摘  要： 论文针对航空静止变流器前端DC/DC级在大扰动下系统响应的快速性和鲁棒性，本文采用一种以变换器状态变量误差的线性组合的滑模算法为主控制器，以BUCK/BOOST双向DC-DC变换器为被控对象对该拓扑进行模态分析，其次对两种工作模态下分别进行滑模面的设计及可达性条件的证明。在Matlab/Simulink环境下，进行仿真验证，与PI算法进行对比分析。仿真结果表明该滑模算法在大扰动下对系统响应的快速性及鲁邦性较PI算法有较大的改善和提高。

关键词： 鲁棒性;滑模;双向;变换器;可达性

中图分类号： TN624    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.049

本文著录格式：党乐. 一种基于滑模控制的双向DC/DC变换器的研究[J]. 软件，2019，40（6）：212218

【Abstract】： Based on fast response and robustness of front-end DC/DC stage of aeronautical static converter under large disturbance， the paper takes a sliding mode algorithm based on linear combination of converter state variable errors as main controller， carries on topology modal analysis with controlled object of BUCK/BOOST bidirectional DC-DC converter， then designs sliding mode surfaces under two modes respectively， proves the accessibility condition. Under environment of Matlab/Simulink， carry out simulation and compare with PI algorithm. Simulation results show the fast response and robustness of sliding mode algorithm under large disturbances are better than those of PI algorithm.

【Key words】： Robustness; Sliding mode; Bidirectional; Converter; Accessibility

0  引言

随着科技的进步与发展，人类对能源的需求日益迫切，对传统能源持续的开采和使用，会使人类即将面临能源枯竭的危机，况且传统能源的频繁使用会对环境造成严重的污染和危害。特别是近些年，国内大多数城市都被严重的雾霾所笼罩，严重地影响了人们的生活和健康。能源和环境问题已经被视为现阶段人类所面临的两个重要的主题。为了使这一压力得以缓解，世界各国人民都在为寻求可再生的綠色能源而努力，例如太阳能、风能、潮汐能等绿色能源现在正被人们所大力提倡[1]。迄今为止，此类可再生能源在发电系统中的应用，更是得到了前所未有的发展。但是可再生能源本身具有随机性和不可预测性，容易遭受环境的影响，波动性比较大，因此就需要经过电力电子变换以及控制技术处理后，连接到母线上向负载提供能量。在电力电子变换以及控制应用领域当中，双向DC/DC变换器的研究与应用变得更加广泛和流行。

美国弗吉尼亚理工学院未来能源研究中心的Jason.Lai博士也开展了一些双向DC/DC变换器方面的研究，主要应用在小型燃料电池发电系统[2];弗吉尼亚学院未来能源电子中心的余文松教授采用准方波零电压软开关技术研制的双向DC/DC变换器，在满载时效率可达98%[3];香港理工大学的谢智刚教授研究了并联均流技术在双向DC/DC变换器上的应用[4];南京航空航天大学张方华博士在2004年的博士论文中提出了许多新型的适合于双向变换应用场合的应用电路，研究了其控制模型，通过双向控制模型的分析，采用PID补偿环节的单电压闭环实现了系统闭环稳定[1]。

针对航空静止变流器前端DC-DC级变换器，为提高系统在大扰动下响应的快速性和鲁棒性，本文采用一种以变换器状态变量误差的线性组合的滑模算法为主控制器，以双向BOOST/BUCK变换器为被控对象，在输入电压源及负载发生大扰动下，在MATLAB/Simulink环境下对输出电压的鲁棒性及快速响应性进行仿真分析，并将PI和传统滑模控制效果进行仿真对比分析。最后以DSP28335为主功率控制器分别对两种算法进行试验验证。结果表明，该种滑模算法在输入电压源及负载扰动下比PI算法的动态响应速度快，鲁棒性强。

1  双向BUCK/BOOST拓扑及模态分析

1.1  双向BUCK/BOOST DC/DC变换器拓扑

图1.1为论文研究的双向BUCK/BOOST DC/DC变换器电路主功率拓扑[5]。该电路拓扑的优点在于变换器结构拓扑简单，功率器件少，通过合理的控制策略能够实现功率流正反向的流通。原理图1中的U1指的是低压侧电压源，U2指高压侧输出电压。

图1所示的双向BUCK/BOOST DC/DC变换器的基本工作原理为：电路由U1侧向U2侧工作时，为BOOST工作模式，S1与S2互补导通;电路由U2侧向U1侧工作时，为BUCK工作模式，S1与S2互补导通，其具体工作模态分析见1.2节内容。

1.2  双向BUCK/BOOST DC/DC变换器的模态分析

双向BUCK/BOOST DC-DC变换器按照电路电感电流极性可将工作模式有三种如图2所示。

第一种为BOOST工作模式，其等效电路图如图3所示，能量从U1向U2侧，iL自左向右，iL极性为正，如图2上图所示。在0～ton阶段，S1导通，S2关断，等效电路图如图3（a）所示，iL在U1的作用下增加。在ton～T阶段，S1截止，S2导通，此时S2

的作用与D2的作用相同起续流作用，其等效电路图如图3（b）所示，电源电压与电感共同向U2提供能量。下一个周期重复0～T的控制策略。BOOST工作模式时U2=U1/（1D1），式中D1为S1的占空比，由于S1和S2互补导通，所以S2的占空比为Dy= （1D1）。

第二种为BUCK模式，其等效电路图如图4所示，能量从U2向U1侧，iL自右向左，iL极性为负，如图2中图所示。在ton～T阶段，S2导通，S1关断，等效电路图如图4（a）所示，iL在U1的作用下增加。在0～ton阶段，S2截止，S1导通，此时S1的作用与D1的作用相同起续流作用，其等效电路图如图3（b）所示，下一个周期重复0～T的控制策略。BUCK工作模式时U1=U2Dy，式中Dy为S2的占空比，由于S1和S2互补导通，所以S1的占空比为D1=（1Dy）。

开关模态1[0～t1]：D1续流，iL自iLmin反向降到0，等效电路图见图5（a），S1为D1续流期间导通，所以S1为零电压开通。

开关模态2[t1～ton]：在t=t1时刻，iL=0。此后，S1导通，iL线性增加，在t=ton时刻，iL=iLmax，S1关断。等效电路图见图5（b）。

开关模态3[ton～t2]：D2续流，iL自iLmax正向降到0，等效电路图见图5（c），S2在D1续流期间导通，所以S2为零电压开通。

开关模态4[t2～T]：S2导通，iL反向线性增加，在t=T时刻，iL=iLmin，等效电路图见图15（d），下一个工作模态重复工作模态1直至下一个工作周期结束。

2  变换器拓扑基于变结构数学模型

2.1  电路中相关参数的设定

6  结论

论文针对双向BUCK/BOOST DC/DC变换器，分别采用滑模算法和PI算法对主功率电路进行仿真和實验验证，仿真结果表明，与PI算法对比，滑模算法响应速快，精度高，并且在输入电压大扰动及负载大扰动下鲁棒性强。

参考文献

[1] 张志强. 双向DC/DC变换器的设计与研究[D]. 哈尔滨理工大学， 2015.

[2] Lai J. A Low-Cost Soft-Switched DC/DC Converter for Solid-Oxide Fuel Cells[J]. 2009.

[3] Yu W， Qian H， Lai J S. Design of high-efficiency bidirectional DC-DC converter and high-precision efficiency measurement[C] Industrial Electronics， 2008. IECON 2008. Conference of IEEE. IEEE， 2009.

[4] Wu T F， Chen Y C， Yang J G， et al. Isolated Bidirectional Full-Bridge DC–DC Converter With a Flyback Snubber[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2010， 25（7）： 1915-1922.

[5] 严仰光. 双向直流变换器[M]. 江苏科学技术出版社， 2004.

[6] 杨苹， 吴捷， 刘明建， 等. 基于变结构理论DC-DC功率变换器建模[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）， 2002， 30（12）： 6-11.

[7] 李鹏. 传统和高阶滑模控制研究及其应用[D]. 国防科学技术大学， 2011.