基于PSIM的車載開關電源并聯供電系統設計與仿真*

王 毅，張博洋，包西平，雷天元，吳繼軍

（徐州工業職業技術學院，江蘇徐州 221140）

0 引言

在國家政策的大力推動下，新能源電動汽車行業發展迅猛。新能源汽車的電子設備種類的增多，功率等級的增加，提出了對汽車供電電源性能更嚴苛的要求，現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、體積及較高的動靜態等要求[1]。

在車載電源變換器中，Buck 變換器是一種常用到的DCDC 轉換器，通過高頻開關的開通與關閉將直流電源轉變為所需要的各種等級直流電壓。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。直流電壓本來應該是一個固定的值，但是很多時候由于電感、電容濾波不徹底，就會有剩余的交流成分，因而會產生紋波電壓。紋波的危害非常大，容易在設備中產生不期望的諧波，從而降低了電源的效率。較強的紋波會產生浪涌電壓或電流，導致燒毀用電設備；干擾數字電路的邏輯關系，影響其正常工作；帶來噪聲干擾，使圖像設備、音響設備不能正常工作。消除紋波的方式有很多，例如，在輸出端根據實際情況使用較大容量的濾波電容和電感，或采用多級LC濾波電路，都可以有效地降低紋波電壓。但這無疑增大了設備體積，增加了設備成本。

要減少輸出電壓紋波，可以增大開關頻率，或增大電感與濾波電容，然而一味增大電感與濾波電容無疑會增大系統體積，增加成本。同時，單方面完全靠提高開關的工作頻率會導致開關由于工作在頻率極限使得系統工作不穩定。隨著現代電力電子技術的發展，為滿足車載電源的高性能要求，在車載開關電源設計的過程中，通常采用并聯多個功率電路單元的方法來獲得更大的電流，從而滿足大功率的要求，同時可以減小輸出電流與輸出電壓紋波，同時也減小了功率開關管與二極管的電應力及開關管的損耗。對于車載開關供電電源，通常采用交錯式并聯Buck電路[2]。可以在不使開關工作在頻率極限的情況下，提高系統的工作頻率，從而有效地減少紋波。

本文基于交錯式并聯Buck 電路設計一款輸出電壓5 V，功率25 W 的車載供電電源，詳細介紹了電路關鍵元器件的參數設計與選擇過程，控制方式上采用雙環控制模式，詳細說明了電流內環與電壓外環設計流程。同時為了加快供電電源系統的響應速度與減小偏差，提高系統的穩定性與準確性；采用了前饋控制，最后基于專用電力電子仿真軟件PSIM 搭建了電源系統的仿真模型，對所構建的開關電源并聯供電系統進行了仿真驗證。仿真結果表明，所設計的基于并聯式Buck 電路的開關電源供電系統的動靜態特性良好，抗干擾能力強，達到了目標設計要求。

1 雙Buck并聯式電路結構

如圖1所示為基于并聯式Buck電路的車載供電電源的原理圖[3-6]，系統由兩套（或多套）并聯的開關構成，每套獨立工作。負載電流由兩個并聯關系的Buck 電路共同提供，相當于兩個獨立的電流源并聯向負載供電。通過分別控制兩個Buck電路中MOSFET 開關管的通斷，可以實現車載電源的相關性能指標。因主電路由兩個相同的Buck 電路并聯構成，所以兩個開關管可以采用同一個雙閉環回路進行控制。兩個Buck 電路的輸出電流滿足一定的比例關系，考慮到電流內環的存在，只需設置兩個Buck 電路的電流給定值滿足相應的比例關系即可。本次設計中要求兩個Buck電路的輸出電流比為3∶2。

圖1 雙Buck電路并聯供電電源

下面分析兩單元交錯型Buck型電路系統的工作原理。

在一個開關周期T，開關脈沖輸出脈沖波形函數可表示為：

式中：D為輸出，脈沖寬度。

因此，假設在開關第二次導通的間隙，插入同樣的開關，當此開關導通時，此時負載上獲得的脈沖個數加倍，若開關自恢復時間允許，理論上可以插入相當數量的脈沖，負載上脈沖串的數量與開關數量存在線性疊加的關系[7-9]。

采用這種線性疊加的原理可以獲得高重頻脈沖，以兩個開關電路為例進行分析。其工作原理是單個開關A、B 分時等間隔開啟與關斷，在負載上得到了具有一定頻率的連續的脈沖串，該連續脈沖串的周期與單次脈沖的周期相等，即為T。因此由式（1）可知，開關A、B輸出脈沖波形函數分別為：

設兩個開關單次等間隔Δt時間輸出時，由于單次開關在不同時刻輸出脈沖并且每個開關相互獨立工作，故對于負載，在脈沖功率源輸出一個周期T內得到的輸出波形（為不失一般性，假設單次開關A、B依次導通）可表示為：

由于開關A、B是獨立性的系統，因此當Δt＞D時，通過單次開關線性疊加的方法來實現高重頻脈沖串輸出不會產生重疊部分。當然，脈沖間隙必須大于開關的恢復時間[10]。

由以上推論，可得交錯并聯Buck 電路輸出頻率為傳統Buck電路的2倍。

2 閉環控制器設計

本次設計要求雙Buck并聯電路的輸出電壓為（5.0±0.4）V，且兩個并聯式的Buck 電路的輸出電流之比可以調節，因此需設計閉環控制器實現上述要求，控制目標應為電壓和電流。雙Buck 電路閉環控制器的結構如圖2 所示，輸入電壓為Uin，輸出電壓為Uo，其大小由開關管的導通時間所決定。采用由一個三角載波與一個常數比較后獲得的PWM 波作為開關管的驅動信號，通過控制常數即可改變占空比，從而改變輸出。閉環控制器采用雙閉環結構：外環為電壓環，用以調整輸出電壓使之跟隨給定；內環為電流環，用以使電流的輸出快速跟隨輸入[11-13]。

圖2 雙BUCK電路并聯系統雙閉環控制系統框圖

2.1 電流控制器設計

由圖3易得：

式中：ton為一個關周期內開關管的導通時間；T為開關周期：Ton/T為導通占空比；ur為常數調制波的幅值；uc為三角載波的幅值。

根據上式可繪制為了準確控制電流，應采用PI 控制器結合前饋控制器，電流控制結構框圖如圖3所示。

圖3 電流內環控制框圖

根據框圖得其開環傳遞函數為：

電流內環的截止頻率選為開關率做5%，即1 000 Hz，KPWM=24。可以選擇PI控制器的轉折頻率為100 Hz，經計算可得Kip=0.5、Kii=350。

2.2 電壓控制器設計

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電流回路的傳遞函數增益可視為1。同時為了抵消負載電流對電壓回路的擾動，將負載電流加入電流回路的輸入端。電壓環結構如圖4所示。綜合上述兩個控制回路，可設計圖5 所示雙閉環PWM 控制回路。

圖4 電壓外環控制框圖

圖5 雙閉環PWM控制回路結構框圖

3 仿真及結果分析

PSIM 是目前工業界最快的電力電子與電源仿真軟件，具有在短時間內仿真大型復雜的功率變換器和控制系統的能力。除此之外，PSIM 的仿真引擎非常穩定，不會出現其他仿真軟件如Saber，Simetrix 所遇到的收斂問題。PSIM 將SPIM 引擎和SPICE 引擎集成在同一環境中，同時具備SPICE 級別仿真功能，如可以精確地仿真功率開關的瞬變等復雜情況。為了驗證上述理論分析和設計，在PSIM2021 中搭建了各模塊的模型，如圖6 所示。仿真用的參數：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，開關頻率f=20 kHz。

圖6 仿真模型

3.1 電源靜態帶載仿真

仿真時間t=0.1 s 時，輸出電壓與兩路電感電流波形如圖7所示，其中，橫坐標為時間，單位為s；縱坐標單位為電流，單位為A。利用軟件測量功能，可以看出，系統輸出電壓達到設定值，兩路電感電流值與電流設計的分配比保持一致，證明系統靜態特性良好[13-15]。

圖7 系統輸出電壓與兩路電感電流

3.2 電源動態帶載仿真

設置負載電阻在0.2 s 時切換為原來的一半，輸出電壓與兩路電感電流如圖8（a）所示，其中，橫坐標為時間，單位為s；縱坐標單位為電流，單位為A。從圖中所示，系統響應迅速。動態特性良好。

設置輸入電源在0.2 s 時切換為22 V，在0.3 s 時切換為26 V，輸出電壓與兩路電感電流如圖8（b）所示，從圖中所示，系統響應迅速。動態特性良好[16-19]。

圖8 系統動態響應

4 結束語

本文設計了一款車載開關電源并聯系統，介紹了各關鍵元器件的參數選擇方法，采用雙環控制模式，采用了比例-積分（PI）結合前饋控制器算法，詳細介紹了電流環與電壓環設計流程，最后采用PSIM 進行了仿真驗證，仿真結果表明，所設計的系統動靜態特性良好，達到了設計要求。為進一步的硬件與軟件設計打下了良好的基礎。

本文的分析與仿真均是在理想狀態下，忽略了開關器件中關鍵寄生參數對輸出電壓的影響，也僅針對系統在定開關頻率的影響展開了分析，下一步可以研究可面向開關器件高頻寄生參數對各個性能指標的影響進行分析。對系統電路做出更全面的分析。