交錯Buck并聯(lián)均流技術(shù)的研究

張 偉,葛 飛,鄧孝祥

(1.中國兵器工業(yè)第二〇八研究所，北京 102202；2.黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，哈爾濱 150022)

0 引 言

隨著國家對新能源的重視，新能源電動汽車因具有污染小和環(huán)保的優(yōu)勢，得到很大發(fā)展。雙向DC/DC控制器是連接汽車電池與驅(qū)動器的重要組成部分，其并聯(lián)均流是正常運行的關(guān)鍵，若不均流會造成各模塊功率不均衡，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[1-2]。

隨著電力電子技術(shù)的應(yīng)用，Buck變換器在計算機、精密儀器等高性能的直流變換器中應(yīng)用越來越廣泛。隨著功率等級的提高，對器件要求會相應(yīng)提高，Buck變換器并聯(lián)運行可以在不增加器件應(yīng)力的同時提高功率等級、減小輸出電流紋波并降低開關(guān)損耗，提高變換器效率。傳統(tǒng)均流多采用模擬方式來實現(xiàn)，易受環(huán)境影響，抗干擾能力差。近年來，隨著數(shù)控方式的廣泛應(yīng)用，先進的均流技術(shù)應(yīng)運而生，數(shù)字控制技術(shù)更具靈活性，便于實現(xiàn)電源的通信和控制[3-5]。

1 交錯并聯(lián)Buck工作原理

交錯并聯(lián)Buck拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，脈沖時序圖如圖2所示。

圖1 交錯并聯(lián)Buck拓撲結(jié)構(gòu)

圖2 交錯并聯(lián)Buck脈沖時序

如圖2所示，Ug1為開關(guān)管VT1驅(qū)動；Ug2為開關(guān)管VT2驅(qū)動；iL1為電感L1上電流；iL2為電感L2上電流；iL為交錯Buck輸出電流波形。

交錯并聯(lián)Buck拓撲工作原理為：

模態(tài)1(0-T0)：Ug1輸出脈沖，VT1導通，工作過程為Uin—VT1—L1—負載(電阻R1和電容C1)，

電感L1儲能并且電流增大，電阻R1和電容C1電壓增大，為負載提供能量；因上一過程中電感L2上的電流未釋放完，電流不能突變，此時需要經(jīng)過二極管D2來進行續(xù)流，如圖3(a)所示。

模態(tài)2(T0-T1)：Ug1和Ug2此時沒有脈沖，VT1和VT2關(guān)斷，工作過程為Uin—D1/D2—L1/L2—負載(電阻R1和電容C1)；因上一過程中電感L1和L2上的電流未釋放完，電流不能突變，此時兩個電感通過二極管D1和D2續(xù)流，如圖3(b)所示。

模態(tài)3(T1-T2)：Ug2輸出脈沖，VT2導通，工作過程為Uin-VT2-L2-負載(電阻R1和電容C1)，電感L2儲能并且電流增大，電阻R1和電容C1電壓增大，為負載提供能量；因上一過程中電感L1上的電流未釋放完，電流不能突變，此時需要經(jīng)過二極管D1來進行續(xù)流，如圖3(c)所示。

模態(tài)4(T2-T3)：Ug1和Ug2此時沒有脈沖，VT1和VT2關(guān)斷，工作過程為Uin—D1/D2—L1/L2—負載(電阻R1和電容C1)；因上一過程中電感L1和L2上的電流未釋放完，電流不能突變，此時兩個電感通過二極管D1和D2續(xù)流，如圖3(d)所示。

圖3 交錯并聯(lián)Buck拓撲工作原理

2 并聯(lián)均流方法比較

針對并聯(lián)模塊在控制電路結(jié)構(gòu)和連接方式下的不同，常用均流方法有串接均流電阻法、平均電流法、最大電流法、主從均流法等[6]。通過對幾種方法進行比較分析找出適合交錯Buck并聯(lián)均流的方案。

2.1 串接均流電阻法

Buck串接均流電阻法實現(xiàn)均流的原理如圖4所示。圖中R1和R2為均流電阻，當Buck變換器1模塊比Buck變換器2模塊流過的電流大時，均流電阻R1上的電壓高于均流電阻R2上的電壓，則Buck變換器1模塊的輸出電壓比Buck變換器2模塊輸出電壓低，造成相應(yīng)Buck變換器2模塊流過的電流增大，從而達到均流效果[7]。

圖4 串接均流電阻法

2.2 平均電流法

平均電流法如圖5所示，若輸出電流不為0，母線電壓Ub與電流放大器輸出電壓做比較后，經(jīng)過均流控制器變?yōu)閂c，調(diào)節(jié)電壓誤差放大器，得到Vf，Vf與反饋電壓Vout做比較后，通過誤差電壓來控制開關(guān)管占空比，實現(xiàn)均流[8]。

圖5 平均電流法

2.3 最大電流法

最大電流法是通過采取輸出最大電流使系統(tǒng)自動設(shè)定主模塊與從模塊，實現(xiàn)均流，如圖6所示。與平均電流法相比，用二極管替換電阻，利用二極管的單向?qū)ㄐ阅埽斈骋荒K電源輸出電流最大時，二極管才能導通，此時電流放大器輸出電壓最大，母線電壓Ub與其做比較后，通過誤差電壓來控制開關(guān)管占空比，實現(xiàn)均流[9]。

圖6 最大電流法

2.4 主從均流法

主從均流法常用在電流型控制的并聯(lián)系統(tǒng)中，如圖7所示，為通過采樣電流、電壓反饋信號實現(xiàn)雙閉環(huán)的控制系統(tǒng)。若主模塊選擇模塊1，基準電壓為Vref，輸出電壓為Vo，經(jīng)過電壓誤差放大器，產(chǎn)生電壓誤差信號Ve，與反饋電壓信號Vi1比較后，通過控制VC1電壓來驅(qū)動開關(guān)管工作。從模塊通過跟隨器的形式與反饋電壓信號Vi2比較后，通過控制VC2電壓來驅(qū)動開關(guān)管工作，實現(xiàn)和主模塊電流相對一致，最終實現(xiàn)均分電流[10]。

圖7 主從均流法

2.5 幾種均流方法的優(yōu)缺點

串接均流電阻法控制方式簡單，通過對模塊輸出阻抗進行改變實現(xiàn)均流，本質(zhì)上屬于開環(huán)控制，但在功率等級不同的并聯(lián)模塊下難以實現(xiàn)；平均電流法均流能使數(shù)據(jù)準確，但當公共母線出現(xiàn)短路時，會引起電源系統(tǒng)故障；最大電流法抗干擾能力強，但二極管有導通壓降，會給均流帶來誤差；主從均流法精度高，當接在母線上的電源模塊出現(xiàn)故障時，會給系統(tǒng)帶來隱患。

2.6 并聯(lián)均流Buck控制器設(shè)計

提出一種新型的并聯(lián)均流控制方式，如圖8所示。Buck變換器1負責電壓閉環(huán)，通過采集兩路Buck電流I1和I2，Buck變換器2負責實現(xiàn)并聯(lián)均流，電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)，形成雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)定。

圖8 并聯(lián)均流Buck控制器

3 并聯(lián)均流算法的實現(xiàn)

3.1 電流采樣電路設(shè)計

電流采樣電路電流檢測采用ACS758LCB-50B芯片，如圖9所示，可測量直流和交流信號，測量電流范圍為0～50A，1A電流對應(yīng)40mV電壓，芯片供電電壓范圍為3～5.5V，該設(shè)計取5V供電電壓，輸出電流抬升電壓幅值為供電電壓的一半。輸出電流經(jīng)RC濾波后，進入DSP中的A/D口進行處理。采用這種結(jié)構(gòu)成本低、實時性好、精度較高。

圖9 電流采樣電路

3.2 程序流程圖

如圖10所示，系統(tǒng)采用TI公司所產(chǎn)DSP芯片TMS320F28035，主程序編譯需要采集輸出電壓、兩路Buck電流，采集完后進行電壓閉環(huán)穩(wěn)壓和電流均流，在EPWM中斷下編譯，并對電流和電壓進行軟件保護。

圖10 程序流程圖

4 仿真結(jié)果及分析

基于Matlab/Simulink搭建仿真模型，設(shè)定輸入電壓為311 V，電感L=947 uH，輸出電容C=940 uF，負載電阻R=3 Ω，頻率為15 kHz，輸出電壓為200 V，系統(tǒng)的主電路如圖11所示，由仿真可見，Buck兩路電流一路為32.86 A，另一路為34.16 A，通過觀測兩路電感L1和L2電流波形可知，電流有偏差，如圖12所示。

新型控制方式的系統(tǒng)框圖如圖13所示，由仿真可見，Buck兩路電流一路為35.34 A，另一路為35.33 A，表明Buck均流效果比較好。通過觀測兩路電感L1和L2電流波形可知，電流波形基本一致，如圖14所示。Buck輸出電壓穩(wěn)壓效果較好，如圖15所示。新型并聯(lián)均流控制技術(shù)不僅實現(xiàn)了交錯Buck的并聯(lián)均流，輸出電壓穩(wěn)定性也好，達到了設(shè)計目標。

圖11 主電路圖

圖12 電感L1和電感L2電流波形

圖13 新型控制方式系統(tǒng)框圖

圖14 電感L1和電感L2電流波形

圖15 Buck輸出電壓

5 結(jié) 語

提出一種新型并聯(lián)均流控制技術(shù)，通過仿真證明了均流控制的可行性，并在均流控制的基礎(chǔ)上加入軟件保護，解決了主控電源出現(xiàn)故障失控而引發(fā)的電源系統(tǒng)故障的問題。實驗結(jié)果表明，新型并聯(lián)均流控制技術(shù)具有很好的抗干擾能力和均流效果，能夠滿足要求，實現(xiàn)預期目標。交錯并聯(lián)提高了輸出電流的紋波頻率，降低了對濾波電容以及磁性原件的要求，提高了整個系統(tǒng)的功率密度，實現(xiàn)輸出0紋波。