極端條件下ISOP組合變換器的單環輔助電路均壓法

蚌埠學院電子與電氣工程系 錢嘉偉 顏 紅 楊得志

極端條件下ISOP組合變換器的單環輔助電路均壓法

蚌埠學院電子與電氣工程系 錢嘉偉 顏 紅 楊得志

輸入串聯輸出并聯(ISOP)組合變換器能夠正常工作的條件是保證各模塊輸入均壓。目前大部分控制策略都是以調節占空比為手段來實現均壓，但是在極端條件下，會發生失效的問題。本文首先分析了正常負載時影響輸入均壓的原因，以及在極端條件時，即使加入均壓環也無法均壓的原因，然后提出單環輔助電路均壓法，簡單有效地實現了整個負載范圍的輸入均壓。文章最后對其有效性進行了仿真驗證。

輸入串聯輸出并聯；均壓；極端條件；輔助電路

輸入串聯輸出并聯(input-series output- parallel，ISOP)組合變換器是解決高壓輸入，大電流輸出問題的有效方案之一，而且由于利用變換器標準模塊進行組合，因此能根據應用場合的要求靈活構建，并且有很強的冗余能力以及易于擴展和更換等優點，逐漸成為目前的研究熱點之一。

ISOP組合變換器在進行串并連接時，要能夠正常工作，就必須保證輸入的均壓以及輸出的均流。目前大部分文獻研究的都是正常負載下均壓和均流的控制策略，如文獻[1]研究了ISOP系統中模塊輸入均壓及輸出均流之間的關系，提出了通過輸入均壓環來實現輸入均壓的控制策略。文獻[2-4]分別提出了主從式均壓控制策略、交換占空比控制策略、分布式均壓控制策略等。這些控制策略的思路基本上都是通過控制各模塊的占空比來調節輸入電容的充放電量，從而實現輸入電壓的均壓。在正常負載時，各模塊輸出功率較大，通過調節占空比能有效的調節各模塊的輸出功率，使輸入電壓高的模塊電容放電，輸入電壓低的模塊電容充電，達到均壓的效果。但是變換器難免會工作在輕載、空載或短路等極端情況下，此時輸出功率很低，模塊的占空比沒有調節的余量，因此通過占空比調節來實現均壓的策略會失效，導致系統工作不穩定甚至損壞。本文將對ISOP組合變換器在不同負載下不均壓的原因進行深入分析，進而提出單環輔助電路均壓法來實現全負載范圍的均壓。

1. 模塊輸入電壓在不同負載下不均的原因

我們以兩個模塊輸入串聯輸出并聯的ISOP直流變換器為例來分析原因，其中圖1為其電路圖。

文獻[5]詳細的分析了在正常負載下，ISOP變換器影響輸入均壓的各種因素，指出諧振電感不相等、占空比不匹配、輸入電容參數不匹配等都會導致不同程度的不均壓。但從其仿真波形中可以看出，這些因素造成的不均壓程度在模塊設計的安全裕量范圍內，對其正常工作不會造成嚴重的影響。這些因素之外，如開關管通態電阻、磁性元件等電阻不相等，造成各模塊的損耗不同也是導致不均壓的重要原因。設模塊1的損耗用Rls1等效，模塊2的損耗用Rls2等效，如圖1中所示，需要說明的是，由于輸入是電壓源，因此等效電阻大的，其功率消耗小，反之則功率消耗大。假設輸入處于均壓狀態，則UA1B1=UA2B2，設定Rls2>Rls1，如果輸出也處于均流狀態，則原邊電流相等，那么Rls1上的分壓小于Rls2，則Up1>Up2，傳遞到1#模塊副邊的電壓會高于2#模塊副邊的電壓，由于輸出并聯，兩模塊輸出電壓相等，由此UL1> UL2，使得Io1>Io2，折射到原邊則為Iin1>Iin2，由于總的輸入電流Iin不變，因此輸入電容C1會放電，而C2會充電，導致輸入電壓不均。

為了保證輸出電壓的穩定，必須加入輸出電壓環進行閉環控制。若兩個模塊共用一個輸出電壓環信號對輸出電壓進行調節，則兩個模塊的占空比一致。在正常負載下，假設uin2>uin1，由于輸入串聯，穩定時，兩模塊的輸入電流相等，那么輸入電壓高的2#模塊提供給負載的功率也較大，即Po2> Po1，由于uo1= uo2，則Io2>Io1，折射到原邊為Iin2> Iin1，使得C1充電，電壓上升，而C2放電，電壓下降，兩模塊的輸入電壓回到均衡狀態。根據以上分析可知，兩模塊共用輸出電壓環可以實現輸入的均壓，因此不需要額外加入均壓環進行調節。當然在共用輸出電壓環的過程中，由于兩模塊控制芯片是獨立的，因此產生的鋸齒波可能略有差異，造成開關管實際的占比空不完全一致，而且諧振電感的差異會造成占空比丟失不一致，也同樣會影響到開關管的實際占空比，以致兩模塊的輸入電壓不能達到完全的均壓。但是模塊在設計時，一般其安全裕量能容許輸入電壓有±10%的偏差，而同型號模塊在制造過程中，參數也不會存在太大的差異，所以在正常負載下，通過共用輸出電壓環能夠使ISOP變換器調整到能正常運行的程度。

圖1 兩個模塊的ISOP變換器

當負載進入輕載(10%滿載)以下，甚至是空載以及短路限流時，輸出功率非常小，此時兩模塊的輸入功率基本等于模塊自身的損耗，輸出電壓環的占空比非常小，一般處于間歇工作狀態，通過同一占空比使輸入電壓高的模塊多輸出功率，也不能平衡模塊的損耗差。此時即使加上輸入均壓環，由于輸入均壓環的本質也是使輸入電壓高的模塊占空比更大，反之輸入電壓低的模塊占空比更小，來調節模塊的輸出功率，以實現均壓，因此在這種極端情況下，同樣會由于占空比太小而無法實現。

因此要實現極端條件下輸入均壓，就必須使兩模塊的損耗達到平衡。

2. 單環輔助電路均壓法

由上一節的分析可知，在正常負載時，共用輸出電壓環能夠實現輸入的均壓。但是在極端條件時，諸如輕載、空載、短路限流時，共用輸出電壓環法，甚至加入輸入均壓環都不能實現輸入的均壓，因此本節將對共用輸出電壓環(單環)法加以改進，以實現此時的輸入均壓。

圖2 輔助電路

推廣到n個模塊時，由于不可能將每個模塊的空載損耗都測出來，只能根據效率的要求進行估算。假設每個模塊的效率要求在95%以上，則損耗為單模塊額定功率Pom的5%，那么兩模塊的最大損耗差可設為不超過Pom的1%，當然也可以根據實際情況自行設定，則R取值為：

單環輔助電路均壓法相對其他均壓控制法，結構簡單、易于模塊化，而且能夠有效的保證ISOP變換器在整個負載范圍內的正常運行。

3. 仿真及實驗驗證

為了驗證本文提出的單環輔助電路法的有效性，采用Saber仿真軟件搭建了一臺由2個模塊組成的ISOP直流變換器進行仿真驗證。系統的主要參數為輸入直流電壓540V，總輸出功率Po=3kW，各模塊輸出功率Pom=1.5kW，輸出電壓60V，開關頻率100kHz。

為了模擬損耗不一致造成的不均壓問題，在2#模塊的開關管上串入了兩個0.5Ω電阻。圖3為共用輸出電壓環而不加輔助電路，從正常負載跳變到空載時的波形。從圖中可以看出，在正常負載時，輸入通過輸出電壓環，能夠實現均壓，但是在8ms進入空載后，輸入電壓出現偏差，線上電阻大的模塊輸入電壓升高，而線上電阻小的模塊電壓降低，直至不能正常工作。

圖3 單環正常負載跳變至空載波形

圖4為加入輔助電路的仿真波形。每個模塊的功率為Po/2=1.5kW，根據公式(2)計算可得，R=4701Ω，實際取4.7kΩ。設置在3ms處，負載由滿載跳變為空載。從圖4可以看出，在3ms前，由于輸入均壓，因此Q2不工作，輔助電路不會增加系統損耗。進入空載后，當2#模塊輸入電壓達到110%Vin/2，即297V時，其輔助電路開始工作，將電壓控制在297V左右，1#模塊電壓控制在243V左右，系統可以正常工作，圖中Q2波形為其驅動波形。

圖4 單環輔助電路均壓法仿真波形

以上的仿真驗證了所提出的單環輔助電路均壓法的有效性，與現有的各種均壓法相比，簡單可靠且可以實現全負載范圍的均壓。

4. 結論

本文主要研究ISOP直流變換器在極端條件下的輸入均壓問題，首先分析正常負載情況下，影響輸入均壓的原因，指出除參數不一致原因外，電路損耗不一致也是導致不均壓的重要原因。提出在共用輸出電壓環時，能夠保證輸入電壓的基本均分，系統能夠正常工作。然后文章分析了在極端條件下，即使加入均壓環也不能實現輸入均壓的原因。提出了在共用輸出電壓環的基礎上加入輔助電路進行均壓的單環輔助電路均壓法，在正常負載的時候，共用輸出電壓環能夠實現均壓，當進入極端條件時，若輸入電壓偏差超過單模塊輸入電壓額定值的110%時，輔助電路工作以穩定電壓，保證系統在整個負載范圍內穩定運行。仿真實驗驗證了所提出的控制方式的有效性和正確性。

[1]陳璐璐.輸入串聯輸出并聯組合變換器控制策略的研究[D].南京航空航天大學,2007.

[2]顏紅.極端條件下輸入串聯輸出并聯組合變換器系統控制策略的研究[D].南京航空航天大學,2007.

[3]陳武,阮新波,顏紅.DC-DC多模塊串并聯組合系統控制策略[J].電工技術學報,2007,24(7):56-61.

[4]陳武,阮新波,顏紅.多變換器模塊化串并聯組合系統[J].電工技術學報,2007,24(7):93-102.

[5]章濤.高輸入電壓大功率DC-DC變換器的研究[D].南京航空航天大學,2005.

國家級大學生創新創業項目(201411305033)。