并聯(lián)Buck變換器的均流控制技術(shù)

金愛(ài)娟,郝陳祥,馬忠雪,劉　逸,劉雅瓊,梅　燕

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海　200093;2.上海理工大學(xué) 上?，F(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海　200093)

并聯(lián)Buck變換器的均流控制技術(shù)

金愛(ài)娟1,2,郝陳祥1,馬忠雪1,劉逸1,劉雅瓊1,梅燕1

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海200093;2.上海理工大學(xué) 上?，F(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200093)

摘要在并聯(lián)多相DC/DC變換器中,各模塊承受的電流應(yīng)自動(dòng)平衡。DC/DC變換器的并聯(lián)均流是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。文中采用基于主從控制的并聯(lián)Buck變換器為研究對(duì)象,通過(guò)仿真驗(yàn)證了均流控制技術(shù)能使電路具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。考慮到實(shí)際應(yīng)用中電路開(kāi)關(guān)管會(huì)因長(zhǎng)期工作在溫度較高的情況下而降低使用壽命,采用加入溫度控制的均流控制技術(shù),從而達(dá)到了溫度控制的效果。

關(guān)鍵詞均流技術(shù);并聯(lián)Buck電路;溫度控制

Current Sharing Technology of Parallel Buck Converter

JIN Aijuan1,2,HAO Chenxiang1,MA Zhongxue1,LIU Yaqiong1,MEI Yan1

(1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,

Shanghai 200093,China;2.Shanghai Key Lab of Modern Optical System,University of Shanghai for

Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractIn a parallel multi-phase DC/DC converter,the current of each module should automatically balance,the key to which is the parallel current sharing.This article verified that the current sharing technology offer the circuit good dynamic response in the master-slave control of parallel Buck converters.In the practical application of the circuit switches,the long-time high temperature operations will reduce the service life.The current sharing technology with temperature control is adopted.

Keywordscurrent sharing technology;parallel Buck circuit;temperature control

在可靠性要求較高的應(yīng)用中,通常采用電源并聯(lián)工作方式向負(fù)載供電[1]。在實(shí)際的并聯(lián)模塊中,由于其功率等級(jí)和控制參數(shù)存在一定的誤差,會(huì)使每個(gè)變換器所分擔(dān)的電流并不完全相等。若在并流系統(tǒng)中對(duì)負(fù)載電流不采取特殊的平均分配手段,就可能出現(xiàn)一個(gè)或者多個(gè)模塊分擔(dān)過(guò)多電流,其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致某個(gè)模塊的熱應(yīng)力過(guò)大,從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。本文研究了并聯(lián)Buck變換器的均流控制技術(shù),提出并聯(lián)Buck電路在相關(guān)系統(tǒng)中的應(yīng)用,能夠有效地減小輸出電流紋波,采用均流技術(shù),能夠減小各支路器件的應(yīng)力。并在普通均流控制的基礎(chǔ)上加入溫度控制,該控制模型能有效地解決并聯(lián)Buck中兩支路開(kāi)關(guān)管所承受溫度不同時(shí)承受溫度較高的開(kāi)關(guān)管易受到損壞的問(wèn)題。

1閉環(huán)控制下的并聯(lián)Buck電路模型

并聯(lián)開(kāi)關(guān)電源電路的控制技術(shù)是大功率供電系統(tǒng)的重要技術(shù),并聯(lián)開(kāi)關(guān)電源模塊不僅能方便地組成各種功率等級(jí)的系統(tǒng),其輸出較單個(gè)開(kāi)關(guān)電源模塊更加穩(wěn)定,而且抗干擾性強(qiáng),便于維修。

并聯(lián)Buck變換器的狀態(tài)方程可寫(xiě)成

其中,E是輸入電壓;x是狀態(tài)向量,定義為

x=[vi1i2]T

(1)

雙并聯(lián)BUCK變換器的As和Bs

(2)

(3)

閉環(huán)采用簡(jiǎn)單的電壓反饋,并聯(lián)Buck電路中兩支路各元器件參數(shù)均相同,即兩支路為對(duì)稱電路,圖1為并聯(lián)Buck電路的電壓反饋控制框圖。

圖1　并聯(lián)Buck電路電壓閉環(huán)控制框圖

在圖1中,Voffset1,Voffset2為鋸齒波信號(hào),輸出電壓與參考值相比較,其差值再與三角波相比,輸出PWM,從而控制開(kāi)關(guān)管S1和S2。

2主從設(shè)置法下的均流控制技術(shù)

在文獻(xiàn)[3]中分析了多相非對(duì)稱并聯(lián)模塊,以及當(dāng)各相幅值不相同時(shí),通過(guò)頻域分析法,計(jì)算出在一定相位情況下,其總輸出電流紋波能達(dá)到更小,但該研究結(jié)果只能應(yīng)用于某一特殊場(chǎng)合,應(yīng)用場(chǎng)合并不廣泛。

在實(shí)際場(chǎng)合中,由于器件的原因,各模塊間不可能達(dá)到完全平衡,因此在并聯(lián)模塊中通常采用均流控制技術(shù)來(lái)控制電路之間的微小不平衡,常規(guī)均流控制方式主要有無(wú)源下垂法和有源均流法[4-5]。

本文以主從設(shè)置法下的并聯(lián)Buck變換器為例,圖2給出了其控制框圖。

圖2　主從設(shè)置法控制框圖

圖2為并聯(lián)Buck結(jié)構(gòu)下主從設(shè)置法的控制模塊,圖中k1,k2,k3,k4為增益,Voffset信號(hào)為鋸齒波信號(hào),該信號(hào)與輸出電壓反饋信號(hào)相比較產(chǎn)生的差值再通過(guò)PWMblock模塊進(jìn)行處理產(chǎn)生PWM波,從而控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和斷開(kāi)。通過(guò)調(diào)節(jié)電壓環(huán)放大器的參考電壓信號(hào)使得并聯(lián)變換器達(dá)到均流的效果。

圖3為主從設(shè)置法下并聯(lián)Buck電路的Matlab仿真模型,在該模型中輸入電壓E=600V,電感L1=0.08H,,電感,電容C=8μF,偏移電壓Voffset=5V,負(fù)載電阻R=10Ω,鋸齒波的周期T=50μs。參考輸出電壓Vref=300V。當(dāng)k4=1時(shí),并聯(lián)Buck變換器電路控制模型及仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3　主從設(shè)置法下并聯(lián)Buck電路仿真模型

當(dāng)S1和S2同導(dǎo)通同關(guān)斷時(shí),其輸出波形如圖4所示。

圖4　主從設(shè)置法下并聯(lián)Buck變換器電感電流動(dòng)態(tài)仿真曲線

在圖4中,iL1為電感L1流過(guò)的電流;iL2為電感L2流過(guò)的電流,L1L2上流過(guò)的電流,由圖4可看到,在電流達(dá)到穩(wěn)定之前,iL1>iL2,而到達(dá)穩(wěn)定后,流過(guò)兩電感的電流值相等。

加入均流控制后,雖兩支路的電感值不相同,但流過(guò)兩支路的電感電流平均值是相同的,且電路的輸出電壓電流也能快速地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由圖5所示,采用均流控制的并聯(lián)直流變換器的輸出基本沒(méi)有超調(diào)。由此可知,均流控制技術(shù)能夠使電路輸出具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[6-7]。

圖5　主從設(shè)置法下并聯(lián)Buck變換器輸出電流電壓仿真曲線

3加入溫度控制的均流控制技術(shù)

在實(shí)際的場(chǎng)合中,電路的開(kāi)關(guān)管常會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)期工作在溫度較高的情況下而減少了其使用壽命。為延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)管的使用壽命,必須要降低開(kāi)關(guān)管的工作溫度。除了外界溫度,開(kāi)關(guān)管的溫升大多由電路的電感電流決定。一般情況下,溫度和電感電流的平方成正比例關(guān)系,在這里設(shè)置比例系數(shù)為λ,且不同類型的開(kāi)關(guān)管的能量損耗是不同的,溫度越高,則開(kāi)關(guān)管的損耗越大,電流增大將會(huì)引起電路中器件的溫度上升,且比例系數(shù)不同。在相同電流下,所引起的開(kāi)關(guān)管的溫度大小也不一樣[8-10],若在同一電路中使用兩個(gè)耐溫值相同但比例系數(shù)不同的開(kāi)關(guān)管,即使采用均流控制技術(shù),使得兩支路的電感電流值相同。對(duì)于兩個(gè)支路的開(kāi)關(guān)管而言,比例系數(shù)較高的開(kāi)關(guān)管必定要承受更高的溫度。若兩個(gè)開(kāi)關(guān)管所能承受的最高溫度相同,則承受更高溫度的開(kāi)關(guān)管必定會(huì)因溫度過(guò)高而出現(xiàn)損壞。而在上述情況下,讓兩個(gè)支路輸出相同的電感電流并不是最好的選擇。此時(shí)可選擇比例系數(shù)較高的開(kāi)關(guān)管所在支路的電感電流小于另一個(gè)支路的電感電流,從而達(dá)到兩個(gè)支路開(kāi)關(guān)管工作溫度相等的情況[11-12]。此時(shí)可在圖2所給的均流控制模型中加入溫度控制,溫度和電流的變化關(guān)系如下

(4)

式(4)中,T1為開(kāi)關(guān)管S1的溫度;T2為開(kāi)關(guān)管S2的溫度;λ1,λ2為溫度系數(shù),該系數(shù)與具體的開(kāi)關(guān)管有關(guān),當(dāng)增大λ2的值,要使開(kāi)關(guān)管S2的溫度T2保持不變,則iL2的值就要減小,在圖2所示的主從設(shè)置法控制框圖的基礎(chǔ)上,給出了理論控制框圖,如圖6所示。

圖6　加入溫控的均流控制框圖

在圖6中,當(dāng)溫度系數(shù)λ1=λ2時(shí),在電感L1≠L2值時(shí),輸出電感電流值穩(wěn)定后是相等的;當(dāng)開(kāi)關(guān)管S2的溫度上升時(shí),此時(shí)調(diào)節(jié)λ2的值,使λ2>λ1,令λ1=0.1,λ2=0.2,此時(shí)可得到電路的電感溫度輸出曲線,如圖7所示。

圖7　λ1與λ2不相等時(shí)電感溫度輸出曲線

在上述模型中是通過(guò)改變?chǔ)?和λ2的大小來(lái)模擬兩個(gè)開(kāi)關(guān)管S1和S2的溫度T1和T2。假設(shè)兩支路電感電流相等,當(dāng)調(diào)節(jié)λ2>λ1時(shí),實(shí)際上此時(shí)開(kāi)關(guān)管溫度T2>T1。通過(guò)圖6的控制模型,此時(shí)在外界環(huán)境溫度一定的情況下,可使得兩個(gè)支路的開(kāi)關(guān)管工作在相同溫度,這樣有助于延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)管的壽命,解決了兩支路中溫度系數(shù)較高的開(kāi)關(guān)管在均流控制的電路中工作溫度偏高的問(wèn)題。

4結(jié)束語(yǔ)

本文提出了均流控制技術(shù)在兩支路電感值不對(duì)稱情況下的應(yīng)用,通過(guò)仿真證明了均流控制的有效性。并在均流控制的基礎(chǔ)上加入溫度控制,解決了并聯(lián)Buck中兩支路開(kāi)關(guān)管能量損耗不同時(shí)承受溫度較高的開(kāi)關(guān)管易受到損壞的問(wèn)題,在該控制模型中,對(duì)于所受溫度不同的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管,承受的溫度較高的開(kāi)關(guān)管,可能較易產(chǎn)生損壞,加入溫度控制后,可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管工作在相同溫度下。

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作者簡(jiǎn)介:金愛(ài)娟(1972—),女,博士,副教授。研究方向:電力電子非線性及控制。郝陳祥(1991—),男,碩士研究生。研究方向:電力電子非線性及控制。

收稿日期:2015- 05- 05

中圖分類號(hào)TM46

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)01-087-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.01.023