基于最小峰值电流算法的DC_DC变换器控制系统设计_郑岚.pdf

第 卷 第期佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年 月 （）文章编号：（）基于最小峰值电流算法的 变换器控制系统设计郑岚，方飞（安徽三联学院，安徽 合肥 ）摘要：针对传统 变换器控制系统稳定性差，控制效率低等缺点，设计了一种基于最小峰值电流算法的控制系统。控制系统的硬件部分主要包括整流开关器件，辅助电路，辅助电源，稳压电容，高频变压器等，整流开关管选用了高性能 型光耦隔离；给出了变换器控制系统的主控程序，利用调制模块负责持续地更新内移相比值，当变换器电压稳定时计算最小峰值电流，并构建小信号模型进行环路补偿以提高系统的电流转换效率。实验数据表明，提出的控制系统电流控制效率更高且在相同输入功率下的电流应力值更小。关键词：最小峰值电流；变换器；内移相比值；电流应力中图分类号：文献标识码：引言近年来，我国企业和居民的用电总量逐年攀升，电网规模也在不断扩大，为满足电力用户对电能的基本需求，我国电力系统和电网建设朝着集成化和智能化的方向迈进。在智能电网建设过程中为了确保电力系统稳定运行，一方面要将先进的自动控制技术、人工智能技术、无线通信技术和远程控制技术等应用到电力控制系统的构建当中；另一方面还要重点考虑到对电网运行状态的实时监控，确保电力系统的安全。电能由发电厂输出后要经过多级变压和控制，用户端才能正常使用，依据用户所需的负载形式并基于电力电子技术和控制系统，实现对电能的精准传输。电网系统的拓扑结构极其复杂，由海量的设备和电气元器件组成，如果其中某个元器件发生故障轻则造成系统停机并给企业带来一定程度损失，重则还会危机到相关人员的生命安全。（整流电路）是电力系统最基础的单元，负责直流电之间的相互转换，基于晶闸管、电感、电容等形成一个闭环系统，实现对相关功能的控制。近几年 变换器控制系统成为领域内的研究热点之一，研究的重点是如何提高 变换器控制系统的效率和电网安全性。现有的电能控制系统设计，如滑膜控制、鲁棒控制 等均采用开环控制的模态，电能转换效率较低，无法满足电网建设的总体效率要求。为此，基于最小峰值电流控制算法，设计一种电力变换器控制系统，将对 变换器控制的控制问题转换成为一种非线性的控制问题，目的在于确保电网安全的前提下提高直流电能的转换效率。变换器总体框架设计对 变换器控制系统的研究之所以具有重要价值，是因为直流输电网络的布网成本低，输电损耗小，且具有良好的供电稳定性。在基于 模式的电网系统中无法基于电磁感应原理实现电压变化与调整，只能依靠能量转换的方式匹配不同的电压网络类型。因此在设计 变换器的网络拓扑结构时应重点关注转换器的功率变化，以确保电压转换的平顺性和稳定性。变换器有多种类型，本文以双向全桥 变换器为例（总体结构设计，如实物图），研究其控制系统的结构和功能。双向全桥 变换器在电力系统中应用较为广泛，因为该变换器具有电压应力值小、损耗较低、转换功率更大、功率双向流动等诸多优点，双向全桥 变换器的拓扑结构设计，如下图所示。变换器结构图中是一次输入的直流电压，是二次输入的直流电压，和分别用于收稿日期：基金项目：安徽三联学院 年安徽省高等学校自然科学研究项目（）。作者简介：郑岚（），女，安徽安庆人，讲师，工学学士，研究方向：信号与信息处理。佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年和的电源稳压。为一次输入的直流电压端所产生的方波型电压，是二次输入的直流电压端所产生的方波型电压，为双向全桥 变换器的型桥臂开关管，每个开关管的内部都包含了寄生电容和二极管。在 型桥臂两端分别连接了个开关管控制线路系统的关闭与导通，变换器的拓扑结构采用了脉冲电压控制方式，在桥臂端的中心点输出可调整角度的电压方波，并实时对变换器系统的进行相位的调整和控制，进而实现双桥段的功率对向传输。图双向全桥 变换器的结构实物图图双向全桥 变换器结构图 变换器控制系统硬件设计双向全桥 变换器控制系统的硬件部分主要包括整流开关器件，辅助电路，辅助电源，稳压电容，高频变压器等。变换器高频变压器为每个模块供电，因此开关管选择频率特性较好和稳定性能更强的 型器件，开关管的相关参数设计如表所示。表整流开关器件的相关参数值序号参数数值 型沟道输入电压 输入电流 工作频率 漏极电压额定值 漏极电流额定值 静态电阻值 并联二极管型号 并联二极管电压峰值 高频变压器是控制系统的核心硬件之一，应具备高导磁性，低损耗和高稳定性等特点。选用铁氧体磁芯以减少磁化的电流值，并能够增加原边绕组线圈匝 数，以 获 得 更 稳 定 的 电 感 值。双 向 全 桥 变换器控制系统的电容，主要用于吸收变换器工作时产生的电压波动，电容采用等效工作模式。辅助电路系统主要包括控制电路和驱动电路两个部分，其中驱动芯片的最高可承受电压峰值为 。如果输入电压不超过峰值，驱动电路系统受到的冲击会较小，延迟也较低，该电路系统的耐压二极管的可承受的电压为 ，所对应的自举电容为。驱动电路起到了连接控制系统和主电路系统的作用，利用驱动电路控制开关管并放大方波信号，同时调整相应的脉冲出发强度及时间，实现对开关管的闭合与断开。驱动电路的设计可以根据具体的应用需求选择隔离式和非隔离室两种，其中隔离式驱动电路更适合应用于脉冲变压器的光耦隔离，可以使用不同的电压环境且能够维持变换器的高负载情景；非隔离式控制系统的优势是可实现对脉冲电压信号功率的放大和缩小，适用于对集成控制电路系统的管理，设计的驱动电路选用隔离式驱动电路，如图所示。图隔离式驱动电路设计考虑到双向全桥 变换器控制系统包含了个开关管设计，因此选用了高性能的 型光耦隔离，该元器件具有电压和电流的时时补偿功能，且的转换补偿效率超过了 ，电路管脚之间同步焊接了的瓷片式电容，以减少工作时对电源和电阻的干扰。变换器控制系统电源模块保证了整个系统的正常供电及变换器控制电路的稳定运行，电源模块的设计还会影响到驱动电路、控制电路等电路系统主控芯片的稳定运行。电源模块采用 直流供电配合 辅助稳压供电，确保系统稳定可靠。由于双向全桥 变换器控制系统具有个第期郑岚，等：基于最小峰值电流算法的 变换器控制系统设计开关管，并匹配了路 脉冲信号，控制系统电源故障率会有所增加，因此采用了 的辅助外接电源可以确保系统的稳定性。变换器控制系统软件与最小峰值电流算法基于最小峰值电流算法的 变换器控制系统主控程序的任务具体包括，各功能模块的初始化、时钟芯片的初始化、当前状态检测、模块输出等，主控程序流程如图所示。图变换器控制系统的主控程序主控程序调试完成后继续检测中断程序的工作流程，具体涉及到各串口的中断调试，中断调试，系 统 联 防 中 断 调 试 等。针 对 于 双 向 全 桥 变换器的控制有着较为特殊的控制目标，对控制 器的 优 化是算法的 核心环 节，双 向 全桥 变换器在当前时刻下最佳内移相比值为，变换器控制系统中 调制模块负责持续地更新比值，在时刻最佳内移相比值为。如果变换器的工作状态趋于稳定，那么与 之间就存在确定性的代数关系，且存在一个特定的内移相比组合，（），在该组合条件下双向全桥 变换器的峰值电流最小，且传输功率处于最经济的状态：，（），（）为了使变换器快速进入稳定状态，引入经典的闭环控制方法，将核心控制变量设定为，并利用 控制器调整电流和电压。当双向全桥 变换器达到稳定状态后，采用电路系统的瞬时电流值，计算电流峰值最小时的值。当的值开始出现变化时，此时变换器控制系统也处于最小峰值电流状态。针对双向全桥 变换器控制系统的非线性特征，构建小信号模型进行环路补偿，其中控制系统的原边电流和副边电流分别表示为式（）：（）（）（）式（）中代表开关管的数量，和代表与和相对于的电压值，是系统常数。当增加时变换器控制系统的最大功率同时增加，而在变换器正向实际运行的过程中，其最大功率也不会超过额定功率的峰值，此时变换器的传输功率又可以表示为式（）：（）而当变换器控制系统反向工作时，算法的总体流程不不变，此时传输功率表示为式（）：（）在基于最小峰值电流算法控制的过程中，变换器两端都需要实时对电流变化情况，及电压的变化情况进行采样，以确保双向全桥 变换器控制系统始终处于稳定的工作状态，此时的最小峰值电流可以进一步表示为式（）：（）（）结合公式（）与公式（）可知要满足输出功率最大化的要求，需要令，此时的输出功率表示为式（）：（）最小峰值电流可以进一步改写为式（）：（）（）根据最小峰值电流取值计算得到各种区段输出功率及随相移控制量的变化情况及最优的取值范围。实验结果与分析实验参数设置为验证所设计的控制系统的性能及实用性，在佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年实验室环境下搭建实验平台，系统硬件包括电源、控制芯片、电压和电流的采样、全桥电路等。其中双向全桥 变换器的电路系统包括个开关管、滤波电容、高频变压器等构成，示波器的型号为 ，系统的其他参数构成见表。表控制系统各部分参数设计序号符号参数值单位电感 电容 可变比：输入电压 输出电压 输出电阻开关频率 控制电路系统中的高频变压器的作用是两端电压的转换和电气隔离，基于高频变压器的漏感特性调整变换器的功率值，辅助控制电路中的电感起到了增强高频变压器漏感的作用，相关的参数设计见表。表高频变压器的相关参数设定序号参数参数值型号 材料铁氧体电感连接串联漏感 漏感 实验结果与分析（）变换器电流的控制效率对比在相同的电路负载和控制电压下基于搭建的实验平台，分别采用最小电流设计控制系统、滑膜控制系统和鲁棒控制系统，观测对双向全桥 变换器的控制效率（实际功率值与理论功率值的比值），输入功率分别选择 和 ，数据统计结果分别如图和图所示。数据统计结果显示当输入功率为 时，设计的基于最小电流峰值的控制系统在每个电压区间的控制效率具有优于两种传统算法；当输入功率为 时，各算法的变换器控制效率均有所降低，设计的控制系统衰减效率更慢，优于两种传统控制系统设计。当双向全桥 变换器两端的控制电压增加时，此时系统产生的损耗为磁芯损耗，由于输入电压的波动变化会导致电流效率值下降，尤其是当电流最小峰值出现不稳定情况时磁芯损耗就会高于导通损耗，导致变换器总体的控制效率降低。但输入端的电压值逐渐增大时变换器控制端进入硬开状态，电流峰值会随着电压同比例变化电路系统的负载同步增加，变换器控制系统的效率会同步降低。最小峰值控制方法的优势在于可以有效降低磁芯损耗并增加系统稳定性，即使输入的电压峰值较高也可以降低开关管的损耗，而且还可以确保控制系统的工作效率不出现衰减。图输出功率为 时控制功率变化图输出功率为 时控制功率变化（）电流应力对比如果保持变换器的传输功率不变，不同控制系统下的电流应力是有差异的，电流应力越小系统稳定性越高，同时磁芯损耗也会有所降低。当输入功率分别选择 和 时，对电流应力的控制应力数据统计结果，分别如表和表所示。表输入功率 对电流应力控制结果对比控制系统设计本文系统滑膜控制鲁棒控制电流应力 表输入功率 对电流应力控制结果对比控制系统设计本文系统滑膜控制鲁棒控制电流应力 统计数据显示当系统的输入功率为 时在设计控制系统工作模式下，电流应力值相对传统系统分别降低了 和，电流应力的减小将会显著提高控制系统的转换效率；在输入功率为 的条件下，电流应力值有所提高，但相对于传统控制系统仍有较大的优势。第期郑岚，等：基于最小峰值电流算法的 变换器控制系统设计结语针对双向全桥 变换器的结构特点，设计了一种基于最小峰值电流的控制系统。详细阐述了系统的主控制电路、辅助电路系统、电源模块等硬件结构，并介绍了系统的主控程序和算法模型。在实验室环境下搭建仿真实验平台，从实验结果和数据可知，最小峰值电流变换器控制系统的电流控制效率更高，且产生的应力值更小，能够确保电力系统更加平稳的运行。参考文献：余潇潇，宋福龙，周原冰，等 新基建对中国十四五电力需求和电网规划的影响分析 中国电力，（）：王霞，应黎明，卢少平考虑动态频率约束的一次调频和二次调频联合优化模型 电网技术，（）：郭国栋，龚雁峰电力市场环境下基于深度强化学习的微网能量管理系统实时自动控制算法电测与仪表，（）：和敬涵，罗国