應(yīng)用于并聯(lián)DC/DC變換器的新型自動(dòng)均流技術(shù)研究

吳錫淵，王　勤

（南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京211106）

應(yīng)用于并聯(lián)DC/DC變換器的新型自動(dòng)均流技術(shù)研究

吳錫淵，王勤

（南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京211106）

研究了一種應(yīng)用于并聯(lián)DC/DC變換器的基于均流誤差信號(hào)的自動(dòng)均流技術(shù)，在詳細(xì)分析其工作原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)存在的模塊故障導(dǎo)致均流失效的問(wèn)題，提出了改進(jìn)措施，即故障模塊排除方案，闡明了故障排除的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。最后通過(guò)研制一臺(tái)三相并聯(lián)BUCK變換器的原理樣機(jī)，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

并聯(lián)DC/DC變換器；自動(dòng)均流；故障排除

0　引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，以及大量電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，用戶對(duì)變換器功率和功率密度的要求也不斷提高。受目前半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件水平的限制，單臺(tái)大容量直流電源技術(shù)尚不成熟，其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)都非常困難，因而DC/DC變換器的并聯(lián)技術(shù)得到了快速發(fā)展[1-2]。

由于具有負(fù)載電流平均分布于并聯(lián)每相、電感儲(chǔ)能小、輸入輸出濾波器的開(kāi)關(guān)紋波小等優(yōu)點(diǎn)，并聯(lián) DC/DC變換器常應(yīng)用于低壓大電流的場(chǎng)合。受誤差的不可避免性和工藝水平的限制等因素影響，并聯(lián)運(yùn)行的各相變換器的參數(shù)存在差異，致使其外特性不盡相同。這將導(dǎo)致并聯(lián)系統(tǒng)帶載運(yùn)行時(shí)，各相電流不平衡，電流大的模塊中元器件承受更大的電流應(yīng)力和熱應(yīng)力，損壞幾率上升。為了防止一相或多相電源模塊運(yùn)行在電流極限值狀態(tài)，在并聯(lián)直流電源系統(tǒng)中必須引入有效的負(fù)載電流均流控制。

文獻(xiàn)[1，3-8]提出了一系列均流方法，包括模擬和數(shù)字控制。大多數(shù)數(shù)字控制均流方法都需要專門的中央處理芯片，并且有專門的信號(hào)線將各相電源模塊與中央處理芯片相連，這導(dǎo)致并聯(lián)直流電源系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)冗余[3-5]。

最大電流和平均電流自動(dòng)均流法是目前應(yīng)用最為廣泛的兩種模擬控制均流方法[6-7]。這兩種均流方法都通過(guò)均流母線來(lái)傳遞電流信號(hào)，由于采用了均流母線，即使各相模塊之間輸出特性不是非常一致，仍可以較好地實(shí)現(xiàn)均流控制。但是均流母線對(duì)噪聲比較敏感，而且它連接所有的控制電路，一旦某一并聯(lián)模塊出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)就容易崩潰。

文獻(xiàn)[8]提出了一種基于均流誤差信號(hào)的均流方法，不再采用均流母線傳遞電流信號(hào)，而將相鄰兩模塊電流信號(hào)直接傳輸?shù)酱髂K，從而獲得均流誤差信號(hào)實(shí)現(xiàn)均流。但是該方法并未解決模塊故障問(wèn)題，一旦發(fā)生模塊故障，整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)仍會(huì)受到影響，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)將癱瘓。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì)文獻(xiàn)[8]提出的方法進(jìn)行了改進(jìn)，在每個(gè)模塊的控制電路中加入了故障模塊排除電路。當(dāng)并聯(lián)系統(tǒng)某一相發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)故障模塊排除電路，可以迅速將其從系統(tǒng)中切除，同時(shí)使系統(tǒng)剩余模塊保持穩(wěn)定運(yùn)行和均流。

1　基于均流誤差信號(hào)的自動(dòng)均流技術(shù)原理

基于均流誤差信號(hào)的自動(dòng)均流技術(shù)原理如圖1所示，圖中顯示了一個(gè)并聯(lián)DC/DC變換器中的相鄰三模塊，分別為模塊n和n±1(下面以模塊n為主進(jìn)行分析)。每個(gè)模塊由變換器主電路和控制電路組成，其中變換器主電路用簡(jiǎn)化拓?fù)浔硎荆烧伎毡刃盘?hào)Dn控制開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷，產(chǎn)生電流 In輸送給負(fù)載。

圖1　新型自動(dòng)均流技術(shù)原理

圖1(a)中控制電路方框以內(nèi)的部分產(chǎn)生均流誤差信號(hào)。具體的產(chǎn)生方法如圖1(b)所示，圖中 In、In±1分別為模塊n和相鄰兩模塊的電流。將模塊n的電流與相鄰兩相電流的平均值作比較，可以得到均流誤差信號(hào)εn表達(dá)式：

然后將該誤差信號(hào)送入調(diào)節(jié)器 CΔn(s)中得到基準(zhǔn)電壓校正信號(hào) Vsn。

圖1(a)中控制電路方框以外的部分產(chǎn)生占空比信號(hào)?；鶞?zhǔn)電壓設(shè)定值 Vrn與基準(zhǔn)電壓校正信號(hào) Vsn作差，得到校正后的電壓基準(zhǔn)Vrn′。然后以 Vrn′為電壓環(huán)電壓基準(zhǔn)進(jìn)行閉環(huán)控制，得到最終需要的占空比信號(hào) Dn。Dn控制開(kāi)關(guān)管，使得模塊n的電流趨近于相鄰兩相電流的平均值。

將采用上述均流技術(shù)的電源模塊排列成菊花鏈形式[8]，模塊 n±1，n±2…的電流也將趨近于各模塊相鄰兩相電流的平均值。對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)而言，各相電流會(huì)趨向于整個(gè)系統(tǒng)的平均電流值，達(dá)到最終均流的目的。

與常用均流方法相比，基于均流誤差信號(hào)的自動(dòng)均流技術(shù)避免了與并聯(lián)DC/DC變換器各相都有連接的中央處理芯片或者均流母線的使用，排除了因?yàn)檫@些器件故障而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓的危險(xiǎn)；同時(shí)可以按照菊花鏈排列形式將并聯(lián)系統(tǒng)擴(kuò)展到任意相，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)的冗余。

2　故障模塊排除方案

采用基于均流誤差信號(hào)的自動(dòng)均流技術(shù)的并聯(lián)直流電源系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)均流，同時(shí)具有良好的冗余性、可擴(kuò)展性。但是并聯(lián)系統(tǒng)對(duì)模塊故障的容錯(cuò)能力并不突出，一旦某一模塊發(fā)生故障將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)均流效果下降甚至系統(tǒng)癱瘓。

下面取典型的斷路故障進(jìn)行分析。設(shè)定：(1)故障發(fā)生前，并聯(lián)直流電源系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行；(2)模塊 n發(fā)生斷路故障后，電流 In立刻降為0；(3)斷路瞬間，其余模塊保持不變，各模塊電流仍為系統(tǒng)總平均電流 Iavg。

斷路故障發(fā)生后，模塊n的控制電路不再起作用，電流In降為0后保持不變。根據(jù)設(shè)定，此時(shí)n-1、n-2模塊電流為Iavg，則由式(1)可知，模塊n-1的平均電流誤差信號(hào) εn-1將為正值，因此通過(guò)調(diào)節(jié)器 CΔn-1(s)(一般為 P或PI調(diào)節(jié)器)后得到的基準(zhǔn)電壓校正信號(hào) Vsn-1也為正值，從而基準(zhǔn)電壓校正值 Vrn-1′減小，相應(yīng)的占空比信號(hào) Dn-1也隨之減小，最終導(dǎo)致模塊 n-1電流減小。由此類推，模塊n+1，n±2…電流也將減小，最終將會(huì)達(dá)到以下情況：模塊n電流最小(為0)，其余模塊的電流以模塊n為界向兩側(cè)遞增。

取一個(gè)六相并聯(lián)DC/DC變換器進(jìn)行分析。假設(shè)在t時(shí)刻之前，該并聯(lián)變換器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)均流且穩(wěn)定運(yùn)行，在t時(shí)刻該并聯(lián)系統(tǒng)中的模塊4發(fā)生斷路故障，故障前后的各相電流波形如圖2所示。圖中點(diǎn)畫(huà)線表示的是故障前已經(jīng)均流的各相電流波形，其值為 Iavg，實(shí)線表示的是故障后的各相電流波形。由圖可見(jiàn)，模塊4斷路故障后，并聯(lián)系統(tǒng)各模塊的電流將不再自動(dòng)均流，而是以模塊4為界，向該模塊兩側(cè)遞增，且兩側(cè)模塊電流相對(duì)模塊4對(duì)稱。

圖2　六相并聯(lián)DC/DC變換器斷路故障前后波形

結(jié)合圖2和上述分析可以看出，斷路故障將對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)造成較大影響。一方面故障發(fā)生后各相電流變化很大，并聯(lián)系統(tǒng)失去自動(dòng)均流功能：有些模塊的電流變得很小，有些模塊的電流則變得較大，甚至超過(guò)故障前系統(tǒng)總平均電流，這將導(dǎo)致這些模塊中的元器件損壞幾率上升。

另一方面并聯(lián)系統(tǒng)的總電流將減小，達(dá)不到負(fù)載電流要求。因?yàn)楣收夏Kn的控制電路信號(hào)線與系統(tǒng)其余模塊相連，如果僅將模塊n的主電路從并聯(lián)系統(tǒng)中切除，系統(tǒng)其余模塊仍會(huì)受到模塊n的影響。

為防止故障對(duì)系統(tǒng)其余模塊造成影響，保證系統(tǒng)能在故障發(fā)生后繼續(xù)穩(wěn)定工作，不僅需要在模塊n發(fā)生故障后將該模塊的主電路從并聯(lián)系統(tǒng)中切除，還需要將該模塊的控制電路從并聯(lián)系統(tǒng)中切除，亦即將模塊n控制電路的信號(hào)傳輸線切除。但直接切除信號(hào)傳輸線將導(dǎo)致并聯(lián)系統(tǒng)分為兩個(gè)獨(dú)立部分，且兩部分都不能自動(dòng)均流。針對(duì)這種情況，本文提出了一種方案：對(duì)模塊n均流單元的信號(hào)傳輸線進(jìn)行“重構(gòu)”，從而變相地將該均流單元切除。

將圖1中控制電路的均流誤差信號(hào)產(chǎn)生部分轉(zhuǎn)化為圖3(a)所示形式，下面稱其為“均流單元”。圖3(a)中，實(shí)線是該環(huán)節(jié)向外部傳輸信號(hào)的信號(hào)輸出線，虛線是向該環(huán)節(jié)內(nèi)部傳輸信號(hào)的信號(hào)輸入線。

均流單元進(jìn)行信號(hào)傳輸線“重構(gòu)”之后的連接方式如圖3(b)所示。由圖可以看出，“重構(gòu)”后均流單元的信號(hào)輸出線3、4不再傳輸模塊n的電流信號(hào)In，不再與本模塊電流信號(hào)線1相連，而是分別與傳輸相鄰兩模塊電流信號(hào)的信號(hào)輸入線6、5相連：模塊n-1的電流信號(hào)In-1將通過(guò)信號(hào)線5和4傳輸?shù)侥Kn+1的均流單元，模塊n+1的電流信號(hào) In+1傳輸方式相同?！爸貥?gòu)”后，模塊n均流單元中的模塊電流信號(hào)線1和均流誤差信號(hào)線2不再傳輸信號(hào)，均流單元不再對(duì)模塊n控制電路產(chǎn)生影響。

圖3　均流單元“重構(gòu)”前后傳輸線連接方式

因此，通過(guò)信號(hào)傳輸線的“重構(gòu)”，就可以“繞過(guò)”模塊n的均流單元，將其從原并聯(lián)系統(tǒng)的均流單元的菊花鏈結(jié)構(gòu)中切除，同時(shí)將剩余模塊的均流單元重新組合成一個(gè)新的、完整的菊花鏈結(jié)構(gòu)。對(duì)模塊n的均流單元“重構(gòu)”后，該模塊的故障不再對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)剩余模塊的均流造成影響。此時(shí)若模塊n主電路已經(jīng)切除，剩余模塊可以組合成一個(gè)新的并聯(lián)直流電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后各模塊能夠自動(dòng)均流，且因?yàn)榇藭r(shí)只有n-1個(gè)模塊向負(fù)載供電，為達(dá)到負(fù)載電壓要求，各模塊電流較故障前略有增大。

3　仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文研究的基于均流誤差信號(hào)的自動(dòng)均流技術(shù)以及提出的故障模塊排除方案的可行性，進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)。以BUCK變換器作為并聯(lián)直流電源系統(tǒng)中各模塊主電路拓?fù)?，三個(gè)相同模塊并聯(lián)后給負(fù)載供電，各模塊之間除了輸出端通過(guò)負(fù)載連接在一起外，相鄰兩個(gè)模塊間還有兩條信號(hào)線相連。該仿真和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢詳U(kuò)展到多相，這里僅驗(yàn)證原理所以取三相并聯(lián)。

仿真和實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

表1　三相并聯(lián)DC/DC變換器參數(shù)

3.1仿真驗(yàn)證

在Saber中搭建了采用基于均流誤差信號(hào)的自動(dòng)均流技術(shù)的三相并聯(lián)DC/DC變換器的仿真模型，仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4　三相變換器均流前后各相電流波形

圖5　三相并聯(lián)變換器故障及“重構(gòu)”前后各相電流波形

圖4(a)顯示的是未均流時(shí)并聯(lián)系統(tǒng)三模塊的電流波形，其中模塊1為實(shí)線，模塊2為虛線，模塊3為點(diǎn)劃線，后續(xù)各圖亦然。由圖可見(jiàn)，此時(shí)三相電流并不相等，模塊2電流明顯大于其余模塊。

圖4(b)顯示的是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)均流后三模塊的電流波形圖。由圖可以看出，此時(shí)三個(gè)模塊電流波形重合，這表明并聯(lián)系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了三模塊自動(dòng)均流。

圖5(a)顯示的是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)均流后于某一時(shí)刻發(fā)生模塊2斷路故障的電流波形圖。如圖所示，模塊2發(fā)生斷路故障后，兩側(cè)的模塊1和3電流上升且保持相等為4 A，并聯(lián)系統(tǒng)輸出總電流下降為8 A，導(dǎo)致輸出電壓下降，而這與上一節(jié)分析一致。

圖5(b)顯示的是模塊 2故障后于某一時(shí)刻進(jìn)行均流環(huán)節(jié)線路“重構(gòu)”的電流波形圖。由圖可見(jiàn)，在線路“重構(gòu)”后，模塊1和3電流上升至5 A，并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓重新上升到3 V，模塊2不再對(duì)系統(tǒng)造成影響。這表明“重構(gòu)”方法能夠排除模塊斷路故障。

3.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述分析，搭建了采用新型自動(dòng)均流技術(shù)的三相并聯(lián)DC/DC變換器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試，得到圖6所示實(shí)驗(yàn)波形，這些實(shí)驗(yàn)波形與仿真波形一一對(duì)應(yīng)。

圖6　三相并聯(lián)DC/DC變換器實(shí)驗(yàn)波形

從圖中可以看出：(1)采用新型自動(dòng)均流技術(shù)的三相并聯(lián)DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)了均流，各模塊電流波形基本重合；(2)均流單元的“重構(gòu)”方案實(shí)現(xiàn)了模塊 2斷路故障后的排除，“重構(gòu)”后輸出電壓回升至額定值，1、3模塊電流平分負(fù)載電流；(3)實(shí)驗(yàn)波形整體穩(wěn)定，僅在模塊 2故障發(fā)生時(shí)有波動(dòng)，這是模塊2附加的斷路故障產(chǎn)生電路引起的，不影響結(jié)果分析。

4　結(jié)論

通過(guò)理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，本文研究的應(yīng)用于并聯(lián)DC/DC變換器的新型自動(dòng)均流技術(shù)方便可行，可以較好地實(shí)現(xiàn)多相并聯(lián)系統(tǒng)的均流；提出的均流單元“重構(gòu)”方法切實(shí)有效，在并聯(lián)系統(tǒng)某一模塊發(fā)生故障后可以快速將故障模塊切除，同時(shí)將剩余模塊重新組合為一個(gè)新的并聯(lián)DC/DC變換器，繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)均流。參考文獻(xiàn)

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Research on a novel automatic current-sharing technique for parallel DC/DC converter

Wu Xiyuan，Wang Qin
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China）

A new type of automatic current-sharing technique for parallel DC/DC converter is studied,and the principle of the current-sharing technique is analyzed in detail.On the basis of this,the improvement is made,the exclusion scheme of fault module is put forward,and the realization process of fault elimination is clarified.At last,the principle prototype of a three phase parallel BUCK converter is developed,so that the correctness of theoretical analysis is verified.

parallel DC/DC converter；automatic current-sharing；trouble shooting

TM46

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.037

2015-10-22)

吳錫淵(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子變換及新能源技術(shù)。

王勤(1967-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：新能源供電及功率電子變換技術(shù)。

中文引用格式：吳錫淵，王勤.應(yīng)用于并聯(lián) DC/DC變換器的新型自動(dòng)均流技術(shù)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42 (5)：135-138.

英文引用格式：Wu Xiyuan，Wang Qin.Research on a novel automatic current-sharing technique for parallel DC/DC converter[J]. Application of Electronic Technique，2016，42(5)：135-138.