輸入串聯(lián)型多輸出變換器控制策略設(shè)計與實現(xiàn)

孟　濤，顧冰冰

(1. 黑龍江大學(xué) 機電工程學(xué)院，哈爾濱 150080；2. 遼河石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院,遼寧 盤錦 124010)

?

輸入串聯(lián)型多輸出變換器控制策略設(shè)計與實現(xiàn)

孟濤1，顧冰冰2

(1. 黑龍江大學(xué) 機電工程學(xué)院，哈爾濱 150080；2. 遼河石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院,遼寧 盤錦 124010)

基于變壓器集成的輸入串聯(lián)型直流變換器適合高壓輸入、多輸出的中小功率領(lǐng)域應(yīng)用。針對該類變換器各串聯(lián)電路同步開關(guān)工作的特點，提出一種各串聯(lián)電路共用一套控制電路的控制策略。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合所提控制策略，介紹了基于峰值電流模式的控制電路實現(xiàn)方案。最后，搭建了一臺60 W的具有3個串聯(lián)電路的實驗樣機，實驗結(jié)果證明了所提方法的可行性。

輸入串聯(lián)；多輸出；變壓器集成；峰值電流型控制

在電力電子領(lǐng)域，關(guān)于高頻開關(guān)電源及其相關(guān)技術(shù)的研究已經(jīng)比較成熟，各種不同功率等級的開關(guān)電源已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用的各個領(lǐng)域。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，各種用電設(shè)備的種類越來越多，其供電電源的輸入電壓等級也不盡相同。目前，各種高壓輸入場合逐漸增多。例如，在城市軌道交通系統(tǒng)中，車輛的供電電網(wǎng)一般有750 VDC和1 500 VDC兩種體制，其中，后者的最大電壓可達1.8 kV以上；在高速鐵路電氣系統(tǒng)中，車輛上各電氣設(shè)備輸入直流母線的最大電壓高達2～4 kV；在礦業(yè)生產(chǎn)中，高壓大功率采煤機變頻器的輸入電壓可達2～3 kV甚至更高；在現(xiàn)代能源互聯(lián)網(wǎng)中，柔性直流配電網(wǎng)的中壓直流互聯(lián)母線電壓可高達10 kV[1-3]。

受器件電壓等級等因素的限制，如何有效地降低各開關(guān)器件的電壓應(yīng)力一直是高壓變換器設(shè)計過程中的難點。采用多個電路在輸入側(cè)串聯(lián)的方式可有效地解決高壓變換器電壓應(yīng)力大的問題[3-5]。目前，對于輸入串聯(lián)型直流變換器的研究大都集中在該類變換器的均壓、均流控制方法方面。然而采用已有的各種均壓、均流控制方法必然要增加一個高精度的控制器，這無疑增加了控制環(huán)節(jié)的復(fù)雜程度，降低了變換器的可靠性，因此，相關(guān)的控制方法不適合在中、小功率變換器中應(yīng)用[6-12]?；谧儔浩骷傻妮斎氪?lián)型直流變換器，各串聯(lián)電路同步開關(guān)工作，利用變壓器各原邊繞組的耦合自動實現(xiàn)輸入均壓，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的優(yōu)勢。另外，其各串聯(lián)電路共用一個功率變壓器以及一組輸出電路，因此非常適合需要多路輸出的中、小功率領(lǐng)域應(yīng)用[13-15]。

本文以各串聯(lián)電路單元采用反激式拓撲、基于變壓器集成的輸入串聯(lián)型多輸出直流變換器為例，對該類變換器的控制策略進行研究，并設(shè)計了基于UC3844芯片的峰值電流型控制電路。最后，建立了一臺60 W的具有3個串聯(lián)電路的該類變換器實驗樣機進行實驗驗證。

1　輸入串聯(lián)型多輸出直流變換器

基于變壓器集成的輸入串聯(lián)型多輸出直流變換器結(jié)構(gòu)見圖1。該變換器的變壓器原邊由N個反激式電路拓撲串聯(lián)組成，其中：Ui為直流輸入電壓，Ui1,Ui2,…,UiN為各串聯(lián)電路的輸入電壓，Ci1,Ci2,…,CiN(Ci1=Ci2=…=CiN)為各串聯(lián)電路輸入側(cè)的濾波電容，S1, S2,…, SN為開關(guān)管；RC1,RC2,…,RCN(RC1=RC2=…=RCN)，CC1,CC2,…,CCN(CC1=CC2=…=CCN)，以及DC1, DC2,…, DCN分別為各串聯(lián)反激式電路中RCD吸收電路的電阻、電容以及二極管器件；各串聯(lián)的反激式電路共同一個功率變壓器T以及n個輸出回路，各串聯(lián)電路的變壓器原邊電感繞制在相同的磁路上并且互相耦合，Li1,Li2,…,LiN(Li1=Li2=…=LiN)與Llk1,Llk2,…,LlkN分別為各串聯(lián)反激式電路的變壓器原邊等效電感與等效漏感值，Lo1,Lo2,…,Lon為各輸出回路的變壓器副邊電感值；Do1, Do2,…, Don為各輸出回路的整流二極管，Co1,Co2,…,Con為各輸出回路的濾波電容，Uo1，Uo2，…，Uon為各輸出回路的直流輸出電壓。

該變換器各串聯(lián)的反激式電路具有相同的器件參數(shù)，并且N個開關(guān)管同時開通與關(guān)斷，利用變壓器各原邊繞組的相互耦合作用，實現(xiàn)了各串聯(lián)反激式電路的輸入均壓。

2　控制策略設(shè)計

輸入串聯(lián)型多輸出直流變換器的電路結(jié)構(gòu)見圖1，由于各串聯(lián)電路的開關(guān)管同時開通與關(guān)斷，因此這里提出一種各串聯(lián)電路共用一套控制電路的控制策略。變換器控制策略的基本實現(xiàn)方案見圖2，其具體控制思路為：

1) 選擇峰值電流型控制模式，各串聯(lián)電路共用一套控制電路。

2) 在變換器的各輸出回路中，采集輸出功率較大回路的輸出電壓作為控制電路外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器的反饋輸入信號(這里選擇Uo1作為反饋輸入信號)，Uref為外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器的給定。

3) 外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為控制電路內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器的給定，采集各串聯(lián)電路中任意一個開關(guān)管的電流作為控制電路內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器的反饋輸入信號(這里選擇處于電位最低位置開關(guān)管的電流作為反饋輸入信號，見圖2中的IS1)。

4) 將控制電路輸出的PWM信號經(jīng)過相應(yīng)的驅(qū)動電路后轉(zhuǎn)變?yōu)镹個完全相同的開關(guān)管驅(qū)動信號來控制該變換器各開關(guān)管的開通與關(guān)斷。

3　控制電路的組成

本文設(shè)計的峰值電流型控制電路包括PWM控制電路、電壓電流采樣電路以及輔助電源電路。

圖2　輸入串聯(lián)型多輸出直流變換器的控制策略Fig.2　Control strategy of the input-series multiple-output DC/DC converter

圖3　UC3844的外圍電路Fig.3　Peripheral circuit of UC3844

3.1PWM控制電路

這里選擇UC3844芯片作為PWM控制器。UC3844是一種典型的峰值電流型PWM控制器，它內(nèi)部主要由5 V基準電壓源、振蕩器、誤差放大器、電流測定比較器、脈寬調(diào)制鎖存器以及適用于驅(qū)動功率MOSFET開關(guān)管的推挽輸出電路等構(gòu)成。本文設(shè)計PWM控制器UC3844的外圍電路見圖3。其中，引腳1、2分別為誤差放大器的輸出端和反向輸入端，在這里構(gòu)成電壓反饋環(huán)的調(diào)節(jié)器部分，引腳2輸入電壓反饋信號；引腳3為電流比較器的輸入端，這里輸入電流反饋信號；引腳4接RC振蕩電路，這里通過RC參數(shù)的設(shè)計來確定UC3844的輸出信號頻率；引腳5為控制電路的公共端；引腳6為UC3844的PWM信號輸出端；引腳7為UC3844的電源引腳(VCC)；引腳8為UC3844輸出的基準電源電壓(Vref=5 V)。

3.2電壓、電流采樣電路

輸出電壓采樣電路設(shè)計見圖4 (a)。它采用三端可控基準源TL431來反饋輸出電壓，將其誤差電壓放大，驅(qū)動線性光耦PC817的原邊發(fā)光二極管，光耦副邊的三極管將輸出電壓反饋信號輸入到UC3844的引腳2，進而控制開關(guān)管的開通與關(guān)斷。

TL431的參考端(R)和陽極(A)之間是穩(wěn)定的2.5 V基準電壓，它將電路中取樣電阻(R11和R12)上的電壓穩(wěn)定在2.5 V。當(dāng)輸出電壓(這里為Uo1)增加，那么經(jīng)R11和R12分壓后的電壓(即TL431的R和A之間電壓)大于2.5 V，流過TL431的電流增加，其陰極電壓下降，這使得PC817原邊發(fā)光二極管的電流增加，副邊三極管導(dǎo)通壓降減小，進而通過PWM控制器使得開關(guān)管的導(dǎo)通占空比減小，從而降低輸出電壓；反之，當(dāng)輸出電壓減小，那么經(jīng)R11和R12分壓后的電壓(即TL431的R和A之間電壓)小于2.5 V，流過TL431的電流減小，其陰極電壓上升，這使得PC817原邊發(fā)光二極管的電流減小，副邊三極管導(dǎo)通壓降增加，進而通過PWM控制器使得開關(guān)管的導(dǎo)通占空比增加，從而提升輸出電壓。

內(nèi)環(huán)電流采樣電路設(shè)計見圖4(b)。在各串聯(lián)電路中，選擇處于電位最低位置開關(guān)管(S1)的電流作為采樣信號，將該電流采樣信號通過電阻R21轉(zhuǎn)換成一定比例的電壓信號，再經(jīng)過RC低通濾波后作為內(nèi)環(huán)電流反饋信號輸入到PWM控制器UC3844的引腳3。

圖4　電壓、電流采樣電路Fig.4　Sampling circuits of voltage and current

圖5　輔助電源電路Fig.5　Auxiliary power supply current

3.3輔助電源電路

輔助電源電路設(shè)計見圖5。變換器在啟動之前，在輸入電壓Ui的作用下，電容C41首先被充電(R41為其充電的限流電阻，18 V的穩(wěn)壓二極管D41限制了電容C41的電壓)，充電后的電容C41通過二極管D42為UC3844芯片供電(此時二極管D43截止)，在電容C41的放電持續(xù)時間內(nèi)，變換器實現(xiàn)了初步的啟動；之后，變換器的輔助輸出(電壓Uof=20 V)通過二極管D43向UC3844芯片供電以實現(xiàn)控制電路的持續(xù)工作(此時二極管D42截止)，并最終使得變換器穩(wěn)定運行。

4　實驗驗證及實驗結(jié)果分析

為了驗證本文所提控制策略及其實現(xiàn)方案，搭建了一臺由3個反激式電路在輸入側(cè)串聯(lián)(N=3)構(gòu)成的，并且具有兩路輸出(n=2)的直流變換器實驗平臺進行實驗研究。該實驗平臺的關(guān)鍵參數(shù)為：輸入電壓Ui=1 500 V (1 200～1 800 V波動)；最大輸出功率為60 W；2路輸出Uo1=Uo2=24 V，Io1=1.5 A、Io2=1 A；輸入濾波電容Ci1=Ci2=Ci3=0.1 μF；開關(guān)頻率為50 kHz；集成變壓器原、副邊繞組匝數(shù)比為4.4：1，Li1=Li2=Li3=2.73 mH。RC1=RC2=RC3=43 kΩ，CC1=CC2=CC3=0.01 μF；Co1=Co2=1 000 μF。

變換器3個串聯(lián)反激式電路輸入電壓的測量結(jié)果見表1。其中：各串聯(lián)電路的輸入電壓是當(dāng)變換器工作在滿載(60 W)時，通過萬用表的直流電壓檔在變換器輸入電壓不同的情況下測量獲得，可見，在采用本文所提控制策略的情況下，該變換器3個串聯(lián)電路的輸入電壓差異很小，具有很好的均壓效果。

為當(dāng)輸入電壓為1 500 V左右時，在變換器主輸出回路負載突變(輸出電流Io1=0.32～1.5 A)的情況下，變換器的3個串聯(lián)電路輸入電壓的交流量暫態(tài)波形見圖6。由圖6可見，在采用本文所提控制策略的情況下，該變換器各串聯(lián)電路輸入電壓的變化過程基本一致，具有較好的動態(tài)均壓效果。

表1　各串聯(lián)電路的輸入電壓測試結(jié)果

圖6　當(dāng)Ui≈1 500 V時主輸出回路負載突變情況下各串聯(lián)電路的輸入電壓(交流檔)Fig.6　Response in each input voltage of series circuit to a stepped of the main output when Ui≈1 500 V (AC coupling)

圖7　當(dāng)Ui≈1 500 V時主輸出回路負載突變情況下的輸出電壓(交流檔)Fig.7　Response of the main output voltage (AC coupling) to a step change of its load current when Ui≈1 500 V

當(dāng)輸入電壓為1 500 V左右時，在變換器主輸出回路負載突變(輸出電流Io1=0.32～1.5 A)的情況下，該路輸出電壓中的交流量暫態(tài)波形見圖7。由圖7可見，在采用本文所提控制策略的情況下，該變換器展現(xiàn)了很好的輸出電壓閉環(huán)控制特性。

當(dāng)輸入電壓為1 500 V左右時，在變換器主輸出回路負載突變(輸出電流Io1=0.32～1.5 A)的情況下，變換器兩個輸出回路的輸出電壓波形見圖8。當(dāng)輸入電壓為1 500 V左右時，在變換器第二輸出回路負載突變(輸出電流Io2=0.35～1 A)的情況下，變換器兩個輸出回路的輸出電壓波形見圖9。由圖8、圖9可見，在采用本文所提控制策略的情況下，變換器同樣具備常規(guī)反激式直流變換器本身具有的多輸出交錯特性好的優(yōu)勢。

圖8　當(dāng)Ui≈1 500 V時Io1突變情況下Uo1、Uo2波形Fig.8　Waveforms of Uo1, Uo2 to a step change of Io1 when Ui≈1 500 V

圖9　當(dāng)Ui≈1 500 V時Io2突變情況下Uo1、Uo2波形Fig.9　Waveforms of Uo1, Uo2 to a step change of Io2 when Ui≈1 500 V

5　結(jié)　論

本文針對適合高壓輸入、多輸出中小功率領(lǐng)域應(yīng)用，基于變壓器集成的輸入串聯(lián)型直流變換器，提出一種各串聯(lián)電路共用一套控制電路的控制策略。文中采用峰值電流型控制模式，通過采集輸出功率最大回路的輸出電壓作為控制電路外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器的反饋輸入信號，采集各串聯(lián)電路中任意一個開關(guān)管的電流作為控制電路內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器的反饋輸入信號，完整地對所提控制策略的實現(xiàn)電路進行了設(shè)計。最后，搭建了一臺60 W的具有3個串聯(lián)電路的實驗樣機進行實驗研究，相關(guān)的實驗結(jié)果證明了文中所提方法的可行性。

[1]趙彪, 趙宇明, 王一振, 等. 基于柔性中壓直流配電的能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2015, 35(19): 4843-4851.

[2]趙清良, 劉清, 曾明高. 城軌地鐵車輛輔助電源系統(tǒng)研究與發(fā)展[J]. 機車電傳動, 2012, 1: 52-57.

[3]Fang T, Ruan X, Tse C K. Control strategy to achieve input and output voltage sharing for input-series output-series connected inverter systems [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(6): 1585-1596.

[4]張先進, 陳杰, 龔春英. 輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)直流變壓器[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報, 2010, 42(1): 30-36.

[5]Abbate C, Busatto G, Iannuzzo F. High-voltage, high-performance switch using series-connected IGBTs [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(9): 2450-2459.

[6]Kim J W, You J S, Cho B H. Modeling, control, and design of input-series-output parallel-connected converter for high-speed-train power system [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2001, 48(3): 536-544.

[7]Ayyanar R, Giri R, Mohan N. Active input-voltage and load-current sharing in input-series and output-parallel connected modular DC-DC converters using dynamic input-voltage reference scheme [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2004, 19(6): 1462-1473.

[8]Grbovic P J. Master/slave control of input-series-and output-parallel-connected converters: concept for low-cost high-voltage auxiliary power supplies [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2009, 24(2): 316-328.

[9]Kimball J W, Mossoba J T, Krein P T. A stabilizing, high-performance controller for input series-output parallel converters [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2008, 23(3): 1416-1427.

[10] 陳杰, 刁立軍, 林文立, 等. 輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)全橋變換器的無電流傳感器均壓均流控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2012, 27(6): 126-130.

[11] Siri K, Willhoff M, Conner K. Uniform voltage distribution control for series connected DC-DC converters [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(4): 1269-1279.

[12] 莊凱, 阮新波. 輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)逆變器的分布式均壓控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2009, 24(5): 108-113.

[13] 陳濤，劉源，王中鮮，等.多功能坐便器的開發(fā)及其在家庭醫(yī)療監(jiān)測中的應(yīng)用[J].黑龍江大學(xué)工程學(xué)報，2016，7(1)：73-78.

[14] Sha D, Deng K, Liao X. Duty cycle exchanging control for input-series-output-series connected two PS-FB DC-DC converters [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(3): 1490-1501.

[15] Meng T, Li C, Ben H, et al. An input-series flyback auxiliary power supply scheme based on transformer-integration for high-input voltage applications [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(9): 6383-6393.

Design and implementation of the control strategy for an input-series multiple-output converter

MENG Tao1, GU Bing-Bing2

(1.SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China; 2.LiaohePetroleumCareerTechnicalCollege,Panjin124010,Laoning,China)

The input-series DC converters based on transformer-integration are suitable for multiple-output medium or high power applications with high voltage input. The series-modules of these converters operate synchronously, and aim at this feature, a control strategy is proposed that only one control circuit is used for all the series-modules. On this basis, a control circuit scheme based on the peak current mode is presented according to the proposed control strategy. Finally, a 60W experimental prototype with three series-modules is built, and the feasibility of the proposed method is verified by the experimental results.

input-series; multiple-output; transformer-integration; peak current control

10.13524/j.2095-008x.2016.02.032

2016-04-05

中國博士后科學(xué)基金特別資助項目(2014T70332)

孟濤(1980-)，男，遼寧盤錦人，副教授，博士，研究方向：有源功率因數(shù)校正、高頻功率變換，E-mail:mengtao@hit.edu.cn。

TM464

A

2095-008X(2016)02-0090-06