直流-直流變換器（DC/DC）變換器廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程及數(shù)據(jù)通訊、計算機、辦公自動化設(shè)備、工業(yè)儀器儀表、軍事、航天等領(lǐng)域，涉及到國民經(jīng)濟的各行各業(yè)。按額定功率的大小來劃分，DC/DC可分為750W以上、750W~1W和1W以下3大類。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，DC/DC變換器在低功率范圍內(nèi)的增長率大幅度提高，其中6W~25WDC/DC變換器的增長率，這是因為它們大量用于直流測量和測試設(shè)備、計算機顯示系統(tǒng)、計算機和軍事通訊系統(tǒng)。由于微處理器的高速化，DC/DC變換器由低功率向中功率方向發(fā)展是必然的趨勢，所以251W~750W的DC/DC變換器的增長率也是較快的，這主要是它用于服務(wù)性的醫(yī)療和實驗設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備、遠(yuǎn)程通訊設(shè)備、多路通信及發(fā)送設(shè)備，DC/DC變換器在遠(yuǎn)程和數(shù)字通訊領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵、列車、電動車的無級變速和控制，同時使上述控制具有加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能，并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約20%~30%的電能。直流斬波器不僅能起到調(diào)壓的作用（開關(guān)電源），同時還能起到有效抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。

　　近年來DSP技術(shù)的日臻完善，標(biāo)志著數(shù)字化技術(shù)的興起，使得控制領(lǐng)域又面臨著重大的技術(shù)變革。因此，針對燃料電池客車專用大功率DC/DC變換器數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行研究，開發(fā)出國產(chǎn)的專用數(shù)字化大功率DC/DC 變換器，對我國的電動汽車的發(fā)展和普及，將具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

　　1 DC/DC變換器主電路構(gòu)成

　　變換器主電路是基礎(chǔ)，直接影響到DC/DC 變換器的性能。DC/DC 變換器主電路結(jié)構(gòu)簡單；工作效率高，顯著提高整車的經(jīng)濟性；且自身工作頻率高，具有高響應(yīng)速度，易于實現(xiàn)復(fù)雜多變的輸入輸出特性，可以滿足不同控制策略的要求。所以，燃料電池客車用功率混合轉(zhuǎn)換裝置放棄了全橋式逆變的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而選用Boost 和Buck型主電路拓?fù)洹?/P>

　　DC/DC 變換器按功能可分為：升壓變換器（Boost Converter）、降壓變換器（Buck Converter）和升降壓變換器（Boost-Buck Converter），在燃料電池汽車中主要采用升壓或降壓變換器，其原理圖如圖1 和圖2所示。

　　
                                                   圖1 Buck 電路原理圖                                                     

　　
圖2 Boost電路原理圖

　　以圖2 Boost 變換器為例，簡單分析其工作原理：當(dāng)開關(guān)管S 導(dǎo)通時，電流I in 流過電感L，電流線性增加，電能以磁能形式儲存在電感線圈中。此時，電容C 放電，負(fù)載上流過電流Io并在其兩端形成輸出電壓Vo，極性上正下負(fù)。因為開關(guān)管S 導(dǎo)通，二極管D 陽極接負(fù)極，D 承受反壓，所以電容不能通過開關(guān)管放電。開關(guān)管S 由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r，電感L 中的磁場將改變線圈L 兩端的電壓極性，以保持Iin 的不變。這樣磁能轉(zhuǎn)化成的電壓VL與電源電壓VFC串聯(lián)，以高于Vo的電壓向電容C、負(fù)載供電。高于Vo 時，電容C 有充電電流；等于Vo時，充電電流為零；當(dāng)Vo有降低趨勢時，電容向負(fù)載放電，維持Vo 不變。由于VL垣VFC向負(fù)載供電時，Vo高于VFC，從而有了升壓的結(jié)果[3]。

　　2 基于TMS320LF2407A 的控制電路硬件設(shè)計

　　采用數(shù)字信號處理器作為開關(guān)電源的控制器不僅可以克服分立元件過多、電路可靠性差、電路復(fù)雜等缺點，還可以解決單片集成控制器不靈活的弱點；而且DSP數(shù)字處理器具有工作頻率高、指令周期短和改進(jìn)的總線結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，具有強大的數(shù)字處理功能。

　　TMS320LF2407A是TI公司推出的一款定點DSP控制器，它采用了高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V,減小了控制器的功耗；40MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到25ns（40MHz），從而提高了控制器的實時控制能力；集成了32K字的閃存（可加密）、2.5K的RAM、500ns轉(zhuǎn)換時間的A/D轉(zhuǎn)換器，片上事件管理器提供了可以滿足各種電機的PWM接口和I/O功能，此外還提供了適用于工業(yè)控制領(lǐng)域的一些特殊功能，如看門狗電路、SPI、SCI和CAN控制器等，從而使它可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。然而，在實際的應(yīng)用系統(tǒng)中，還需要對TMS320LF2407A進(jìn)行必要的外圍擴展，譬如程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)的擴展、CAN的驅(qū)動等，以滿足整個應(yīng)用系統(tǒng)的實際需要。圖3為控制系統(tǒng)的功能框圖，控制系統(tǒng)以TMS320LF2407A為，通過外部附加電路來實現(xiàn)系統(tǒng)所需要的各項控制功能：

　?。?）通過濾波電路對傳感器輸入信號進(jìn)行處理，然后由ADC采樣電路進(jìn)行數(shù)字采樣并送入中央處理器；

　　（2）由TMS320LF2407A 直接生成PWM 控制信號，經(jīng)過隔離驅(qū)動放大后來控制功率開關(guān)管的開通與關(guān)斷；

　?。?）利用處理器內(nèi)部的I/O 口來實現(xiàn)一些外圍的附加控制功能，比如：指示燈顯示、電路的緩吸、接觸器的控制、散熱風(fēng)扇的開關(guān)控制等；

　?。?）通過CAN2.0控制器與整車控制器進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊與控制。

　　
圖3 控制系統(tǒng)功能框圖

　　燃料電池客車數(shù)據(jù)采樣電路的目的是獲取系統(tǒng)的輸出電壓、電流控制反饋信號；功率器件的溫度、電流、電壓保護(hù)反饋信號。信號傳輸給控制板通過TMS320LF2407A內(nèi)部集成的10 位的帶內(nèi)置采樣/保持的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）后進(jìn)行數(shù)據(jù)運算和邏輯判斷。該10 位ADC 是高速ADC,轉(zhuǎn)換時間可達(dá)到500ns,對于20~50kHz 的開關(guān)電源來講，完全可以做到周期采樣的控制要求，從而保證了DC/DC變換器的高速響應(yīng)時間。

　　在DC/DC 運行過程中，可能會發(fā)生一些異常狀態(tài)，例如由于器件損壞等原因，造成DC/DC 不工作；電路出現(xiàn)短路；IGBT 和功率二極管過流；散熱器過熱等。對于以上異常狀態(tài)，都從硬件電路上給予充分設(shè)計并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

　　3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個變換過程的控制和通訊，實現(xiàn)過程的數(shù)字化。燃料電池客車用大功率DC/DC 變換器的控制軟件采用C 語言和匯編語言混合編制，在完成其控制功能的同時，力求程序結(jié)構(gòu)合理簡單，以適應(yīng)大功率開關(guān)電源對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性的要求。

　　3.1 軟件的整體結(jié)構(gòu)

　　控制軟件主要包括以下幾個部分：采樣處理環(huán)節(jié)；由采樣值來計算輸出脈寬，并根據(jù)此值調(diào)整輸出的PWM 脈沖寬度；CAN 通訊來接受控制指令并發(fā)送輸出的電流、電壓值、溫度、狀態(tài)碼等信息；中斷服務(wù)程序；故障處理及保護(hù)功能程序?？刂葡到y(tǒng)初始化程序和主程序流程圖如圖4 所示。

　　
圖4 控制系統(tǒng)主程序流程圖

　　為了提高軟件的運行效率，把不需要及時處理的部分放在主程序里面，而把一些需要及時處理的控制過程利用中斷的方式來進(jìn)行處理，如PWM 波形的調(diào)制等需要進(jìn)行周期處理的工作和必須進(jìn)行及時處理的工作利用中斷方式來處理。另外CAN 通訊程序也采用中斷服務(wù)程序來處理，根據(jù)接收到的信息來決定具體的工作模式和工作參數(shù)并對變換過程進(jìn)行調(diào)整。

　　3.2 數(shù)字PID控制簡要設(shè)計

　　目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器 （儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器 （intelligent regulator），其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制 器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器（PLC），還有可實現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。 可編程控制器（PLC） 是利用其閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)PID控制，而可編程控制器（PLC）可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC-5等。還有可以實現(xiàn) PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix產(chǎn)品系列，它可以直接與ControlNet相連，利用網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。

　　PID 控制具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)易于調(diào)整等優(yōu)點，因而在連續(xù)系統(tǒng)控制技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。它是一種按照被控制量偏差的比例、積分和微分通過線性組合進(jìn)行控制的方法，其控制規(guī)律為

      
　　式中：K 為比例系數(shù)；

　　e 為電壓偏差信號；

　　Ti為積分時間常數(shù)；

　　Td為微分時間常數(shù)；

　　uo為初始值。

　　由于數(shù)字PID 控制是一種采樣控制，它根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，在式（1）中的積分和微分項不能直接準(zhǔn)確計算，因此在本控制系統(tǒng)中采用了增量式PID算法，其控制規(guī)律的數(shù)值公式為

      
       式中：T為采樣周期。

　　由式（2）可以看出，增量式算法只需要保存前三個時刻的偏差值，占用空間小，計算誤差或不足時對系統(tǒng)影響小，累計誤差同樣也比較小，而且在每次重新啟動時，可以在原來的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制，減少系統(tǒng)的響應(yīng)時間。同時也避免了因偶然因素造成控制器的輸出做大幅度的劇烈變化，使系統(tǒng)的可靠性大大提高。

　　對于本系統(tǒng)，PID 控制器的參數(shù)主要是通過試驗來確定。系統(tǒng)的采樣周期就是DC/DC的開關(guān)周期，根據(jù)前一個周期的采樣值來計算下個周期的輸出脈寬，每采樣中斷就必須進(jìn)行計算。PID 的算法嵌套在ADC的中斷處理程序之中。

　　3.3 可編程數(shù)字化輸入輸出特性控制

　　燃料電池客車用大功率DC/DC 變換器輸入電壓范圍大約在100V左右，需要設(shè)定輸入欠壓保護(hù)，防止燃料電池電壓過低導(dǎo)致故障?；谇穳罕Ｗo(hù)程序?qū)崟r高速采樣對達(dá)到欠壓點后進(jìn)行功率限制，保證燃料電池正常工作，同時可以根據(jù)燃料電池和整車需求的變化進(jìn)行數(shù)字化設(shè)置。        DC/DC 變換器輸出特性要與電機控制器、動力電池的正常工作范圍匹配，又要配合整車控制器（ECU）復(fù)雜的控制策略。所以輸出特性設(shè)計為恒壓限流和恒流限壓兩種模式，如圖5 所示。由ECU通過CAN發(fā)送給定值，兩種特性可以在發(fā)送一個CAN 控制指令周期內(nèi)切換，實現(xiàn)了可編程的輸出特性控制。

　　
圖5 恒壓限流、恒流限壓輸出特性曲線示意圖

　　4 試驗結(jié)果及技術(shù)參數(shù)

　　整個實驗系統(tǒng)由所研制的燃料電池發(fā)動機用90 kW Boost DC/DC 變換器、100 kW 燃料電池模擬裝置、電機及其控制器、PC 機以及數(shù)字示波器等測試設(shè)備組成。變換器的IGBT開關(guān)電壓波形，PWM 驅(qū)動波形的測試結(jié)果如圖6 所示，從波形中可以看出，Boost變換器開關(guān)管的開關(guān)電壓和驅(qū)動波形均較理想，變換器的開關(guān)功率損耗較小。

　　
圖6 IGBT開關(guān)電壓和PWM驅(qū)動波形

　　系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線如圖7 所示， 從圖7 中可以看到，系統(tǒng)的輸出電壓從380V降到340V只需要不到200 ms 的時間，響應(yīng)速度較快、超調(diào)量小且穩(wěn)態(tài)控制較高。

　　
圖7 系統(tǒng)的給定響應(yīng)曲線

　　燃料電池發(fā)動機用90kW Boost DC/D

　　C 變換器技術(shù)參數(shù)如下：

　?。?）輸入電壓國DC臆350V;

　?。?）輸出電壓國DC 350~450V;

　?。?）輸出電流國200~250 A;

　?。?）額定功率點效率國逸97%;

　　（5）輸出紋波國臆1%;

　?。?）通過CAN通訊實現(xiàn)具有可編程的外特性控制，即恒壓限流、恒流限壓；

　?。?）系統(tǒng)的自主控制與整車控制器（ECU）控制兩種控制方式隨意切換。

　　5 結(jié)語

　　所研制的燃料電池客車用數(shù)字化90 kWBoost DC/DC 變換器采用IGBT 作為功率開關(guān)管，具有較高的效率和可靠性；控制系統(tǒng)采用數(shù)字處理芯片和數(shù)字控制技術(shù)， 具有很高的實時性和良好的可編程控制功能，滿足了整車復(fù)雜的控制要求；整機采用模塊化方式，可以和整車進(jìn)行可靠的通訊，人機交互性好。該變換器已經(jīng)成功地應(yīng)用在國內(nèi)輛燃料電池城市客車上，各項技術(shù)指標(biāo)均滿足使用要求。