輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)半橋變換器均流分析和試驗(yàn)

1、    輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)半橋變換器均流分析和試驗(yàn)    輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)半橋變換器均流分析和試驗(yàn)    類別：電源技術(shù)      摘要: 以半橋變換器為基本單元，提出了一種適合于低電壓、大電流的輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)半橋組合變換器。該結(jié)構(gòu)利用單個(gè)半橋變換器本身的電容作為輸入均壓電容，無需另加輸入均壓電容;拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中各模塊共用一對(duì)電容橋臂，這樣減少了主電路中電容的數(shù)量，結(jié)構(gòu)簡單。對(duì)變換器進(jìn)行了統(tǒng)一建模，分析了其特點(diǎn)和規(guī)律，并

2、對(duì)不均流因素進(jìn)行了探討。提出了相應(yīng)的均流控制方案，同時(shí)引進(jìn)了交錯(cuò)控制技術(shù)。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，具有很好的均流效果和輸出特性，證明了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其相應(yīng)控制策略的正確性。 0 引言 輸入端并聯(lián)輸出端并聯(lián)變換器適用于要求大電流、低電壓、安全、可靠等電源系統(tǒng)，例如交換機(jī)、服務(wù)器等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。各個(gè)變換器模塊處理較少的功率，不但降低了開關(guān)應(yīng)力，還可以應(yīng)用冗余技術(shù)，提高系統(tǒng)的可靠性。多個(gè)開關(guān)電源模塊靈活地并聯(lián)組合成大功率分布式電源體系，是目前實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源大功率化的主要途徑。 由于各個(gè)模塊器件參數(shù)存在差異，其結(jié)果必然導(dǎo)致各個(gè)模塊承受的功率不均衡，因此，各模塊之間必須采取均流措施，這是實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。 目前，

3、比較成熟的均流方法有:輸出阻抗法、主從設(shè)置法、按平均電流自動(dòng)均流法、按最大電流自動(dòng)均流法、按熱應(yīng)力自動(dòng)均流法、外加均流控制器法等。本文在詳細(xì)分析該結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合交錯(cuò)控制給出了控制方案，并通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略的正確性。 1 輸入端并聯(lián)輸出端并聯(lián)半橋變換器特性及其不均流因素分析 1.1 變換器建模分析 以2 個(gè)半橋變換器為基本單元，進(jìn)行輸入端并聯(lián)輸出端并聯(lián)組合，其主電路如圖1 所示。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中各模塊共用一對(duì)電容橋臂，減少了主電路電容的數(shù)量，結(jié)構(gòu)簡單。模塊1 由開關(guān)管VT1、開關(guān)管VT2、變壓器T1、電感L1等組成;模塊2 由開關(guān)管VT3、開關(guān)管VT4、變壓器T2、電感L2等組成

4、。同時(shí)，采用了交錯(cuò)控制技術(shù)，模塊2中的開關(guān)管對(duì)應(yīng)于模塊1 中的開關(guān)管滯后1 /4 開關(guān)周期，各開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形如圖2 所示。交錯(cuò)控制技術(shù)能夠減少輸出電流、電壓紋波，同時(shí)減少輸入和輸出濾波電感、電容體積，提高整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 圖1 輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)半橋變換器拓?fù)?圖2 開關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷波形 對(duì)輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)半橋變換器進(jìn)行統(tǒng)一建模，其電路模型如圖3 所示。該小信號(hào)模型考慮了變壓器漏感及占空比丟失的影響。圖3 中，變壓器二次繞組的占空比丟失： 變壓器二次繞組的有效占空比： 式中，Lr為變壓器一次側(cè)漏感;fs為開關(guān)頻率;IL為輸出電感電流平均值;Ui為輸入電壓穩(wěn)態(tài)值;n為變壓器一、二次側(cè)匝數(shù)比;

5、D 為變壓器一次側(cè)占空比穩(wěn)態(tài)值。 IL1和IL2分別為模塊1、模塊2 的電感電流平均值，IL1 = IL2 = Io /2;Dl1和Dl2分別為模塊1、模塊2 變壓器二次繞組的占空比丟失，,;De1和De2分別為模塊1、模塊2 變壓器二次繞組的有效占空比，De1 = D1 Dl1，De2 =D2 Dl2;為輸入電壓擾動(dòng)量;分別為模塊1、模塊2 的占空比擾動(dòng)量;分別為模塊1、模塊2 的電感電流擾動(dòng)量。 圖3 半橋輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)小信號(hào)電路模型 由圖3 可得： 穩(wěn)態(tài)時(shí)，假設(shè)Dl1 = Dl2 = Dl，De1 = De2 = De，IL1 =IL2 = IL，Lk1 = Lk2 = Lk，n1 =

6、 n2 = n，因此，由式(1) 式(7)可得占空比到輸出電壓的傳遞函數(shù)為： 占空比到輸出電流的傳遞函數(shù)為： 式中： 1.2 不均流因素分析 各模塊的輸出電流分別為： 式中，UD1、UD2分別為各模塊開關(guān)管折算到二次側(cè)導(dǎo)通壓降和輸出整流二極管導(dǎo)通壓降之和。 從式(10)、式(11) 可見，要使各模塊輸出電流均衡(Io1 = Io2)，只有當(dāng)各模塊中的對(duì)應(yīng)參數(shù)完全相同，即2 個(gè)模塊中變壓器匝數(shù)比、漏感、占空比、管壓降等參數(shù)都相同。但是，實(shí)際電路中這些參數(shù)不可能完全相同，會(huì)存在一定的差異。分析可知，影響不均流的因數(shù)有:各模塊中變壓器匝數(shù)比、變壓器一次側(cè)漏感、占空比、管壓降等參數(shù)的差異。 2 控制回

7、路設(shè)計(jì) 圖1 中，由于各個(gè)模塊的參數(shù)存在差異，導(dǎo)致各模塊電流不均衡，因此，采取相應(yīng)的均流措施是控制回路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文提出一種相對(duì)簡單的控制方案，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示。電壓環(huán)的輸出量為各模塊的電流內(nèi)環(huán)提供一個(gè)共同的參考電流。采用該平均電流控制方法，既實(shí)現(xiàn)了輸出電感電流均流，也提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能;同時(shí)，本文采用了交錯(cuò)控制技術(shù)，模塊2 中的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)相對(duì)于模塊1 中的開關(guān)管滯后1 /4 開關(guān)周期，各開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形如圖2 所示。交錯(cuò)控制技術(shù)能夠減少輸出電流、電壓紋波，同時(shí)減少輸入/輸出濾波電感、電容體積，提高整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 圖4 控制結(jié)構(gòu)框圖。 2.1 電流測(cè)量電路 本文采用RC

8、網(wǎng)絡(luò)測(cè)量電感電流，無需專門的電流測(cè)量電路，使得電路結(jié)構(gòu)簡單。其電路圖如圖5 所示。 圖5 電流測(cè)量電路。 設(shè)流過電感L 的電流為iL，流過電容C 的電流為iC，L 兩端的電壓為uL，輸出電壓為uo，C 上電壓為uC，由圖5 可得 對(duì)式(12)在一個(gè)周期求平均值，得： 式中，UL為uL在一個(gè)開關(guān)周期的平均值。顯然UL = 0;Uo為uo的平均值;IL為iL的平均值;IC為電容在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)充放電電流的平均值，顯然IC = 0。式(13)可化簡為： 因此，要檢測(cè)電感電流IL的大小，只要檢測(cè)RC 電路電容上電壓的大小，便可以對(duì)電流進(jìn)行采樣，此法簡單、無損耗。RL包括了電感的等效串聯(lián)電阻。 2.2

9、電壓環(huán)和電流環(huán)的設(shè)計(jì) 輸出電壓環(huán)輸出量為各模塊的電流內(nèi)環(huán)提供一個(gè)共同的參考電流，采用該平均電流控制方法，既實(shí)現(xiàn)了輸出電感電流均流，也提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。模塊1 及其控制等效模型如圖6 所示。 模塊1 中主電路各參數(shù)如下:Ui1 = 48 V，L1 =48 H，Lk1 = 0.2 H，n1 1 = 5 4，C = 47 F，fs= 100 kHz，Rc = 0.2 ，fc = 100 kHz，IL1 = 5 A，Uo= 12 V。 圖6 模塊1 等效模型框圖。 圖6 中: 式中，Gc(s)、Gv(s)分別為電流、電壓環(huán)補(bǔ)償器。 由圖6 可得出電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)Ti(s)為： 根據(jù)電流環(huán)開環(huán)傳遞

10、函數(shù)，按照常規(guī)方法，可以設(shè)計(jì)得出單極點(diǎn)單零點(diǎn)電流補(bǔ)償器Gc(s)為： 電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)的Bode 圖如圖7 所示。 圖7 電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)頻率特性 由圖7 可知，相角裕度m = 63.2°，穿越頻率，符合穩(wěn)定性要求。 由圖6 可得電壓控制環(huán)傳遞函數(shù)： 根據(jù)電壓控制環(huán)傳遞函數(shù)Tv( s)，可設(shè)計(jì)出雙極點(diǎn)、雙零點(diǎn)電壓補(bǔ)償器Gv(s)為： 電壓控制環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)的Bode 圖如圖8所示。由圖8 可知，穿越頻率，相角裕度m = 81.6°，符合要求。 圖8 電壓控制環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)頻率特性 3 仿真結(jié)果與分析 為了驗(yàn)證本文所提出的輸入端并聯(lián)輸出端并聯(lián)半橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其相應(yīng)控制

11、方法的正確性，利用Saber 仿真軟件對(duì)該變換器進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。主要參數(shù)如下:輸入電壓Ui = 48 V，變壓器一、二次側(cè)變比n 1 = 5 4，變壓器一次側(cè)漏感Lr = 0.2 H，輸出濾波電感Lf = 48 H，輸出濾波電容C = 47 F，其等效電阻Rc = 0.2 ，輸出電壓Uo = 12 V，輸出功率Po = 120 W，開關(guān)頻率fs= 100 kHz。由2 個(gè)模塊組成的輸入端并聯(lián)輸出端并聯(lián)半橋變換器主電路如圖1 所示。仿真時(shí)，各模塊中對(duì)應(yīng)的參數(shù)在上述給定參數(shù)的附近存在10%的差異。 負(fù)載變化時(shí)，均流效果及輸出電壓波形如圖9 所示。在t = 9 ms 時(shí)，負(fù)載由正常負(fù)載突變成50%正

12、常負(fù)載;在t =10 ms 時(shí)，負(fù)載由50%正常負(fù)載突變成正常負(fù)載。由圖9 可見，負(fù)載突變時(shí)均流效果輸出電壓特性都比較好，很快得到調(diào)整而穩(wěn)定了。輸入電壓突變減少時(shí)，各電感電流及總輸出電壓波形如圖10 所示。在t =4 ms 時(shí)，輸出電壓由正常輸入電壓Ui =48 V突變到Ui =38 V。由圖10 可見，輸入電壓突變減少時(shí)，均流效果及輸出電壓特性都比較理想。輸入電壓突變?cè)黾訒r(shí)各模塊電感電流及總輸出電壓波形如圖11 所示。在t = 6 ms時(shí)，輸入電壓由正常輸入電壓Ui = 48 V 突變到Ui = 60 V。由圖11 可見，輸入電壓突變?cè)黾訒r(shí)，均流效果及輸出電壓特性都比較好。 圖9 負(fù)載變化時(shí)

13、各模塊電感電流及總輸出電壓波形 圖10 輸入電壓突減時(shí)各模塊電感電流及總輸出電壓波形 圖11 輸入電壓突增時(shí)各模塊電感電流及總輸出電壓波形 正常工作條件下，各個(gè)模塊電感中的電流波形如圖12 所示。由圖12 可見，各模塊之間的電感電流相差1 /4 開關(guān)周期，實(shí)現(xiàn)了交錯(cuò)控制，減少了輸出電流紋波幅值。 圖12 正常工作條件下各模塊電感電流波形 4 試驗(yàn)驗(yàn)證 為了驗(yàn)證該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方案的正確性，搭建了試驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)該變換器進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)參數(shù)為:輸入電壓DC 38 60 V，輸出電壓DC 12 V，工作頻率100 kHz，變壓器匝比5 4，輸出濾波電感值48 H，開關(guān)管選用IRF840，二次側(cè)整

14、流二極管選用FR608。 模塊1 和模塊2 對(duì)應(yīng)變壓器一次側(cè)電壓波形如圖13 所示。其中，通道1(CH1) 測(cè)量的是模塊1 的一次側(cè)電壓，通道2(CH2)測(cè)量的是模塊2 的一次側(cè)電壓。由圖13 可見，模塊2 的變壓器一次側(cè)電壓相對(duì)于模塊1 的變壓器一次側(cè)電壓滯后2.5 s(即1 /4 開關(guān)周期)，實(shí)現(xiàn)了交錯(cuò)控制。沒有采取均流措施時(shí)，兩模塊中的電感電流波形如圖14 所示。由圖14 可見，無均流時(shí)，由于各模塊中器件參數(shù)存在差異，所以電感電流不均衡;采取均流措施后，兩模塊中的電感電流波形如圖15 所示。由圖可見，兩模塊中電感電流實(shí)現(xiàn)了均流，而且相互交錯(cuò)，模塊2 中電感電流對(duì)應(yīng)模塊1 中電感電流滯后1 /4 開關(guān)周期;輸出電壓波形如圖16所示。由試驗(yàn)波形分析可知，本文提出的變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制策略的可行性和正確性。 圖13 模塊1 模塊2 對(duì)應(yīng)變壓器一次側(cè)電壓波形 圖14 均流前的電感電流波形 圖15 均流后的電感電流波形 圖16 輸出電壓波形 5