直流變換器并聯(lián)運行時的環(huán)流和振蕩控制

1、直流變換器并聯(lián)運行時的環(huán)流和振蕩控制        摘要： 圖1    兩個正激電源模塊并聯(lián)系統(tǒng)     圖1模塊1中，S1是同步整流管，S2是續(xù)流管，L1是濾波電感，C2是濾波電容，R是并聯(lián)系統(tǒng)的負載。S3是MOSFET開關(guān)，控制變壓器原邊線圈的導(dǎo)通。C1和D4構(gòu)成變壓器原邊線圈的續(xù)流回路。     由于S1代替了原來的二極管，使得原本只能單向?qū)ǖ闹?，允許反向電流通過。在并聯(lián)系統(tǒng)中，當兩個模塊之間存在差異時，輸出電壓會有

2、差值，這是導(dǎo)致整流回路出現(xiàn)環(huán)流的主要原因。     兩個模塊的輸入電壓相同，控制方式都相同，當其中一個模塊的參考電壓較高時，這里假設(shè)模塊2的參考電壓較高，就會導(dǎo)致S7的導(dǎo)通角要大于S3，使模塊2的輸出電壓較高。     這時，從輸出端看，可以將兩個模塊分別等效為理想電壓源與電阻串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。如圖2所示。 圖2    并聯(lián)等效電路     從圖2可以很明顯地看出，當Vout2>Vout1時，極有可能構(gòu)成回路，產(chǎn)生環(huán)流。 2    產(chǎn)生自激振蕩時

3、的理論分析1     由于環(huán)流現(xiàn)象的存在，使得如圖1所示的并聯(lián)運行的電源系統(tǒng)會產(chǎn)生自激振蕩現(xiàn)象。     根據(jù)開關(guān)狀態(tài)不同，可以分為4個時段。     1）狀態(tài)1    S3關(guān)斷，S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通。     此時模塊1的等效電路如圖3所示。圖中Lm是變壓器的勵磁電感，Cp是變壓器原邊等效到副邊的電容值，S1，S2和S3關(guān)斷時分別等效成電容CS1，CS2和CS3，V2是輸出電壓。     Cp=n2CS3（1） 式中

4、：n為變壓器變比。 圖3    等效電路1     此時vS2=0，加在S1兩端的電壓為     vS1=Lm（2）     iLm=(n2CS3CS1)（3）     L1=V2（4）     由于S1由導(dǎo)通到關(guān)斷，vS1的初值為零，可以得到     vS1(t)=iLm0Lmsin(t)（5）     iLm(t)=vS1dtiLm0（6）  

5、   iL1(t)=tiL10（7） 式中：iL10和iLm0為iL1和iLm的初始值。     =（8）     當vS1減小到零時，進入狀態(tài)2。     2）狀態(tài)2    S3關(guān)斷，S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷。此時的等效電路圖如圖4所示。 圖4    等效電路2     此時有vS1=0。且     vS2=Lm（9）     iLm=iL1

6、(n2CS3CS2)（10）     vS2L1=V2（11）     由于vS2的初始值為零，可以得到     vS2(t)=（12）     iLm(t)=vS2dtiLm0（13）     iL1(t)=vS2dttiL10（14） 式中：     A2=（15）         =（16）     &

7、#160;   2=arctan（17） 其中：iLm0和iL10為iL1和iLm在第二階段的初始值；       Ts為單位時間。     3）狀態(tài)3    S3導(dǎo)通，S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷。此時的等效電路圖如圖5所示。 圖5    等效電路3     V1/n是變壓器副邊繞組的電壓，此時iL1和iLm都線性增長。     iL1(t)=tiL10（18）   

8、;  iLm(t)=tiLm0（19）     4）狀態(tài)4    S3關(guān)斷，S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷。此時的等效電路圖和狀態(tài)2是相同的，所有量的時間函數(shù)表達式也都相同，只是初始值不同。 3    仿真和實驗結(jié)果     為了驗證上述環(huán)流和振蕩現(xiàn)象的分析結(jié)果，用Pspice對圖1所示的兩個自驅(qū)動的電源模塊系統(tǒng)進行了仿真，并制作了實驗?zāi)K。     仿真和實驗系統(tǒng)的主要參數(shù)為：輸入電壓60V，輸出電壓5V，開關(guān)頻率為200kHz。并使模塊2單獨運

9、行時的輸出電壓略高于模塊1的輸出電壓。     圖6和圖7分別為仿真結(jié)果和實驗結(jié)果。其中V1為模塊1中整流管S1源漏極之間的電壓；V3為開關(guān)管S3源漏極之間的電壓。 圖6    仿真波形 圖7    實驗波形     仿真結(jié)果和實驗結(jié)果表明，由于環(huán)流的存在，使得在并聯(lián)系統(tǒng)中出現(xiàn)了自激振蕩現(xiàn)象。 4    解決環(huán)流及振蕩問題的幾種措施     并聯(lián)運行的電源模塊出現(xiàn)環(huán)流和振蕩后，會影響系統(tǒng)的正常工作。必須采取適當?shù)拇胧?/p>

10、避免環(huán)流和振蕩現(xiàn)象的產(chǎn)生?？梢圆扇∪缦麓胧?。 4.1    電阻器法 開關(guān)電源開關(guān)電源的輸出要求不高時，可以使用本方法。 4.2    采用檢測的手段加以控制消除 開關(guān)電源模塊中加入電流檢測器，當某一模塊的電流發(fā)生非正常變化時，將檢測到的信號送到控制器，控制器通過控制電路使該模塊恢復(fù)正常工作，防止環(huán)流現(xiàn)象的發(fā)生。     這種方法可以與均流控制相結(jié)合，在防止環(huán)流產(chǎn)生的同時，使電流在各個模塊之間均勻分配。 4.3    改變整流MOSFET的驅(qū)動   

11、60; 圖8所示為一自驅(qū)動同步整流模塊。 圖8    自驅(qū)動的電源模塊     電路在多模塊并聯(lián)運行時，當某一模塊因某種原因停止輸出電壓時，由于其它模塊仍在工作，且該模塊輸出端與其它模塊相聯(lián)，故輸出電壓Vout仍然存在。這時雖然該模塊不工作，但是由于結(jié)構(gòu)上的原因，S1和S2的源極與漏極的電壓為Vds=Vout，柵極與漏極的電壓為Vgs=Vout，因此S1和S2都導(dǎo)通，從而將Vout短路，勢必導(dǎo)致環(huán)流。     改進后的自驅(qū)動模塊如圖9所示。 圖9    改進自驅(qū)動的電源模塊

12、    S5和S6是P溝道MOSFET。當模塊正常工作時，S5和S6只起驅(qū)動電壓緩沖作用，不影響S1和S2的驅(qū)動電壓波形。當模塊不工作時，雖然Vout仍然存在，但由于S5和S6的阻斷，電壓Vout不能加到S1和S2的柵極上，而且由于電阻R5和R6，靜電不會在柵極上積累，此時S1和S2的管腳電壓為Vds=Vout及Vgs=0。因此，S1和S2都不會導(dǎo)通。這樣便有效地改進了自驅(qū)動結(jié)構(gòu)。     整流MOSFET的驅(qū)動不用自驅(qū)動，而用他驅(qū)動。將前面的單整流MOSFET結(jié)構(gòu)按此方法修改后如圖10所示。整流MOSFET S1的柵極接到PWM控制電路上，改變了原來的十字交*（Cross-coupled）結(jié)構(gòu)，避免了環(huán)流和振蕩的產(chǎn)生。 圖10    他驅(qū)動方案1    將有兩個整流MOSFE