除了以上阐述的传统PI控制，本系统还应用了前馈补偿的思想，不再只以PI决定控制脉冲占空比，加入了前馈补偿计算结果，使得控制系统的反应速度更快。PI调节模块作为“微调”，使得输出电压纹波系数更小，稳定性更佳，有效抑制了系统因冲击、震荡所引起的输出剧烈波动。具体应用方法如公式(17)所示。
 上式中，D为最终IGBT控制脉冲占空比;PLout为PI调节模块计算结果;Uref为前馈补偿计算给定值，这里取各级电压闭环的额定输出电压;Uin为前馈补偿计算输入值，这里取各级电压闭环的输入电压。因此，Uref/Uin即为前馈补偿计算结果。 2.4 保护策略 如前文所述，内蒙新型直线电机运输系统试验线存在弓网关系差的问题，在某些区段频繁出现短时掉电-再上电的现象，进而在前级BUCK电路的电感、电容上产生冲击电流、冲击电压。其中，尤以冲击电流对系统的损害作用最大。经仿真，采用前文所选电路器件参数和闭环控制策略，10 ms脱弓情况下，电流冲击一般会达到90A。除此之外，系统还可能出现各种过压、过流故障。因此，采取有效的保护策略，抑制冲击电流过大，保证系统稳定是十分必要的。具体保护逻辑如下： 1)输入过压——封锁全部控制脉冲，过一段时间后(10 s)进行检测，若此时并无过压情况，则重新启动脉冲。DC/DC变换电路直接恢复至保护前占空比，BUCK电路进入软启动模式，以当前UDC600V/UDC1500V为占空比起始点，依时序逐渐增大占空比，直到DC600 V达到额定值为止。输入过压保护值取1800V。 2)输入欠压——这种故障中主要出现于网侧短时掉电情况下。输入欠压保护后，仅封锁BUCK电路控制脉冲，在控制系统每一时序周期对网压进行监测，一旦恢复正常，BUCK电路进入软启动模式，方式同I。输入欠压保护值取1 000 V。 3)DC600V过压——封锁全部控制脉冲，中间电压经由压仓电阻缓慢泄放，当低于550 V时，系统重新启动脉冲。方式同I。DC600 V过压保护值取700V。 4)输出过压、欠压——封锁全部控制脉冲，5 s后系统重新启动。如果在1分钟内重启次数超过3次，则系统停机，不再重启，人工进行故障修复。输出过压保护值取30 V，欠压保护值取20 V。 5)输出过流——当Ifh Idl时，即输出发生短路时，封锁全部控制脉冲，系统停机，人工进行故障修复。
3 系统仿真 利用MATLAB软件实现系统仿真，搭建模型如图5所示。
图6所示为系统仿真电压波形图。1通道为DC600 V波形;2通道为DC24 V波形;3通道为变压器原边波形;4通道为二极管整流后波形。
4 实验 根据文中开关电源设计方案，搭建出试验样机。BUCK电路开关管使用IXYS公司3 300 V，30 A等级IGBT;DC/DC电路开关管使用三菱公司PS系列1 200 V，25 A等级IPM;IGBT驱动选择瑞典CONCEPT公司驱动模块;变压器、BUCK电路电容、电感值，均按照前文设计方案选取。系统额定电压半载时，考核波形如图7、图8所示。
图7中，上数第一通道为BUCK电路IGBT两端电压波形，上数第三通道为输出电压波形，中间通道为BUCK电路电感电流波形，因为使用电流钳的缘故，故示波器该通道上显示为电压波形。图中电感电流值为实际值的8倍，且因半载工况下电感电流断续，IGBT两端电压在相应区间出现轻微上浮。 此外，由于没有安装吸收电路，因此IGBT在开通、关断瞬间会产生电压尖峰，电感上同样存在电流尖峰。在后续研究中，可以尝试在BUCK电路IGBT两端加装吸收电路，以达到去除干扰的效果。 图8中，上数第一通道为变压器原边电压波形，上数第三通道为二极管整流后电压波形，中间通道为DC600V波形，由于在样机实验中，RC吸收电路参数均经过反复验证，最后选择最优方案使用，因此DC/DC变换电路实际波形较好。 5 结束语 根据新型直线电机运输系统的需求，本文设计了一种具两级降压结构的新型开关电源。给出了系统主电路结构、器件选型过程、控制系统与控制策略、保护逻辑以及仿真模型，最后用实验证明了设计的正确性与合理性。针对网侧存在的短时脱弓现象，提出了相应预防措施。最后通过实验证实，该系统工作稳定，性能良好，完全满足新型直线电机运输系统的要求。 目前，该开关电源样机正在内蒙新型直线电机运输系统试验线进行后续相关试验。 |
