提出了“占空比?变压器?电感”匹配设计法来解决该问题。并根据双向DC?DC变换器工作在不同模式时的小信号模型，设计出适用于不同模式的电压单闭环控制系统。Buck模式的闭环控制系统，保证输出端电压稳定，从而采用恒压模式为动力电池充电，以保证动力电池充电安全。 Boost模式的闭环控制系统设计，保证母线侧电压恒定，从而防止直流母线电压波动。本文采用Simulink搭建整个系统的模型，从而验证设计的合理性。 1 双向DC?DC变换器的拓扑及其控制策略
1.1 双向DC?DC变换器的拓扑
如图1所示的拓扑是一种隔离型全桥双向DC?DC变换器，又称双有源桥[4，11]。该拓扑采用高频变压器能够实现电气隔离，系统具有更高的可靠性;两侧的开关管均能实现软开关控制，系统损耗小;高频变压器取代了传统的工频变压器，有效减小了系统体积和重量，提高了系统的功率密度。除此之外，变压器的使用可以使电压电流在大范围内变换，有效地保证了低电压或低电流输入实现大电压或大电流输出。电动机在低负荷或者超负荷运行时都是低效率的，不但会产生过量的排放，还会减少他们的使用寿命，进而增加维护成本。混合动力船舶双向DC?DC变换器不仅可以通过充放电的控制来维持母线电压稳定，还可以回收船舶再生制动的能量[3]，使得混合动力船舶按照运行工况最优化的配置能源，高效运行、减少排放。此外，双向DC?DC变换器可回收制动能量，节约能源。
<192.168.6.11现代电子技术14年37卷第24期Image43t1.tif>
图1 全桥双向DC?DC变换器的拓扑
1.2 双向DC?DC变换器的控制方法
双向DC?DC变换器的控制方法主要有双极性控制、有限双极性控制(单极性控制)、移相控制三种，其中移相控制应用最为广泛[4，8?12]，本文也是采用该控制方法。图2是Buck模式下不考虑变压器二次侧占空比丢失时双向DC?DC变换器的理论波形，Boost模式的波形与Buck模式类似。
如图2所示，Buck模式下变压器原边每个桥臂均为180°互补导通。Q1和Q3组成超前桥臂，Q2和Q4组成滞后桥臂，且Q1和Q3的驱动信号分别比Q2和Q4的驱动信号超前一个相位，这个相位就称为移相角δ，其大小为：
[δ=t2-t0T2×180°] (1)
移相角δ越小，输出电压越高;反之，移相角δ越大，输出电压越低。移相角改变输出的本质也是改变占空比，所以后面在研究系统的小信号模型时，仍然采用占空比作为控制变量。虽然都是以占空比为控制变量，但是不同的控制方法，小信号模型并不相同[12]，所以这里详细介绍了控制方法。
<192.168.6.11现代电子技术14年37卷第24期Image43t2.tif>
图2 Buck模式下双向DC?DC变换器的理论波形
2 双向DC?DC变换器系统参数设计
下面以一个例子说明如何设计系统参数，可以预先确定的参数是：V1=110 V，V2=48 V，开关频率fs=20 kHz，系统最大运行功率Pmax=600 W，额定运行功率P0=500 W。
2.1 感性元件设计
变压器的变比是根据输入电压最小值与输出电压最大值的比值来确定的，但是双向DC?DC变换器有两种工作模式：Buck模式时V1是输入，V2是输出;Boost模式时，V2是输入，V1是输出。
当处于Buck模式时，V1最小值V1min=104 V，V2最大值V2max=52 V，考虑到死区的问题，最大占空比D1max为0.8。又考虑到二次侧占空比丢失问题，占空比不能过小D1min=0.3，为了保持PID调节时占空比有一定的调节裕度，故正常工作占空比D1=0.35～0.75，计算时可取0.5，则V1min[D1V2max]=[1n]=1，n=1。
当处于Boost模式时，V2最小值V2min=44 V，V1最大值V1max=116 V，考虑到死区的问题，最大占空比D2max为0.8。考虑占空比丢失问题，占空比不能过小D2min=0.3，故正常工作占空比 D2=0.35～0.75，在不考虑升压电感的作用时，V2min[D1V1max]=[1n]=0.196，n=5.1。在实际的实践中，变比n是一个固定值。n的值过大，Buck模式时占空比会很小，并不利于控制策略的实现;n值较小，Boost模式时，升压电感就需要很大，但是只要占空比?变压器? 电感匹配仍可实现所需的变换。下面通过“占空比?变压器?电感”匹配设计法来解决这问题。
“占空比?变压器?电感”匹配设计法首先确定两种工作拓扑的占空比，本文占空比均取0.5。然后确定n的值。通过以上的分析得知，为了保证Buck模式下占空比在0.5左右，n=1。占空比为 0.5，n=1时，为了保证Boost模式可以实现升压的要求，下面需要对电感进行精心设计。
需从滤波和升压两个方向进行设计，首先从比较简单的滤波开始考虑，滤波电感公式如下[10?12]：
[Lout=V2V1-V22ΔI2V1fs] (2)
式中：ΔI2是输出电流纹波，平均输入电压I2=[P0η]V2，假设效率η为80%， I2=13 A。纹波电流取平均输入电流的2%，即ΔI2=0.26 A，代入计算参数可得Lout=2.6 mH。
从升压电感的设计考虑，升压电感设计公式：
[Lout=V21-D2ΔI2fs] (3)
代入参数计算可得Lout=3.6 mH，综合考虑滤波与升压的要求，电感值选用较大值Lout=3.6 mH。
2.2 容性元件和电阻负载设计
滤波电容计算公式如下：
[C=DTIΔU] (4)
式中：D是工作时的占空比;T是工作时的开关周期;I是输出端电流;ΔU是输出电压纹波，取0.2%输出电压。Boost模式时，V1端是输出端，代入参数可得Cout=3 390 μF;Buck模式时，V2是输出端，代入参数可得Cin=1 500 μF。代入参数得出的电容值只是选择的最小值，实际选择时要采用较大的电容，Cout=5 000 μF，Cin=2 000 μF。漏感Lk=20 μH，纯电阻负载R2=3.6 Ω，纯电阻负载人R1=8.5 Ω。 3 双向DC?DC闭环控制系统设计
本文采用Matlab自带的工具箱Sisotool对闭环控制系统进行设计。
3.1 Buck模式闭环控制系统设计
占空比[d]对输出电压[v]的传递函数[7]：
[Gvd=nV1s2LoutCout+sLoutR2+RdCout+RdR2+1] (5)
式中，Rd=4n2Lkfs，Lk为漏感，fs是工作频率，n为变压器变比。将参数带入到控制系统的小信号模型中，可以得到具体的传递函数如下：
[Gvds=1.1×10818s2+9 000s+1 444 444] (6)
并将其导入Sisotool中，得到图3所示开环传递函数的Bode图与根轨迹图。
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图3 Buck模式开环传递函数的Bode图、根轨迹图
开环传递函数的阶跃响应如图4所示，从图4中观察幅频特性，可以看出低频增益有点低，系统静态误差比较小，但需要增大比例系数。可以拖动幅频特性中的图形使其增益大于一定数值，使阶跃响应无静态误差。在增加微分环节，增加相位裕度，减少超调量。
<192.168.6.11现代电子技术14年37卷第24期Image43t4.tif>
图4 Buck模式开环阶跃响应
图5是调整后的传递函数Bode图与根轨迹图。图6是增加PID环节后闭环系统的阶跃响应，得到的PID控制模块的传递函数为：
[Gv=17.916+0.004 3s] (7)
3.2 Boost模式闭环控制系统设计
占空比[d]对输出电压[v]的传递函数[9]：
[Gvd=V21-D1-LoutR1ss2LoutCin+sLoutR1+RdCin+RdR1+1] (8)
式中，Rd=4n2Lkfs，Lk为漏感，fs是工作频率，n为变压器变比。设计过程同Buck模式相同，将参数代入小信号模型，可以得到具体传递函数如下：
[Gvds=9.6×107-40 704s7.2s2+3 624s+1 188 000] (9)
将模型导入Sisotool中，可以得到图7所示的开环传递函数的Bode图与根轨迹图。
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图5 Buck模式闭环传递环数的Bode图、根轨迹图
<192.168.6.11现代电子技术14年37卷第24期Image43t6.tif>图6 Buck模式闭环阶跃响应曲线
<192.168.6.11现代电子技术14年37卷第24期Image43t7.tif>
图7 Boost模式开环传递函数的Bode图、根轨迹图
如图8所示，系统的阶跃响应是发散的，故需加入积分环节加以调整，调整后仍然存在静态误差，经调整后可以得到图9所示的闭环传递函数Bode图和根轨迹图。
<192.168.6.11现代电子技术14年37卷第24期Image43t8.tif>
图8开环传递环数的阶跃响应
<192.168.6.11现代电子技术14年37卷第24期Image43t9.tif>
图9 Boost模式闭环传递函数Bode图、根轨迹图
图10是增加PID环节后闭环系统的阶跃响应，得到的PID控制模块的传递函数为：
[Gv=501+44s] (10)
<192.168.6.11现代电子技术14年37卷第24期Image43t10.tif>图10 Boost模式闭环阶跃响应
4 双向DC?DC变换器的仿真结果
在设计好控制器后需要验证控制器设计的合理性，本文通过Matlab/Simulink仿真软件搭建闭环控制系统的仿真模型，图11为Buck模式示波器显示的结果，图12为Boost模式示波器显示结果。
从图11与图12的示波器显示结果可以看出：系统的响应曲线基本不存在静态误差，超调量极小，响应时间极短。图11的结果表明闭环控制系统设计合理，能够保证当系统处于Buck模式时，动力电池恒压充电;图12的结果表明闭环控制系统设计合理，能够保证当系统处于Boost模式时，母线电压稳定。
5 结 论
针对全桥双向DC?DC变换器不同模式参数设计要求不同的问题，采用提出的“占空比?变压器?电感”匹配设计法，获得了较好的效果。对全桥双向 DC?DC变换器的两种工作模式进行了建模。分别对不同模式设计了闭环控制系统并进行了仿真，仿真结果表明：Buck模式的闭环控制系统能够使动力电池恒压充电，Boost模式的闭环控制系统能够使母线电压恒定。
参考文献
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《核心期刊论文表混合动力船舶双向DC?DC变换器的研究》
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