一种超级电容储能的双向逆变电路及其控制策略

2020-02-20柯万宇汤前进张华锋

通信电源技术 2020年1期

柯万宇，汤前进，张华锋，吴慧，朱金

（武汉华中数控股份有限公司，湖北武汉 430223）

0 引言

传统伺服电机控制器直流侧前置双向DC/DC变换器，可根据伺服单元的需求调节直流母线电压，提高伺服驱动系统的效率[1]。本文提出一种半桥式DC/DC双向变换器[2-4]，在伺服系统突然掉电时，该装置在短时间内仍然可向数控供电，从而确保机床退刀等步骤的完成。同时，它可控制母线电压和电流[5]，完成能量在母线和超级电容储能模块[6]之间的双向流动。目前，市面上的DC/DC双向逆变电源中，在升压工作模式下，为获得更高的输出功率，普遍采用交错模式和多相交错模式[7-8]的拓扑来完成能量的双向传递。但是，在降压输出模式下，功率器件的PWM波导通占空比相对较小，此时采用交错模式占空比不变，且交错模式功率部分开关器件及感性器件较多，会产生较大的开关损耗。因此，本文提出了一种拓扑结构简单、成本低廉、性能稳定且高效的DC/DC双向变换电路。

1 超级电容双向逆变器工作原理

DC/DC双向变换电路正常工作时，三相380 VAC经过全桥整流输出540 VDC的母线电压，同时将超级电容模组充电至110～150 V（这里超级电容模组为2F/160 V）。而在母线电压过低时，储能模组电压通过DC/DC双向变换电路再升压至540 VDC。根据式（1）和式（2）可得，在降压和升压工作模式下各自的PWM波占空比。

可见，在升压（储能模块放电）工况下，占空比相对较大，且此时最大占空比为DBoostmax=（540-110）/540≈0.8；而在降压（储能模块充电）工况下，占空比相对较小，为DBuckmin=110/540≈0.2。图1给出了互锁驱动电路，以保证主开关管可靠运行。

图1 DC/DC双向变换器模块图

该DC/DC双向变换器由Buck/Boost电路、信号采样电路、PWM逻辑控制电路、互锁驱动电路及超级电容模组构成，见图1。上电工作时，输入端的380 V交流电压经过整流滤波后加载到直流P、N端，信号采样电路检测到P、N母线端的软启动电路充电结束时，开始对超级电容模组进行预充电。PWM逻辑控制电路输出PWMB信号，经过光耦隔离驱动器1对Q1、L1、C2及采样电阻分流器FL1组成的BUCK电路对超级电容模组进行恒流充电。DICHARGE和CHARGE为互非的两路控制信号，防止Q1、Q2管直通，直至超级电容模组两端电压充至110 V附近，预充电过程结束。运行过程中，整个系统负载端伺服单元和电机出现加载或急停时会导致P、N母线电压的波动，若系统检测到P、N母线电压跌落到下限阈值时，PWM逻辑控制电路输出PWMB及PWMA信号，经过光耦驱动器2或成大于90%的占空比PWM波信号给Q2、L1、C2及FL1组成的BOOST升压电路来平滑P、N母线端的电压，这时DISCHARGE为高电平，CHARGE为低电平，超级电容模组释放能量。当负载端电机由高速运行到急停时，电机的反电势能量导致P、N母线电压骤升，系统检测到上限设定的阈值电压，PWM逻辑控制电路输出PWMB信号，经过光耦隔离驱动器1对Q1、L1、C2及采样电阻FL1组成的BUCK电路对超级电容模组进行最大电流阈值充电，超级电容模组储能；当电压下降到低于下限设定的阈值电压时，停止充电，如此反复。若运行过程中出现输出380 V断电情况，这时系统检测到掉电信号及P、N母线的阈值电压，在低于下限阈值时，BOOST升压电路工作，继续维持P、N母线端的电压，使数控系统完成退刀等一系列工作，超级电容模组释放能量。变换器的工作流程见图2。

2 控制策略

为确保Buck/Boost电路的相应速率、稳定运行等，需要对母线侧电压、超级电容模组侧电压及充、放电流进行隔离采样。采样信号送至PWM逻辑控制电路进行运算，根据母线电压及电流的变化，PWM控制电路输出互为180°的PWMA及PWMB信号给BUCK/BOOST电路，使之工作在对应的升压或降压模式。PWMA及PWMB信号根据BUCK/BOOST电路工作模式调整其输出占空比。CHARGE、DICHARGE以及V1～V4构成的互锁电路，防止Q1、Q2主模块直通现象。

图2 DC/DC双向变换器工作流程图

3 实验波形分析

根据上述理论及描述，现搭建DC/DC双向变换器应用实验平台进行验证。采取三相380 VAC供电伺服驱动电源，按照伺服电源、DC/DC双向变换器（包含超级电容储能模组）、伺服驱动单元和永磁同步交流伺服电机的顺序搭建实验平台，采用四通道隔离示波器对超级电容模组、母线电压及电感电流波形进行捕捉检测，见图3。

图3 DC/DC双向变换器实验平台

实验主要内容分为三部分。第一，捕捉超级电容模块在预充电过程充电工作模式下，超级电容两端电压及电流波形，检验恒流充电时有无电流过冲现象。第二，伺服电机工作在高速运行中，1 s急停时产生的能量反灌到母线端，通过DC/DC双向变换器能将能量迅速储存到超级电容模组内，验证可以替代外接制动电阻起到节能的作用。第三，当外部电网380 VAC突然中断时，超级电容中储存的能量通过DC/DC双向变换器将能量释放到母线端，继续维持伺服单元提供所需断电回退的电压能量。储能模块预充电状态下（见图4），电容电压在16 s左右升至120 V，之后保持稳定，且在升压过程中电容处于恒流工作模式，无电压及电流过冲波形。伺服电机在高速运行中，1 s急停时电机产生的反电势能量通过伺服单元反馈到母线端，使母线电压急剧上升，高于阈值电压时，DC/DC双向变换器将母线上的能量储存在超级电容模组内，如图5所示，可见本电路完全可以将母线的电压能量转换到超级电容内，进而可以替代外接制动电阻的作用，避免能量因电阻发热而损耗掉，提高了能量循环利用率。若驱动器三相进线突然掉电，即在储能模块放电工作状态下，P、N母线电压及掉电信号波形见图6。由于DICHARGE信号激活，使得超级电容内储存的电压进行升压放电。如图6所示，由于储能电容的电压反馈补偿，P、N直流母线电压在掉电内可以短时维持在500 V左右，虽然有幅值衰减，但是仍然可以维持系统短时稳定工作，且系统短时间内依然处于恒压工作模式。