基于PSIM的車載開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真*

王 毅，張博洋，包西平，雷天元，吳繼軍

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221140）

0 引言

在國(guó)家政策的大力推動(dòng)下，新能源電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展迅猛。新能源汽車的電子設(shè)備種類的增多，功率等級(jí)的增加，提出了對(duì)汽車供電電源性能更嚴(yán)苛的要求，現(xiàn)代的新能源汽車車載電源需要滿足低電壓與大電流，高功率密度、體積及較高的動(dòng)靜態(tài)等要求[1]。

在車載電源變換器中，Buck 變換器是一種常用到的DCDC 轉(zhuǎn)換器，通過(guò)高頻開(kāi)關(guān)的開(kāi)通與關(guān)閉將直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)樗枰母鞣N等級(jí)直流電壓。它是一種常用的降壓型變換器，該變換器輸出電壓平均值總是小于輸入電壓。直流電壓本來(lái)應(yīng)該是一個(gè)固定的值，但是很多時(shí)候由于電感、電容濾波不徹底，就會(huì)有剩余的交流成分，因而會(huì)產(chǎn)生紋波電壓。紋波的危害非常大，容易在設(shè)備中產(chǎn)生不期望的諧波，從而降低了電源的效率。較強(qiáng)的紋波會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓或電流，導(dǎo)致燒毀用電設(shè)備；干擾數(shù)字電路的邏輯關(guān)系，影響其正常工作；帶來(lái)噪聲干擾，使圖像設(shè)備、音響設(shè)備不能正常工作。消除紋波的方式有很多，例如，在輸出端根據(jù)實(shí)際情況使用較大容量的濾波電容和電感，或采用多級(jí)LC濾波電路，都可以有效地降低紋波電壓。但這無(wú)疑增大了設(shè)備體積，增加了設(shè)備成本。

要減少輸出電壓紋波，可以增大開(kāi)關(guān)頻率，或增大電感與濾波電容，然而一味增大電感與濾波電容無(wú)疑會(huì)增大系統(tǒng)體積，增加成本。同時(shí)，單方面完全靠提高開(kāi)關(guān)的工作頻率會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)由于工作在頻率極限使得系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，為滿足車載電源的高性能要求，在車載開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的過(guò)程中，通常采用并聯(lián)多個(gè)功率電路單元的方法來(lái)獲得更大的電流，從而滿足大功率的要求，同時(shí)可以減小輸出電流與輸出電壓紋波，同時(shí)也減小了功率開(kāi)關(guān)管與二極管的電應(yīng)力及開(kāi)關(guān)管的損耗。對(duì)于車載開(kāi)關(guān)供電電源，通常采用交錯(cuò)式并聯(lián)Buck電路[2]?？梢栽诓皇归_(kāi)關(guān)工作在頻率極限的情況下，提高系統(tǒng)的工作頻率，從而有效地減少紋波。

本文基于交錯(cuò)式并聯(lián)Buck 電路設(shè)計(jì)一款輸出電壓5 V，功率25 W 的車載供電電源，詳細(xì)介紹了電路關(guān)鍵元器件的參數(shù)設(shè)計(jì)與選擇過(guò)程，控制方式上采用雙環(huán)控制模式，詳細(xì)說(shuō)明了電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)設(shè)計(jì)流程。同時(shí)為了加快供電電源系統(tǒng)的響應(yīng)速度與減小偏差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性；采用了前饋控制，最后基于專用電力電子仿真軟件PSIM 搭建了電源系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)所構(gòu)建的開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的基于并聯(lián)式Buck 電路的開(kāi)關(guān)電源供電系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性良好，抗干擾能力強(qiáng)，達(dá)到了目標(biāo)設(shè)計(jì)要求。

1 雙Buck并聯(lián)式電路結(jié)構(gòu)

如圖1所示為基于并聯(lián)式Buck電路的車載供電電源的原理圖[3-6]，系統(tǒng)由兩套（或多套）并聯(lián)的開(kāi)關(guān)構(gòu)成，每套獨(dú)立工作。負(fù)載電流由兩個(gè)并聯(lián)關(guān)系的Buck 電路共同提供，相當(dāng)于兩個(gè)獨(dú)立的電流源并聯(lián)向負(fù)載供電。通過(guò)分別控制兩個(gè)Buck電路中MOSFET 開(kāi)關(guān)管的通斷，可以實(shí)現(xiàn)車載電源的相關(guān)性能指標(biāo)。因主電路由兩個(gè)相同的Buck 電路并聯(lián)構(gòu)成，所以兩個(gè)開(kāi)關(guān)管可以采用同一個(gè)雙閉環(huán)回路進(jìn)行控制。兩個(gè)Buck 電路的輸出電流滿足一定的比例關(guān)系，考慮到電流內(nèi)環(huán)的存在，只需設(shè)置兩個(gè)Buck 電路的電流給定值滿足相應(yīng)的比例關(guān)系即可。本次設(shè)計(jì)中要求兩個(gè)Buck電路的輸出電流比為3∶2。

圖1 雙Buck電路并聯(lián)供電電源

下面分析兩單元交錯(cuò)型Buck型電路系統(tǒng)的工作原理。

在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T，開(kāi)關(guān)脈沖輸出脈沖波形函數(shù)可表示為：

式中：D為輸出，脈沖寬度。

因此，假設(shè)在開(kāi)關(guān)第二次導(dǎo)通的間隙，插入同樣的開(kāi)關(guān)，當(dāng)此開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，此時(shí)負(fù)載上獲得的脈沖個(gè)數(shù)加倍，若開(kāi)關(guān)自恢復(fù)時(shí)間允許，理論上可以插入相當(dāng)數(shù)量的脈沖，負(fù)載上脈沖串的數(shù)量與開(kāi)關(guān)數(shù)量存在線性疊加的關(guān)系[7-9]。

采用這種線性疊加的原理可以獲得高重頻脈沖，以兩個(gè)開(kāi)關(guān)電路為例進(jìn)行分析。其工作原理是單個(gè)開(kāi)關(guān)A、B 分時(shí)等間隔開(kāi)啟與關(guān)斷，在負(fù)載上得到了具有一定頻率的連續(xù)的脈沖串，該連續(xù)脈沖串的周期與單次脈沖的周期相等，即為T(mén)。因此由式（1）可知，開(kāi)關(guān)A、B輸出脈沖波形函數(shù)分別為：

設(shè)兩個(gè)開(kāi)關(guān)單次等間隔Δt時(shí)間輸出時(shí)，由于單次開(kāi)關(guān)在不同時(shí)刻輸出脈沖并且每個(gè)開(kāi)關(guān)相互獨(dú)立工作，故對(duì)于負(fù)載，在脈沖功率源輸出一個(gè)周期T內(nèi)得到的輸出波形（為不失一般性，假設(shè)單次開(kāi)關(guān)A、B依次導(dǎo)通）可表示為：

由于開(kāi)關(guān)A、B是獨(dú)立性的系統(tǒng)，因此當(dāng)Δt＞D時(shí)，通過(guò)單次開(kāi)關(guān)線性疊加的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高重頻脈沖串輸出不會(huì)產(chǎn)生重疊部分。當(dāng)然，脈沖間隙必須大于開(kāi)關(guān)的恢復(fù)時(shí)間[10]。

由以上推論，可得交錯(cuò)并聯(lián)Buck 電路輸出頻率為傳統(tǒng)Buck電路的2倍。

2 閉環(huán)控制器設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)要求雙Buck并聯(lián)電路的輸出電壓為（5.0±0.4）V，且兩個(gè)并聯(lián)式的Buck 電路的輸出電流之比可以調(diào)節(jié)，因此需設(shè)計(jì)閉環(huán)控制器實(shí)現(xiàn)上述要求，控制目標(biāo)應(yīng)為電壓和電流。雙Buck 電路閉環(huán)控制器的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，輸入電壓為Uin，輸出電壓為Uo，其大小由開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間所決定。采用由一個(gè)三角載波與一個(gè)常數(shù)比較后獲得的PWM 波作為開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)控制常數(shù)即可改變占空比，從而改變輸出。閉環(huán)控制器采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)：外環(huán)為電壓環(huán)，用以調(diào)整輸出電壓使之跟隨給定；內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，用以使電流的輸出快速跟隨輸入[11-13]。

圖2 雙BUCK電路并聯(lián)系統(tǒng)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

2.1 電流控制器設(shè)計(jì)

由圖3易得：

式中：ton為一個(gè)關(guān)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間；T為開(kāi)關(guān)周期：Ton/T為導(dǎo)通占空比；ur為常數(shù)調(diào)制波的幅值；uc為三角載波的幅值。

根據(jù)上式可繪制為了準(zhǔn)確控制電流，應(yīng)采用PI 控制器結(jié)合前饋控制器，電流控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 電流內(nèi)環(huán)控制框圖

根據(jù)框圖得其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

電流內(nèi)環(huán)的截止頻率選為開(kāi)關(guān)率做5%，即1 000 Hz，KPWM=24?？梢赃x擇PI控制器的轉(zhuǎn)折頻率為100 Hz，經(jīng)計(jì)算可得Kip=0.5、Kii=350。

2.2 電壓控制器設(shè)計(jì)

由圖3可得：

電流回路的帶寬至少為電壓回路帶寬的4 倍，即電壓的截止頻率為250 Hz，則在分析電壓回路時(shí)電流回路的傳遞函數(shù)增益可視為1。同時(shí)為了抵消負(fù)載電流對(duì)電壓回路的擾動(dòng)，將負(fù)載電流加入電流回路的輸入端。電壓環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4所示。綜合上述兩個(gè)控制回路，可設(shè)計(jì)圖5 所示雙閉環(huán)PWM 控制回路。

圖4 電壓外環(huán)控制框圖

圖5 雙閉環(huán)PWM控制回路結(jié)構(gòu)框圖

3 仿真及結(jié)果分析

PSIM 是目前工業(yè)界最快的電力電子與電源仿真軟件，具有在短時(shí)間內(nèi)仿真大型復(fù)雜的功率變換器和控制系統(tǒng)的能力。除此之外，PSIM 的仿真引擎非常穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)其他仿真軟件如Saber，Simetrix 所遇到的收斂問(wèn)題。PSIM 將SPIM 引擎和SPICE 引擎集成在同一環(huán)境中，同時(shí)具備SPICE 級(jí)別仿真功能，如可以精確地仿真功率開(kāi)關(guān)的瞬變等復(fù)雜情況。為了驗(yàn)證上述理論分析和設(shè)計(jì)，在PSIM2021 中搭建了各模塊的模型，如圖6 所示。仿真用的參數(shù)：輸入電壓Vin=（24±2）V，輸出電壓Vo=5 V，額定功率P=5 W，電感L=5 mH，電容C=100μF，電流分配比K=3∶2，開(kāi)關(guān)頻率f=20 kHz。

圖6 仿真模型

3.1 電源靜態(tài)帶載仿真

仿真時(shí)間t=0.1 s 時(shí)，輸出電壓與兩路電感電流波形如圖7所示，其中，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為s；縱坐標(biāo)單位為電流，單位為A。利用軟件測(cè)量功能，可以看出，系統(tǒng)輸出電壓達(dá)到設(shè)定值，兩路電感電流值與電流設(shè)計(jì)的分配比保持一致，證明系統(tǒng)靜態(tài)特性良好[13-15]。

圖7 系統(tǒng)輸出電壓與兩路電感電流

3.2 電源動(dòng)態(tài)帶載仿真

設(shè)置負(fù)載電阻在0.2 s 時(shí)切換為原來(lái)的一半，輸出電壓與兩路電感電流如圖8（a）所示，其中，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為s；縱坐標(biāo)單位為電流，單位為A。從圖中所示，系統(tǒng)響應(yīng)迅速。動(dòng)態(tài)特性良好。

設(shè)置輸入電源在0.2 s 時(shí)切換為22 V，在0.3 s 時(shí)切換為26 V，輸出電壓與兩路電感電流如圖8（b）所示，從圖中所示，系統(tǒng)響應(yīng)迅速。動(dòng)態(tài)特性良好[16-19]。

圖8 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款車載開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)，介紹了各關(guān)鍵元器件的參數(shù)選擇方法，采用雙環(huán)控制模式，采用了比例-積分（PI）結(jié)合前饋控制器算法，詳細(xì)介紹了電流環(huán)與電壓環(huán)設(shè)計(jì)流程，最后采用PSIM 進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。為進(jìn)一步的硬件與軟件設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。

本文的分析與仿真均是在理想狀態(tài)下，忽略了開(kāi)關(guān)器件中關(guān)鍵寄生參數(shù)對(duì)輸出電壓的影響，也僅針對(duì)系統(tǒng)在定開(kāi)關(guān)頻率的影響展開(kāi)了分析，下一步可以研究可面向開(kāi)關(guān)器件高頻寄生參數(shù)對(duì)各個(gè)性能指標(biāo)的影響進(jìn)行分析。對(duì)系統(tǒng)電路做出更全面的分析。