buck电路
buck电路范文第1篇
关键词：开关电源；非隔离DC/DC；BUCK转换器
中图分类号： TM762.1+1 文献标识码：A
1非隔离DC/DC变换器的拓扑种类及优势
其中应用比较广泛，在自动化设备上实用性较高的主要有以下几种： BUCK变换器、BOOST变换器、反极性BOOST、BUCK-BOOST等。
非隔离DC/DC调整器最大的优势是效率，较高的转换效率意味着能源的最大利用。同时还具有元器件简单、功率密度大的优点。
我们可以预见到，非隔离DC/DC电源是大势所趋。
2 LT1767简介及引脚功能
本文介绍的3.3V电源系统是由LINEAR公司的LT1767集成控制芯片实现的BUCK调整器电路。
3一种变频器通讯转接板3.3V电源的设计
变频器应用在工业现场时，需要同其他的自动化设备一起接入现场的多种现场总线和工业以太网。ANYBUS通讯转接板的作用就是实现自动化设备与现场总线PROFIBUS的连接。
ANYBUS通讯转接板需要2路电源：+5V和+3.3V。其中+5V电压取自驱动板上的AC/DC电源的多路输出。+3.3V是由+5V电压通过非隔离DC/DC电路实现的。
表2 ANYBUS通讯转接板对电源的基本要求
3.1 LT1767调整器的工作原理
变频器ANYBUS通讯转接板的3.3V电源是以LT1767为核心，搭配必要元器件组成的Buck拓扑开关电源（如图3所示）。因为功率MOS管集成在LT1767芯片里，这款电源看起来电路简洁。分析图3的开关电源原理之前，首先看一下LT1767芯片的内部框图，如图2所示。
LT1767采用恒频控制方式，芯片内部时钟和双闭环反馈来控制功率开关的导通占空比。最初的开关周期起始于置位 Flip-Flop的振荡器脉冲。Flip-Flop置位后，输出高电平，开通开关管switch；当开关管中的电流达到电流比较器翻转的阈值时，Flip-Flop复位，输出低电平，关断开关管switch。
3.2 直流3.3V_BUCK调整器的工作过程分析
4.1 直流3.3V开关电源电路板PCB
根据上述的电路原理，我们采用PADS Layout软件设计出3.3V直流开关电源的电路板PCB，如图5所示。PCB布局要尤其注重输入和输出环路的走线。由于LT1767工作于1.25MHz频率，线路的寄生参数和引线电感需慎重考虑。
4.2实测工作电压波形
结论
本文设计的开关电源，经过样板试制和电源测试，证明电源的各项参数和表征能够满足变频器ANYBUS通讯转接板的要求，能够提供高精度的3.3V直流电压，工作稳定可靠。
参考文献
[1] Abraham I. Pressman. 王志强（译）.开关电源设计[M].第三版.北京： 电子工业出版社，2005， 3-20.
buck电路范文第2篇
关键词：BDC；非隔离型双向Buck-Boost变换器
引言
DC/DC变换器是一种转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。DC/DC功率变换器的种类很多。它的输入电路和输出电路有两种隔离方式为非隔离型和隔离型。非隔离型双向DC/DC变换器电路主要有Buck/Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic/Zeta这四种结构；隔离型双向DC/DC变换器有单端正激式、单端反激式、双端半桥、双端全桥等四种形式。从基本的Buck-Boost型变换器电路拓扑可以演化、派生出一系列用于不同电能变换的电路结构和拓扑，对于电力电子拓扑的研究具有参考价值。
1非隔离型双向Buck-Boost变换器的主电路分析
1.1 主电路的拓扑结构
非隔离型双向Buck-Boost变换器由Buck变换器衍化而来的一种拓扑结构，双向DC/DC变换器拓扑电路即在晶体管Q上反并联二极管D，在二极管D上反并联晶体管Q。两个开关管处于互补互通的状态，当能量从V1流向V2，Q1工作，Q2不工作，V1为电源端，则该变换器为Buck变换器；当能量从V2流向V1，Q2工作，Q1不工作，V2为电源端，则该变换器为Boost变换器。若为第三种情况，即两侧都有电源时，此时能量流动方式的判断方式是比较两电源电压大小以及占空比大小。为了避免两个开关管同时导通，应准确计算电感L的大小，由此得出相应的死区时间，实现开关管的零电压开通，并避免了二极管的反向恢复问题。非隔离型双向Buck-Boost变换器模型如图1所示。
图1 非隔离型双向Buck-Boost主电路拓扑模型
1.2 主电路开关管的选择及其参数设计
功率开关管在控制信号处于高电平时，开关管导通，同时流过大电流并具有很小的压降；当控制信号处于低电平时，开关管截止关断，同时承受大电压，而且几乎不通过电流。
功率晶体管分为两大类：双极型功率晶体管（电流控制型）和场控晶体管（电压控制型），场控器件分为：MOS场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）和MOS控制晶闸管（MCT）。
本文采用 MOSFET 作为开关管，MOSFET是一种单极型晶体管，利用电场效应来控制漏极电流的大小的半导体器件。当栅源极之间的电压VGS小于开启电压VTN时，不论电压极性如何，两个PN结中始终有一个是反向偏置的，漏极电流几乎为零，此时MOSFET 不导通；当栅源极之间的电压VGS大于开启电压VTN时，漏源极之间形成沟道，由于沟道的电阻小，故在漏源正电压VGS作用下，半导体表明产生电场，电子从源极流向漏极，即为MOSFET的正向导电特性。
1.3 双向Buck-Boost变换器的电压纹波计算处理
在对双向Buck-Boost进行实验时，其输出纹波远远大于理论计算值。由于开关器件导通瞬间受寄生参数影响产生的电压振荡、输出滤波电容等效串联电阻产生的差模干扰导致了电压纹波过大，因此必须对双向Buck-Boost变换器的纹波处理来抑制。
对于电压振荡可采取并联电压缓冲电路、串联电流缓_电路等抑制措施。
1）并联电压缓冲电路
电压振荡发生的主要原因是线路及器件的寄生电感产生的尖峰，一般采用并联RC吸收电路来有效抑制电压振荡现象，吸收寄生电感产生的电压尖峰。对于并联RC吸收电路参数选取应考虑吸收电容C每个周期存储的能量在R上消耗，电容C的取值要适中，过大增加了电路损耗，过小会影响到吸收效果；在R的选取上，为确保C上电荷在Q1断开时间Toff内基本完成放电，应保证，此外R依据阻尼振荡的原理选择在 LC
附近，以此达到最好的效果。
2） 串联电流缓冲电路
二极管的反向电流是电压振荡的另一个原因，抑制二极管的反向电流可利用串联饱和电感，如图2所示。
抑制电路运行在Buck方式下，电路原理图串联的饱和电感LS即为抑制串联饱和电流的。当Q1断开时，电感LS流过电流Ioff而处于饱和状态，不起作用。Q1导通瞬间，D2突然加上一个反向电压，A2B2支路正向电流急剧下降，并有产生瞬间反向电流的趋势，电感LS此时退饱和转而呈现大感性，由于大电感可有抑制电流突变，因此二极管反向恢复电流得到抑制。本文实验中选用的饱和电感为铁氧体磁芯。
2 结束语
DC/DC变换器的发展正趋于高频率、高功率密度、小尺寸、反应迅速、高可靠性以及多元化的方向发展，已经广泛应用于远程及数据通讯、办公自动化设备、计算机、军事、航天、工业仪器仪表等领域，涉及国民经济的各行各业。
因此本文选择了DC/DC功率变换器中的非隔离型双向Buck-Boost变换器进行重点研究，系统总体原理的可行性，具有很好的线性调整能力和负载调整能力，具有较高的系统转换效率。
参考文献：
[1] 胡黎强. 开关电源变换器的研究及其DC/DC变换芯片的实现[D]. 上海： 上海交通大学， 2003.
buck电路范文第3篇
关键词：本质安全准Z源Buck变换器 输出保护
【中图分类号】TM46
1 引言
目前我国仍以煤炭作为主要能源，而煤矿井下含有甲烷及其同系物（乙烷、丙烷和丁烷）、氢气等爆炸性气体 ；另一方面煤矿井下湿度大、空间有限、通风效果差、电气设备工作地点分散、电磁干扰强烈等因素，这对井下的电气设备提出更高的要求。本质安全开关电源比之普通线性电源具有效率高、体积小、重量轻、电网电压波动适应能力强等优点，其应用于煤矿井下等一些危险的环境中有着广阔的前景，因此，对本质安全开关电源的研究具有重要意义。
本质安全开关电源通常在其输出端增加保护电路，用以抑制输出短路/开路故障时的火花放电能量，使其在含有爆炸性气体的危险环境中依然能安全工作。
为了能有效地抑制开关电源输出短路/开路故障时的火花放电能量，文献[1]提出了一种增加Z源网络的本安型开关电源结构。如图1所示，该结构由三部分构成：开关电源、Z源网络和安全栅保护电路。开关电源将煤矿通用127V交流电转换成电气设备所需稳定直流电压，Z源网络通过电感限制输出短路时的电容释能速度，同时利用电容限制输出开路时的电感释能速度，与快速安全栅保护电路相配合，有效地减小火花放电能量，提高电源的本安性能。本文基于文献[2]提供的设计思路，设计并制作了实用电路，验证了该理论的正确性与实用性。本文根据具体需要，设计的本安电源输出为12V直流电压。
2 开关电源的设计
开关电源实现了AC-DC转换功能，包含工频变压器、二极管整流电路、Buck电路三大部分。如图2所示，工频变压器输入1 交流、输出2 交流；工频变压器的输出级接由四个二极管组成的单相桥式不可控整流电路，根据负载的情况合理配置电容可实现输出直流电压2；本文应用LM2576-ADJ及其电路组成Buck电路，合理设置反馈电阻使输出电压Uo稳定在12V。
为满足输出电压12V，选用LM2576-ADJ芯片，在图3所示内部原理图中，该芯片内部含有1.235V基准电压和一个固定频率52KHz振荡器，同时具有热关断电路和电流限制电路，开路、，反馈电阻由外部提供，如图4所示，通过配置接于4管脚的R和W两个电阻阻值，调节输出电压值，此结构构成了电压闭环，当输出电压大于额定值时，4管脚采样电压高于1.235V，使芯片输出PWM波的占空比减小，电压减小，反之同理。
3 Z源网络的设计
在上述常规Buck电路基础上，加入Z源网络，可得到如图5所示的基于准Z源的输出本安型Buck变换器的一种拓扑实现。准Z源网络中的电感L1可有效限制输出短路时滤波电容C向短路点释放能量的速度；电容C1可有效限制输出开路时的电感L1电压的上升，防止输出端开路时电感L1在输出端产生高电压电弧点燃瓦斯；二极管VD1可防止输出端短路时电容C与C1形成放电通路。
从电路拓扑形态看，相当于准Z源网络代替了常规Buck变换器的LC滤波网络。当电源输出端发生短路或开路故障时，输出短路放电电流的增长被有效地抑制，有效地延缓了开关电源滤波电感、滤波电容向输出故障点的释能，从而减小输出短路故障时的瞬时放电功率。适当选择准Z源网络L1C1参数值，有效延缓输出故障时变换器储能电感、滤波电容的释能速度，与快速安全栅保护电路相配合，便可有效地减小故障时的火花放电能量，进而提高本安电源的本质安全性能。
4 截止型输出短路保护电路的设计
在输出保护电路部分，参照文献[4]，本文选用截止型输出短路保护电路，其内部结构如图6所示，短路检测电路检测输出电压送往比较器，当输出电压降低到低于给定值时，判定发生短路，比较器输出高电平。由于开关变换器在启动期间输出电压较低，为防止短路保护电路误动作，设置了一个启动延时电路，该启动延时电路由变换器输入电压的上升沿或单稳态触发器的下跳沿触发，触发后使逻辑与门封锁，此时即使比较器输出为高电平保护电路也不动作，延时时间到后逻辑与门解封。当在开关变换器正常工作中检测到输出短路时，单稳态触发器被迅速触发，经驱动电路使开关变换器的功率开关管迅速关断，输入电源被彻底切断，单稳电路延时一段时间后，如果短路故障消除，电路恢复到正常工作状态。启动延时电路和单稳态触发器确保了该截止型输出短路保护电路能够实现自恢复。
低压限流保护电路正常情况下处于封锁状态，当输出电压降低到低于给定设定值时，低压限流保护电路解封，此时若检测到变换器的输出电流高于设置值，低压限流保护电路立即通过驱动电路关断变换器的功率开关管，避免了在长时间输出短路情况下，因自恢复而造成的向短路处传输较大电流的问题。安全栅保护电路动作时间极短，一般从输出发生故障到开关管彻底关断的时间仅为1～2s。
5 实验结果及分析
图8为该准Z源Buck变换器输出短路电压、电流波形图，由图可看出：当输出端未发生短路时，电压输出为12V，当其输出端突然短路时，输出电流上升，截止型输出保护电路起作用时，输出电流迅速下降，最后输出电压与电流均减至零，整个过程不超过8us。
6总结
准Z源Buck变换器可以有效地延缓输出端短路或开路时变换器向短路/开路故障点的释能速度，与截止型输出保护电路相配合，可以有效地减小火花放电能量，提高电源的本安特性。本文通过实际电路及实验现象，验证了Z源对电源本安特性的提高效果。
参考文献
[1] 程红，王聪，卢其威，等.具有火花能量延缓释能电路的本安电源。华人民共和国发明专利.201010257405.5.2011.07.27.
[2] 王兆安，刘进军。电力电子技术，第5版，北京：机械工业出版社，2009.5.
buck电路范文第4篇
关键词：风力电源；功率信号反馈；Buck电路；占空比
中图分类号：TM315 文献标识码：A
引言
车辆运行安全监控系统(5T系统)是中国铁路在面临客货混运、提速、重载的新形势下采取的保障车辆运行安全的重要手段，系统采用多种先进的动态检测技术、信息处理技术和网络技术实现对车辆运行状态的实时动态监测。但对于铁路货运，由于货车的拖车没有动力电源装置，只能在地面对过往货车的运行状态进行各项监测，不能完整呈现货车过弯道、爬坡、制动等特殊工况以及雨雪风霜等极端天气下的运行参数。据统计，货车的脱轨事故比客车多，脱轨事故严重干扰了正常的铁路运输秩序，造成了很大的经济损失和社会不良影响。
为此，本文讨论一种用于铁路货车车载安全监测的风力电源装置，该装置可利用货车运行时产生的风（简称列车风）发出电能，经过电力变换将电能源源不断地储存在蓄电池中，为货车车载监测系统提供可靠电源，提高铁路货运的安全性。
1 风力电源系统方案
1.1 工作原理
如图1所示，风力电源系统由列车风、风力发电机、整流桥、降压斩波（Buck）电路、充电电路、蓄电池、控制器和驱动电路组成。
图1 风力电源系统设计方案
列车风是列车运行时产生的风。受运行路况和自然风的影响，列车风具有随机性和波动性，其在运行方向上的水平风速接近列车实际运行速度，按正常运行时（70-80km/h）计算，列车风可达20m/s左右。
列车风驱动风力机，风力机将风能转化成机械能，并驱动永磁同步发电机产生电能，经整流、斩波，供给蓄电池充电；控制器将采集到的输出功率和对应风速下的最大功率点进行比较来控制驱动电路产生PWM波，通过改变Buck电路的占空比来跟踪最大功率点，实现最大风能捕获；充电电路可以实现对锂离子电池的智能充电和保护。本文主要对图1虚线左半部分深入讨论。
1.2 最大风能捕获原理
根据空气动力学理论，风力机产生的机械功率：
（1）
式中：ρ为空气密度；R为风力机风轮半径； 为风能转换系数；V为风速；λ为叶尖速比；β为桨距角。叶尖速比λ是风力机叶尖速度和风速之比，即：
（2）
式中：为风轮旋转的机械角速度(rad/s)； 为转速(r/min)。
风能利用系数反映风力机捕获风能效率的高低，贝兹极限值理论证明了理想风力机的最大风能利用效率略等于0.593。不同风速下功率-转速特性曲线如图2所示：
图2 不同风速下的功率-转速特性曲线
由图2可以得出以下结论：①在某一固定转速下，风速越大，风力机的输出功率也越大；②在某一固定风速下，风力机输出功率先增大后减小，并存在一个最大功率点；③随着风速的增大/减小，最大功率点的值也随之增大/减小。
各风速下输出最大功率点的连线就称为风力机的最佳功率曲线（如图2中所示）。当风速和转速满足一定关系(保持最佳叶尖速比 )时，风力机的风能利用效率最高，捕获的风能最大，这就是最大风能捕获原理。
1.3 最大风能捕获的实现
最大风能捕获又叫最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking），常用的控制方法有：叶尖速比控制法、功率信号反馈法、爬山搜索法、最大功率小信号扰动法、三点比较法等，每种方法各有利弊，本文讨论功率信号反馈法，并进行仿真验证。
为简化分析，仅考虑系统稳态情况，采用等效电路方法建立风力电源系统的数学模型。充电电路和蓄电池用负载电阻 代替接在输出端。建立的等效电路如图3所示。
图3 风力电源系统等效电路
为发电机电动势； 为发电机电抗； 为发电机内阻； 、 、 分别为发电机的输出电压、电阻、电流有效值； 、 、 分别为整流桥输出电压、电阻、电流； 、 、 分别为Buck电路的输出电压、电阻、电流。
1） Buck电路
假设Buck电路中的电感和电容都足够大，则流经开关的电流和输出电压都很平稳。由Buck电路的原理可知：
（3）
式中D为开关器件的占空比为导通时间和开关周期的比：
（4）
可见，采用Buck电路起到了电压钳位的作用，可有效限制输出端的电压。如果忽略电路损耗，Buck电路的输入功率与输出功率相等，可得：
（5）
（3）式两边同除以（5）式，得：
或
2) 整流桥电路
由三相不控整流桥电路原理可知：
（7）
如果忽略电路损耗，则认为整流器的输入功率和输出功率相等，即有：
（8）
（7）式两边同除以（8）式，得：
或
将（9）式带入（6）式，得：
（10）
3)永磁同步电机等效电路
由同步电机的等效电路可知：
（11）
而：
由（10）式、（11）式得到发电机的输出功率：
（12）
两边对D求导，并令 ，可求出最大功率时的占空比为：
（13）
通过分析等效电路发现，从输入端来看，可以把整流桥电路、Buck电路和负载看作是一个由占空比D控制的变化的电阻，通过调节PWM波的占空比即可改变输入端的负载特性，进而改变发电机的输出功率。
4)功率信号反馈法的原理及实现
功率信号反馈法的控制原理是：测量出某一风速值，并根据风力机的最大功率曲线计算出与该风速相对应的风力机的最大输出功率，与风力电源系统的输出功率进行比较，经控制器产生控制信号控制占空比D，调节发电机的负载特性进而使输出功率跟踪风力机捕获的最大风能。其控制框图如图4所示：
图4 功率信号反馈法控制框图
为了最大限度地吸收风能，使风力机始终运行在最大功率点上，必须使发电机系统输出功率与风力机捕获机械功率严格匹配。在采用功率信号反馈算法时，应将某一风速对应的最大输出功率值作与Buck电路输出功率进行比较，再经控制器调节作为调制波与给定的载波（三角波）进行比较产生PWM波。控制器的原理图如图5所示：
图5 控制器原理图
2 仿真分析
由上述系统模型与控制方法，在 Matlab R2008a软件的Simulink 中建立仿真。采用SimPowerSystems工具箱提供的变速风力机模型和永磁同步电机模型，配置三相不控整流桥，Buck电路和负载，风力电源系统仿真模型如图6：
图6 风力电源系统仿真模型
1)变风速仿真
保持负载不变，改变风速大小，风力机由12m/s启动，在1s时风速变为16m/s，在2s时风速变为10m/s，得到如下仿真波形：
图7(a) 风速 、风力机转速 和捕获功率 波形
图7(b) 发电机输出三相电压 及整流桥输出电压
图7(c) Buck电路占空比D的波形
图7(d) 给定功率和输出功率 的波形
图7 变风速仿真波形
从图7(a)-(d)可以看出，风速从12m/s变化到16m/s再到10m/s过程中:①导通比从0.4变到0.6，又从0.6变到0.3；②风力机转速和功率、发电机的输出电压、整流桥的输出电压、输出功率都随着风速的变化而变化；③风速越大，发电机发出的电压幅值和频率越大；④风力机捕获功率 从3W跳变到10.1W再跳变到1.6W，负载输出功率 从2.9W跳变到10W再跳变到1.6W，基本保持一致；⑤输出功率 和给定功率 （最佳功率点）基本一致，有很好的跟踪能力。
在功率信号反馈法中，要将风速作为测量对象，这在实际操作中比较困难。根据不同风速下的功率-转速特性曲线（图2）可以看出，也可以通过测量发电机的转速，并根据风力机的最大功率曲线计算出与该转速相对应的风力机的最大输出功率，将其作为最大功率给定值与系统输出功率进行比较。其仿真波形和图7(a)-(d)类似，不再赘言。
2)变负载仿真
保持风速为12m/s不变，启动时负载为50Ω，在1s时负载变为25Ω，在2s时负载变为12.5Ω，得到如下仿真波形：
图8(a) 发电机输出三相电压 及整流桥输出电压
图8(b) 风力机捕获功率 和负载输出功率 波形
图8(c) Buck电路占空比D的波形
图8(d) 给定功率 和输出功率 的波形
图8 变负载仿真波形
从图8(a)-(d)可以看出，负载从50Ω变为25Ω再变为12.5Ω的过程中:①导通比从0.41变到0.3，又从0.3变到0.21；②风力机转速和功率、发电机的输出电压、整流桥的输出电压、输出功率基本保持不变，在负载突变点上稍有波动；③风力机捕获功率 为2.9W，负载输出功率 也是2.9W，在负载突变点上稍有波动；⑤输出功率 和给定功率 （最佳功率点）基本一致，有很好的抗负载波动能力。
仿真结果表明，由于风速不变，对应的最佳功率点的值不变，虽然负载发生变化，但是风力机捕获功率与系统输出功率基本不变。负载变化时，通过给定功率与输出功率的比较，经控制器调节产生PWM波，改变Buck电路占空比来实现对最大功率点的跟踪，使输出功率始终维持在最佳功率点附近。
结论
本文讨论一种用于铁路货车车载安全监测的风力电源系统，将小型发电系统用于货车车载监测。着重介绍了风能转换原理及功率信号反馈方法，建立等效电路和系统稳态模型，利用仿真手段，通过调节Buck电路占空比，实现风能最大捕获的目的，验证了方法的正确性，并验证该系统有一定的抗负载波动能力，为下一步产品开发提供了理论依据和参考价值，该装置在铁路货运领域具有广阔的应用前景。
参考文献
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[2]熊小青.铁路货车空车脱轨原因与预防措施[J].职业圈，2007年，第3期:148-149.
[3]刘万琨，张志英，李银凤等. 风能与风力发电技术[M].北京：化学工业出版社，2007.
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[5]刘永亮，李秀娟，刘以建.离网型风力发电机系统的MPPT控制策略研究[J].通信电源技术，2010年9月25日第27卷第5期:35-37.
[6]T Tafticht，K Agbossou， A Cheriti et al. Output power max-imization of a permanent magnet syn chronous generator based stand -alone wind turbine [C].IEEE International Symposium， 2006，（3）：2412-2416.
[7] K Amei，et al. A maximum power control of wind generator system using a permanent magnet syn chronous generator and a boost chopper circuit [C].Power Conversion Confer-ence， 2002，（3）：1447-1452.
[8]汤天浩，陈新红，彭东恺等.直驱式永磁同步风力发电机稳态模型与最大功率跟踪控制[J]，电源学报，2011年5月，第3期：13-20.
buck电路范文第5篇
关键词： 直线电机； 双向功率变换器； 不平衡特性； 交错并联结构； 模糊PI控制
中图分类号： TN402?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）13?0128?05
Abstract： The free?piston internal combustion linear power generation system is a novel integrated hybrid power system. In the process of system start to stable operation， the power flows between power generation unit and energy storage unit bidirectionally through BDPC， and has the unbalanced characteristics in two directions， which makes the designed inductor in Buck mode have big volume and high cost， and the switching tube have large current stress. Aiming at this problem， it is proposed that the BDPC adopts the single phase structure in Boost mode， and adopts the staggered parallel structure in Buck mode， which can reduce the inductor volume and cost， current stress of the switching tube， and output current ripple. To meet the system transient demand， the fuzzy PI controller is used for the voltage loop of BDPC controller to realize the fast system response， and improve the system robustness.
Keywords： linear motor； bidirectional power converter； unbalanced characteristics； staggered parallel structure； fuzzy PI control
0 引 言
自由活塞内燃直线发电机（Free?piston Liner Generator，FPLG）是一种新型混合动力装置。与传统内燃发电机相比，FPLG取消了曲柄连杆机构约束，具有更高的理论机电转换效率；且压缩比可调，能适应多种燃料，降低排放，适用于油电混合动力车，孤岛发电等[1]。本文所述FPLG包括燃烧室，机械弹簧回复室，直线电机，其基本结构如图1所示。机械弹簧及燃烧室活塞与直线电机动子直接相连构成运动部件，通过燃烧室周期替燃烧膨胀及机械弹簧回弹装置共同作用，推动直线电机动子往复运动。当电机工作于电动机模式时，BDPC处于Boost模式；当电机工作于发电机模式时，BDPC处于Buck模式。由于系统功率流在两个方向具有不平衡特性，导致双向功率变换器在Buck模式下的电感电流明显高于Boost模式下的电感电流，对应Buck模式下设计电感的体积较大，开关管电流应力较大等，给双向功率变换器的设计成本及可靠性带来了极大的挑战。
目前关于FPLG系统BDPC设计的文献很少，南京理工大学采用在BDPC处于大功率降压模式时，屏蔽滤波电感，利用大容量的超级电容器组进行滤波，减小变换器体积和成本，但该方法无法减小开关管电流应力，开关管存在过度疲劳及发热集中的问题 [2]。基于此，本文在功率变换器设计中，当BDPC运行于Buck模式时采用交错并联结构，有效地提高输出电能质量，减小流经各相电感的电流值，从而减小了开关管的电流应力，使电感得到充分利用。同时，考虑到系统频繁启停所需响应时间短，电压变化范围宽，功率流方向需要快速平滑切换以及BDPC工作模式切换时存在非线性等问题，本文设计了模糊PI控制器提高系统的快速响应能力。
1 工作原理
自由活塞式内燃机直线发电系统由自由活塞内燃直线发电机、三相整流/逆变单元、双向功率变换器，储能单元构成，如图2所示。在系统启动、停车、故障恢复运行状态下，直线电机运行于电动状态，由动力源提供电能，经功率变换器装置给直线电机供电，从而驱动活塞运动，此时双向DC/DC变换器处于Boost模式。在系统稳定运行状态，直线电机运行于发电状态，燃料在燃烧室内燃烧膨胀做功，推动直线电机运动，将化学能转化为机械能，直线电机输出电能通过功率变换装置后为蓄电池充电，此时双向DC/DC变换器处于Buck模式。通过检测直流母线及蓄电池侧的电压电流控制BDPC的升降压工作模式。
在启动过程中，内燃机不点火，仅直线电机运行于电动状态驱动活塞往复运行，活塞运行平均速度低，产生反电势较小，电动启动所需功率相对低；而在稳定运行过程中，内燃机点火燃烧放热瞬间膨胀力非常大，活塞运行速度较大，反电势峰值较大，产生瞬时电功率峰值较大。造成启动阶段与稳定运行阶段功率流明显不平衡，直线电机由启动至稳定发电的电机端电压波形及功率流波形如图3所示。直线电机工作于电动机模式时，为负值，需要动力源提供平均功率为6.7 kW。当直线电机工作于发电机模式时，为正值，传输的平均功率为15.9 kW。
2 BDPC拓扑设计及控制
现有混合动力装置研究文献中，多选用非隔离型双向半桥DC/DC变换器，其主电路结构简单紧凑，体积小，具有使用器件少，成本低，无变压器损耗，效率高等特点[3?6]。
2.1 BDPC拓扑设计
图4中：为储能电感；为蓄电池侧电压；为电池侧滤波电容；为母线电压；为母线电容。控制开关管S1的导通与关断（D1作为S1关断时续流二极管），此时BDPC工作于Boost模式；同理，控制开关管S2的导通与关断（D2作为S2关断时续流二极管），此时BDPC工作于Buck模式。在设计电感时，需同时考虑两种运行模式下的电感值及最大饱和电流值[7]。为了满足电感存储能量的需要，应选取最大电感值作为最小设计值，即：
系统参数： BDPC工作在电流连续模式，开关频率20 kHz，输入电压为350～400 V，输出电压为170～180 V，电感电流纹波系数根据本系统设计计算得到在Buck和Boost模式下的电感参数如表1所示。
按照该结构设计，电感在Buck模式时的最大饱和电流远大于Boost模式，会使电感体积增大，开关管电流应力增大，Boost模式时电感储能量只利用了一部分，电感能量利用率低，导致双向功率变换器效率较低。
2.2 交错并联BDPC拓扑及控制
基于以上分析，本文提出Boost模式时仍采用单相拓扑结构，Buck模式时采用两相交错并联结构，此结构具有减小流经各相电感电流峰值及平均电流值，从而减小开关管电流应力，减小输出端电流纹波，改善输出电能质量，减小电感体积的优点。能够使电感得到最大化利用，提高变换器功率密度，在一定程度上改善了功率变换器的效率 [9?11]。
在该结构下，Buck模式时单相电感电流减小一半，电感值增大一倍。变换器在Boost模式及Buck模式时，单相电感电流峰值均在50 A左右，电感值在0.3 mH左右，开关管电流应力减小且差距不大。利用纹波互消原理，减小输出电流纹波。
本文中占空比开关管S2，S4 由PWM信号控制，其控制信号脉冲宽度相等，相位相差180°。为了避免交错并联结构因电路参数不一致而导致两相电感电流不均衡，采取控制策略框图如图6所示，电压通过PI控制器后作为电流给定，即两路电感电流之和，电流内环分别控制两路电感电流为总电流的一半，保证电流均衡。
3 模糊控制
由于FPLG工作过程的特殊性，直线电机动子运行频率较快，速度较高，因而需要BDPC有较快的响应和较好的控制性能。而BDPC本身由于电容电感的存在，变换器特性在系统启动、加速、减速等不同工况下呈严重的非线性。为了提高系统的性能，本文采用模糊PI控制器代替传统电压环PI控制器，将电压误差与电压误差变化率作为控制器输入，输出为对参数的调整量。在常规PI调节器的基础上，应用模糊集合理论建立参数同偏差和偏差变化率之间模糊逻辑关系，并根据不同的和在线自调整参数的一种模糊控制器，以便结合模糊控制器响应速度快，PI控制器稳态误差小的优点，实现BDPC的快速响应，电压平稳特性，提高电能的储存效率[12?14]。
模糊PI控制器框图如图7所示。
3.1 输入输出变量选取
由图10和图11可知，在传统PI控制器作用下，Boost变换器超调量为7%，电压调整到稳定值的时间为10 ms；Buck变换器超调量为8.3%，调整时间约1 ms。采用模糊PI控制器，系统响应时间明显缩短，且无明显超调。BDPC在两种工作模式下，采用模糊PI控制器与采用传统的PI控制器相比，能够减少电压调整时间，减小超调量，有效提高系统的鲁棒性。
5 结 论
通过以上仿真得到以下结论：
Buck模式时采用交错并联结构，电感电流平均分配到2对桥臂上，可有效减小单相电感电流，从而减小开关管电流应力，有效解决开关管及输出电感等器件过于疲劳与发热过于集中等问题。
采用交错并联结构，各相承担的电流明显减小，因此可以采用更为小型的输出电感。这也有利于降低电感设计挑战，降低成本，可有效解决功率不平衡造成的电感设计值大，体积大的问题。
采用交错并联结构，基于纹波互消原理可有效减小输出端电流纹波，改善输出电能质量。且在Boost模式可交替选择一相运行，减少开关管工作时间，延长开关管使用寿命。
与传统PI控制器相比，模糊PI控制可明显解决系统非线性问题，能够提高系统响应速度，提高系统的鲁棒性。
注：本文通讯作者为张驰。
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