（电机与电器专业论文）基于最大均流法的dcdc变换器并联系统研究.pdf

中国科学院硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no ft h ep a r a l l e l e dd c d cc o n v e r t e rs y s t e mi sag o o dw a yt o e n h a n c et h ep o w e rl e v e lo ft h ed c d cc o n v e r t e lh o w t oa r c h i v et h ec u r r e n t s h a r i n g b e t w e e nt h ep a r a l l e l e dc o n v e r t e r si st h ek e yt e c h n o l o g y a tp r e s e n tm o s tc u r r e n t s h a r i n ga r ea r c h i v e di nt h ec o n d i t i o nt h a tt h ed i f f e r e n c e so f t h ec o n v e r t e r sa r en o t v e r yl a r g e t h ep e r f o r m a n c e so f t h ep a r a l l e l e dd c d cc o n v e r t e rs y s t e ma r es e l d o m d i s c u s s e dw h e nt h ed i f f e r e n c e so f t h e p a r a l l e l e dm o d u l e s a r el a r g e t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep r i n c i p l eo ft h ec u r r e n ts h a r i n gu s i n gt h es m a l ls i g n a l a n a l y s i sb a s e do nt h es t a t e s p a c ea v e r a g em o d e la n dd i s c u s s e st h es t a b i l i t yo ft h e p a r a l l e l e dd c d cc o n v e r t e rs y s t e m t h e nan o v e lt h r e e - l o o pc u r r e n ts h a r i n gs c h e m e w i t hc u r r e n tl i m i t i n gf u n c t i o ni sp r e s e n t e da i m i n ga tt h el i m i t a t i o no ft h ef o r m e r c u r r e n t s h a r i n g s c h e m e s i no r d e rt o v e r i 毋t h ef e a s i b i l i t y o ft h e s c h e m e ，a s t i m u l a t i o np l a t f o r mi nm a t l a bi sb u i l ta n dt h es t i m u l a t i o ni sm a d et ot e s tt h e p e r f o r m a n c e o ft h e p a r a l l e l e d d c d cc o n v e r t e r s y s t e m o n i t f i n a l l y a n e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi s b u i l tt ot e s tt h es t e a d ya n dt r a n s i e n tp e r f o r m a n c eo ft h e p a r a l l e l e dd c d cc o n v e r t e rs y s t e m t h er e s u l to f t h ee x p e r i m e n ti ss a t i s f y i n g t h e n o v e lc u r r e n ts h a r i n gs c h e m ei sp r o v e dt ob ew o r k a b l e k e y w o r d s ：d c d cc o n v e r t e r p a r a l l e l e ds y s t e m c u r r e n t s h a r i n g t h r e e l o o pc o n t r o ls c h e m e w i t hc u r r e n tl i m i t i n gf u n c t i o n 3 中国科学院硕士研究生毕业论文 第一章绪论 1 1 课题的背景及现实意义 燃料电池以其清洁、高效、环境友好的特性在军事、移动设备、空间应用、 分布式发电系统和运输车辆等诸多领域有着越来越广泛的应用。 燃料电池是一种把储存在燃料和氧化剂中的化学能，等温地按电化学原理 转化为电能的能量转换装置。燃料电池是由含催化剂的阳极、阴极和离子导电 的电解质构成。燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流 向阴极构成电回路，产生电能而驱动负载工作。化学反应方程式如式1 1 所示。 阳极：h ，= - 2 h 。+ 2 e( 1 1 ) 阴极：( 1 1 2 ) o ，+ 2 h 。+ 2 e = h ，o 燃料电池与常觌电池不同之处在于，它工作时需要连续不断地向电池内输 入燃料和氧化剂通过电化学反应生成水，并释放出电能：只要保持燃料供应， 燃利r 乜池就会不断工作提供电能。 燃料电池依据其电解质性质的不同而分为不同的类型，包括质子交换膜燃 料电 池( p e m f c ) ，碱性燃料电池( a f c ) ，磷酸燃料电池( p a f c ) 。溶化的碳酸盐 燃料电池( m c f c ) ，固态氧化物燃料电池( s o f c ) ，直接甲醇燃料电池( d m f c ) 和再生型燃料电池( r f c ) 。 但是在实际应用中，燃料电池也有缺点，比较突出的一个是在相同温度下 当它的输出电流增大时，输出电压会迅速下降( 如图1 1 所示) ，导致无法满足 用电设备的需要。为了解决这个问题，一般的措施是采用辅助设备，如直流一 直流变换器( 简称为d c d c 变换器) ，来维持适当的输出电压。 6 中国科学院硕士研究生毕业论文 图1 1 不同温度下某燃料屯池的输山特性曲线 d c d c 变换器有两种类型，即线性变换器和开关变换器。开关变换器因具 有效率高、灵活的正负极性和升降压工作方式的特点，而备受人们的青睐。本 文所讨论的d c d c 变换器统一是指开关变换器。 开关变换器器利用无源磁性元件和电容电感元件的能量存储特性，从输入 电压源获取分离的能量，暂时地把能量以磁场形式存储在电感、变压器中，或 以电场形式存储在电容器中然后将能量转换到负载，从而实现直流到直流的 变换。 近年来随着燃料电池的应用越来越广泛其容量也在不断增大，这样与之 相匹配的d c d c 变换器的功率等级也相应地要求越来越高。但受电力电子器 件性能的限制，要将单台d c d c 变换器的容量要做的很大比较困难。因此要 想使d c d c 变换器的功率等级有大的提高，必须采用新的方法。在这种情况 下d c d c 变换器的并联技术应运而生。 1 2d c d g 变换器的并联技术 d c d c 变换器的并联技术大致可分为两类：电力电子器件的并联和多台变 换器的并联。电力电子器件的并联是指将两个开关器件并联起来作为一个器件 使用，这样可以相应减小流过每一个开关器件的电流。但这样作要对原有 d c d c 变换器的结构进行调整，还可能存在环流的问题，因此使用的并不广泛。 目前使用较多的是多台变换器模块的并联，即模块化并联。顾名思义就是 中国科学院硕士研究生毕业论文 将若干台d c d c 变换器的输出端并联起来，一起向负载供电，在输出电压不 变的情况下，负载电流由并联d c d c 变换器模块均分。这种并联方式不用对 原有的变换器的结构进行调整，可以充分利用已有的设备，比较容易实现，而 且易于分解和组合，使用灵活。 采用模块化电源系统后，相对于传统的电源系统，具有以下的优势： 1 减少每个开关器件上流过的电流，从而减小电流应力和热应力，提高 系统的寿命和输出电流容量。根据可靠性分析得知：环境温度高于5 0 c 时 元件的寿命，只有其工作在2 5 时的1 6 。 2 可以将开关器件的开关频率最高提高到兆赫级，从而提高了模块的功 率密度，使电源系统的体积、重量下降。 3 实现n + n 冗余输出。所谓n + n 冗余输出是指：电源系统由n + n 台模 块电源并联输出，其中n 台用以提供负载电流，n 台为后备( 或冗余) 模 块：当工作的模块发生故障时，后备模块投入运行，保证了系统的正常使 用。这样即使工作的n 台模块中有n 台发生故障，电源系统仍能提供1 0 0 的负载电流。这样显著提供了系统的可靠性。而且还可以实现热更换( h o t p l u g i n ) ，即在系统不问断供电的情况下，更换失效的模块。 4 提高系统布置的灵活性，易于日常的维护。 5 实现低电压下的大电流输出。 1 3 实现d c d c 变换器并联的主要问题 在电源模块并联化的过程中主要解决的问题是模块间的均流问题，即如何 将负载电流平均地分配给每一个模块电源，同时使输出电压符合要求并保证系 统稳定。如果无法保证并联模块间负载电流的均分，必将使某些模块的输出电 流较大，而另外一些输出电流较小，甚至不输出。这会导致分担电流多模块开 关器件的热应力增大，降低了系统的可靠性。此外为了实现可靠的d c d c 模 块j ：l f ) 还要解决包括提商系统容错能力和动态响应速度。降低噪声等问题。 并联模块输出电流不平均的根本原因是模块参数的不一致。每一个d c d c 中国科学院硕士研究生毕业论文 模块电源都有其相应的输出特性曲线，如图1 _ 2 所示。 v i f r l1 2 d c d c 棋块的输出特性曲线 并联模块的参数不一致会使并联模块具有不同的输出特性曲线，把输出特 性曲线不同的d c d c 模块并联起来就会使某些模块的输出电流较大，而另一 些模块的输出电流较小，即产生均流误差。如图1 2 所示，在相同的输出电压 下，模块1 的输出电流就要比模块2 的大。均流误差的定义如方程( 1 2 ) 所示： ，。是并联模块电源输出电流差值的最大值 t ，是并联系统总输出电流 | v 是并联模块数 均流误差一般和两个因素有关：各并联电源模块空载电压间的差异和负载 特性曲线斜率间的差异。因此要想实现可靠的并联均流就要从这两个因素入手。 1 4 现有的均流方案概述 如1 3 节中所述，每一个模块电源都有其相应的负载特性曲线，其斜率的 绝对值就是其等效内阻抗。当把这些模块并联起来后，他们按照等效内阻抗来 分配负载电流。因此如果能调整每个模块电源的等效内阻抗就可以相应地调整 模块负载特性曲线的斜率，使他们有相同的输出特性，就可以实现并联模块间 9 劲 竺 3 中国科学院硕士研究生毕业论文 的均流。 目前解决并联系统均流问题的方法有很多种，根据各个并联模块间是否存 在相互联系，可以分为两大类：下垂法和主动均流法。采用主动均流法时，并 联模块由一条均流母线( c u r r e n ts h a r i n g b u s ) 联系起来；而采用下垂法时，则没 有均流母线。图1 r 3 给出了这两种均流方式下并联模块的连接方式。在每一类 均流方法中，根据控制电路的结构和并联模块间连接方式的不同，还可以继续 细分。 f 霉法 1 4 1下垂法 幽1 3 均流方案示意幽 主动均流法 下垂法不需要在并联模块电源间建立联系是最简单的实现并联均流的方 法。但它的缺点也很明显：首先它是通过改变模块等效内阻抗实现均流，在提 高均流性能的同时会导致模块的电压调整率下降。文献“1 证明在并联系统输出 电压波动范围为5 ，各并联模块电源负载特性曲线斜率差异为1 时，要想实 现均流精度小于1 0 ，各模块电源空载电压差异必须小于o 3 5 。因此下垂法 难以用在对电压调整率要求较高的电源系统中。其次它要对每一个模块进行个 别调整，而且对于额定功率不同的并联模块，难以实现均流。 采用下垂法时，还有很多因素会影响电流的分配，如：外部运行条件变化， 元器件性能的差异，元件的老化等等。因此当系统运行一段时间后，均流性能 0 中国科学院硕士研究生毕业论文 可能会大幅下降。 使用下垂法实现均流的具体方法很多，当采用b u c k 、b o o s t 和b u c k b o o s t 结构的d c d c 变换器模块，而且工作在电流不连续工作模式( d c m ) 时，可以直 接并联实现均流而不用采用附加措施“”。 也可以采用引入输出电流反馈的方法实现均流。文献“1 给出了一种反馈方 案，如图1 4 所示。在电压反馈型d c d c 变换器中将输出电流引入反馈回路中， 这样当输出电流增加时，输出电压将降低从而调节并联模块的输出阻抗，实现 均流的目的。 | 笠| 1 4 引入电流反坝的均流方案 人为地改变模块的输出阻抗，如加入可调电阻和调整模块连接负载的电缆 l 乜j i r ，r 。，也可以实现均流( 图1 5 ) r t t l , 在实际应用中，适当调整连接电 缆电阻( 外接电阻) ，确实可以在一定程度上改善系统的均流性能。但这样会增 大损耗，降低系统的效率。因此多用在小功率线性并联系统中。而且这种方法 无法自动适应系统的参数的变化，均流效果得不到充分保证。 s u p p l y 斗咩阱 封l v | v 睡r l v 髓 s u p p l y 替n 图1 5 改变输出阻抗的均流方案 中国科学院硕士研究生毕业论文 还有人采用在原有电压反馈环外，引入非线性增益的电流反馈信号的方法 ( 如图1 6 所示) | 7 1 a 该方法在系统重载时有较好的均流性能，尤其适用于数字 化控制，如模糊控制等。 幽1 6 引入非线性增益电流反馈信号的均流方案 1 4 2 主动均流法 和下垂法不同，采用主动均流法的并联模块电源间不是孤立的，而是通过 条均流肆线( s h a r i n gb u s ) 联系起来的。它为每一个模块电源提供了一个电 流基准值而所有并联模块电源则依据这个基准值来调整其输出电流。 根据均流母线与模块电源连接方式的不同，可以将主动均流法分为平均均 流法( 爿p ) 、强迫均流法( d m ) 和最大( 或自动) 均流法( 爿m ) ，其结构如图 1 7 所示。 图1 7 主动均流法的三种形式 中国科学院硕士研究生毕业论文 平均均流法将每一个模块电源的输出电流通过一个电阻连接到均流母线 上，这样均流母线体现的是所有并联模块输出电流的平均值；强迫均流法是人 为指定一个主模块，只将它的输出电流连接到母线上；自动均流法是把模块的 输出电流通过一个二极管连接到母线上，由于二极管的单向导通性，只有对输 出电流最大的模块它才导通，因此母线上体现的是并联模块输出电流的最大值。 在均流母线为并联模块提供了基准电流值后，根据电压反馈环节和均流反 馈环节间的相互关系，又可分为外环式( o l r ) 、内环式( i l r ) 和重环式( d l r ) ， 如图1 8 所示。 外环式内环式重环式 i 警i1 8 主动均流法的三种控制结构 目前很多单独运行的d c d c 变换器都采用电压型的控制方式。在这种情 况下，采用外环法更容易实现模块的并联输出。不用改变模块原有的控制结构， 只需要加一一个均流反馈环米调挫电压给定值，以实现均流a 下面将主要分 析基于外环法的均流策略。图1 9 显示了具体的控制结构图。 图1 9 采用外环式控制结构的主动均流法 中国科学院硕士研究生毕业论文 1 4 2 1 最大( 或自动) 均流法( a m ) 最大均流法中均流母线上体现是输出电流最大的那个d c d c 变换器模块 的电流信号( 转化为电压信号) ，该模块也可称为主模块，其他电源模块( 从模 块) 根据这个电流信号来调整自身的输出电流，直到某一个从模块的输出电流 超过主模块的输出电流，而成为新的主模块，因此这种方法也称为主从法。采 用这种方法可以实现较好的冗余，不会因为某一模块的故障而影响整个系统的 运行，而且均流母线的抗干扰性能比较好。但是由于主从模块总处于不断的切 换中，会导致各个模块的输出电流产生一个低频振荡( 图1 。t 0 ) ，产生摇摆 ( c h a t t e r i n g ) 问题。不过从实际试验结果来看，只要合理设置参数，这个问题 的影响并不十分严重。 幽1 1 0 采川最大均流法时出现的祸摆问题 1 4 2 2 平均均流法( a p ) 平均均流法均流母线上是所有模块输出电流的平均值信号，该信号被送入 每个并联模块作为基准值并和他们的输出电流作比较，产生的差值送入反馈 环节来调整输出电流，达到均流的目的。在这种控制方案中，所有并联模块的 地位相同，爿i 分为主从模块，因而也就不存在c h a t t e r i n g 的问题。 但是当均流母线突然断路，或任一并联模块突然无法工作时，均流母线上 的电流信号将会比每一个模块电源的输出电流都小，导致模块的输出电压减小， 整个并联系统无法正常工作。通常可以通过引入故障传感器，在某一模块发生 中国科学院硕士研究生毕业论文 故障时自动切断其与均流母线的联系来解决这个问题，但这样做会增加系统的 复杂性和成本，同时降低系统的可靠性。 1 4 2 3 强迫均流法( d m ) 这利，方法是在并联的n 个电源模块中，人为地指定其中的一个为“主模块”， 将其输出电流信号作为基准值送入其他并联模块中。使他们的输出电流跟随主 模块变化。这种方法也不存在c h a t t e r i n g 的问题，但由于其本质上说是一种开 环控制，均流精度较低，而且一旦主模块发生故障。并联系统就将无法工作。 1 4 3 外加均流控制器法 除了上面讨论的下垂法和主动均流法外，还有种外加均流控制器法。它 是将每个模块的负载电流信号采集到一个外加的特殊均流控制器中，经过处理 后给出每一个并联模块相应的反馈信号，来实现均流。图1 1 1 是一个采用外加 均流控制器法的并联系统结构图。 图1 1 1 外加均流控制器法结构图 采用外加均流控制器虽然可以获得很好的均流效果和电压调整率，但需要 外加一个均流控制器，一旦它发生故障，系统将无法正常工作；而且当并联模 块较多时，并联系统的连线也较多，在一定程度上也降低了系统的可靠性。基 于这些原因，以往这种方法使用的不多。 可是随着近年来分布式电源系统在通信网络电源方面的发展，这种方法又 受到了重视，凶为在这些系统中，外加均流控制器的功能可以由监控系统中的 中国科学院硕士研究生毕业论文 计算机来实现。如果有较好的硬件和软件支持，就可以很好地实现模块故障检 测和排除。 1 5 本课题研究内容 本文的主要研究内容为：用于d c d c 变换器的并联均流方案的研究。其 目标是针对现有并联均流控制测量的局限性，在已有的研究成果的基础之上， 提出一种实用、合理、具有高度可靠性的均流策略。 这一课题涉及电力电子，控制理论，非线形系统的仿真建模，计算机仿真 及模拟电路等多方面知识的应用，考虑到时间有限，本文主要进行了以下这几 项工作： 1 利用基于状态空间平均法的小信号分析对并联均流的原理进行了理论分 析并对并联的系统的稳定性进行了讨论获得了一些有益的结论。 2 建立模块化电力电子仿真平台 基于m a t l a b 建立了模块化电力电子仿真平台，将主拓扑电路。控制 i 乜路，显示部分，均流电路等封装成模块，通过设定模块的参数实现各种电 力电子的仿真，大大提高了仿真效率，并且初步验证了论文所提出的均流控 制方法的可行性。 3 搭建并联试验平台，实现设计需求目标 在确定实施方案后，设计了均流电路板，对原有d c d c 变换器模块及 其控制电路进行了改装，搭建了并联试验平台。 在所搭建的试验平台上对所设计的并联系统的性能进行试验验证，包括 稳态特性( 包括电压调整率和均流精度等) 和暂态特性( 系统启动和关闭， 突加、突减负载时的表现) 的检验。验证技术的可行性，确保将来能够顺利 地投入到实际应用中。 6 中国科学院硕士研究生毕业论文 第二章d c d c 变换器并联系统的建模与仿真 2 1 d c d c 变换器的基本拓扑结构 d c d c 变换器是d c d c 并联系统的基本组成部分，要想建立d c d c 变 换器并联系统的仿真模型必须先了解d c d c 变换器的基本拓扑结构。根据 d c d c 变换器中是否含有隔离变压器，可以将其分为基本的和带变压器隔离的 两类d c d c 变换器。 2 1 1 基本d c d c 变换器 主要包括b u c k 电路( 图2 1 ) 、b o o s t 电路( 图2 2 ) ，b u c k b o o s t 电路( 图2 3 ) 和c u k 电路( 图2 4 ) 。他们有个共同的特点：输入端和输出端是共地的。因此， 这类d c d c 变换器也被称为三端开关式稳压器。 m 。 所。 图2 1b u c k 式d c d c 变换器拓扑结构 图2 2b o o s t 式d c d c 变换器拓扑结构 中国科学院硕士研究生毕业论文 削2 3b u c k b o o s t 式d c d c 变换器拓扑结构 忖f 二下i 上j 。c v 圈2 4c u k 式d c d c 变换器拓扑结构 山于在这种类型的d c t d c 变换器中是将电感或电容作为传送电能的元 件，因此当输出功率较大时，对电感和电容的要求比较高，导致设计制造比较 困难，所以这种类型的d c d c 变换器多用于中小功率的场合。 2 1 2 采用隔离变压器的d c i ) c 变换器 带变压器隔离的变换器是从基本变换器派生、组合、演变而来的。他们从 哪个基本变换器变来，就具有哪个基本变换器的本质特征( 如电压增益等) 。由 于隔离变压器有单端式、并联式、半桥式和全桥式四种，因此可以通过组合得 到很多种拓扑电路。 2 1 2 1 推挽式( p u s h p u l l ) 变换电路 推挽式( p u s h p u l l ) d c d c 变换器( 图2 5 ) 是最典型的逆变整流型变换器。 中国科学院硕士研究生毕业论文 加在变压器原边的电压波形幅值与输入电压相等，变压器副边电压经整流、滤 波后变为直流电压输出。 2 _ l l d r l i 玩j i一 3 。 j 陀 f t r d r 3 r t d 丰 y l 一 午。 d r 4 图2 s 推挽式d c i d c 变换器拓扑结构 推挽式变换电路的特点是变压器有中心抽头。开关管的发射极接电源负 极，驱动十分方便，不必隔离电路比较简单。 输出电压为： = 其中：是变压器原边的匝数 ：是变压器副边的匝数 l 是一个开关周期内行关管的导通时间 r 是开关周期 这种电路的主要缺点是要求开关管的额定电压值至少是直流输入电压值 的两倍。考虑安全因素，开关管的额定电压耿为直流输入电压值的3 倍。因此 开关管的选择比较麻烦。 2 1 2 2 半桥式( h a l f - b r i d g e ) 变换电路 半桥式d c d c 变换电路( 图2 6 ) 适用于输入电压比较高的场合。与推挽式 d c d c 变换器相比较，它的隔离变压器没有中心抽头，加工比较简单。 1 9 中国科学院硕士研究生毕业论文 t 图2 6半桥式d c d c 燹抉器拓扑结构 在半桥式d c d c 变换器中，c 和c ：是两个数值相等、容量较大的高压电 容器，他们组成一个分压电路。当上下桥臂q 、q ：都截止关断时，爿点处的电 压为输入电压的一半。 当上桥臂q 导通，而下桥臂q ：关断时，输入电压经q i 、隔离变压器原边 对c ：充电，而c ，则经q ，、隔离变压器原边放电。当q ：导通而q 。关断时，情况 州反。当q ，和q ：都关断时，上f 桥鬻中点的电压大约是输入电压的一半。丽 开关管由导通变为截止时，漏感引起的电压尖峰，将被并联二极管筘位，使q 。 和q ：上的最高电压不超过输入电压。 若q 和q ：的占空比为d ，则当不计死区时间影响时，输出电压与输入电 压之比圪。v , 。= k d 2 ，这里k 为变压器r 原副边的匝数比，是一个常数。这 样通过改变开关管的占空比d 就可调节输出电压的商低。 2 1 2 3 全桥式( f u l l b r i d g e ) 变换电路 b u c k 型全桥式d c d c 交换电路的原理见图2 7 。 中国科学院硕士研究生毕业论文 腑，】l 易 l 1 l l j 。t k _ ij d r 2 【j 圈2 7b u c k 型全桥d c d c 燹换器拓扑结构 图中o 、q 3 与q ：、q 。分别为两组同时通断的开关管，c ：是防止变压器 原边直流偏磁的隔直电容，d r i d r 4 是输出整流二极管，是输出滤波电感， c ，是输出滤波电容。 若易、q ，和幺、q 。的占控比为d ，则当不计死区时间影响时，输出电压 与输入电压之比。= k d ，这里k 为变压器霉原副边的匝数比是个常数， 因此通过改变d 就可调节输出电压的高低。 2 2 均流方案的比较和选择 经过反复的比较论证，我最终采用了最大均流法的均流方案。这主要是基 于以下几个原因： 1 同下垂法相比，主动均流法受参数影响小，不会因为在实际使用过程 中出现了参数变动而影响均流效果，而且也有利于提高系统的效率。 2 同平均均流法和强迫均流法相比，主动均流法的可靠性更高。他不会 像强迫均流法那样因为指定的主模块发生故障而导致这个并联系统瘫 痪；也不像平均均流法那样，当均流母线断路，或任一并联模块不工 作时，均流母线上的电流信号将会比每一个模块电源的输出电流都小， 导致并联模块的输出电压减小，整个并联系统无法正常工作。 3 由于是应用在较小规模的电源系统上，没有采用中央处理器，因此也 中国科学院硕士研究生毕业论文 就没有考虑使用外加均流控制器法。 2 3 基于最大均流法的并联系统仿真建模 前面已经分析过，最大均流法是将输出电流最大的并联模块作为主模块， 而将其输出电流作为基准值：其它模块作为从模块，通过调整占空比使他们的 输出电流跟随这个基准值变化，从而实现模块间的均流。对于这个问题也可以 从另一个方面，即从并联模块的输出负载方面进行分析。以由两个并联模块组 t ， 成的并联系统为例，第f 个模块的输出负载r 。，= 7 吆 ，其中厶。，是该模 删f o 块的输i | i i u 流。这样输i n i 乜流大的模块的输负载的数值就小。但是山于，l ：联 系统的总负载月是一定的，只d = r 。刚月 。2 。即两个模块的输出负载是 相互关联的，一个变化了另一个也会随着变化。 因为最大均流法是使从模块的占空比变化一个d ，而主模块的占空比保持 不变，因此分析清楚a d 与模块输出负载间的关系就是十分必要的了，可以对 均流控制电路参数的选择提供指导意义。下面以一个由两个运行在电流连续模 式下的b u c k 型d c d c 变换器组成的并联系统为例，建立基于状态空间平均法 的小信号模型加以分析。 2 3 1基于状态空间平均法的小信号分析 2 3 1 1最大均流法的均流原理分析 典型的b u c k 型d c d c 变换器的拓扑结构如图2 8 所示。图中忽略了输出 电容的等效电阻，只考虑了电感的附加电阻也。 中国科学院硕士研究生毕业论文 玩 三r l 尹 c i r zi-i 4 - r 。| - l r 【 乙t y l i 幽2 8b u c k 型d c d c 变换器的拓扑结构 + 卜 当开关管q 刀= 通和关断时，忽略开关管和二极管的导通压降，b u c k 型 d c d c 变换器的电路结构分别如图2 9 和图2 1 0 所示。 k 。 三r l l e d 一z t 删l ；骨h r i - o y l 一 m 。 幽2 9 开芙导通时b u c k 型d c d c 变换器的电路 三r l l 一节7-， il z ih 。r f 图2 1 0 开关关断时b u c k 型d c d c 变换器的电路 十 卜 + 卜 从上面的两图可以得到一个并联模块在这两个状态下所对应的状态方程， 如式2 1 、式2 2 所示。 = 一z 1r 。, i - 1 三v 十孥 1 1v cc 4 0 耐 ( 2 1 ) 中国科学院硕士研究生毕业论文 【百d i 一圭r l i - 圭vl 衍 d v 1 1v 1 4 t ld t ccr 删 ( 2 2 ) 其中：r 。是这个并联模块的输出负载，即输出电压和浚模块 输出电流的比值 由于d c d c 变换器的开关频率要比其输出滤波器的截止频率高很多，因 此电路的响应速度主要取决于输出滤波器，在这种情况下可以对d c d c 变换 器不同状态下的状态方程进行加权“平均”。平均值的加权因子是d c d c 变 换器在一个开关周期内处于两个不同状态下的时间与开关周期之比，在电流连 续模式下即为占空比d 和l - n 这样可以得到电流连续模式下的b u c k 型d c d c 变换器的状态平均方程，如式2 3 所示。 f 堕：一土肌f 一! v + 型 i 研工三 l 咖1 1 ” l = j l d t c c d ( 2 3 ) 对于并联系统，由于每个并联模块的反馈电压和控制电路是相同的，所以 在引入均流电路前，每个并联模块的开关占空比都是相同的；而采用最大均流 法后，从模块的开关占空比有小幅增大，主模块的占空比不变。为了下面的分 析提出这样一个假设：在均流电路启动前后，并联系统的输出电压保持不变。 为了验证假设的合理性，在m a t l a b 中建立一个并联系统仿真平台，希 望利用这个平台来证明假设的合理性。图2 11 在m a t l a b 中搭建的并联系统 仿真平台( 具体结构将在后面详细说明) ，采用了两个工作在电流连续模式下的 b u c k 型d c d c 变换器模块。 中国科学院硕士研究生毕业论文 1 j e l2 11基于m a t l a b 的并联系统仿真平台 在0 1 6 s 时人为地将模块2 的p w m 信号占空比的数值增大o 0 4 ，而模块1 的p w m 信号占空比的数值保持不变。图2 1 2 是仿真的结果。 l 鳌| 2 1 2 基于m a t l a b 仿真平台的仿真结果 最上面是并联系统的输山电压，中间两翻分别是两个并联模块开关占空比的数值，最 f 面是他们开关i 与空比数值的差值。 从图中可以看出当模块l 的占空比保持不变，而模块2 的占空比数值d 2 增大o 0 4 后，并联系统的输出电压乃。保持不变，从而验证了假设的合理性。 这样对于最大均流法中的从模块而言，它的占空比、输出电流和输出负载 中国科学院硕士研究生毕业论文 发生了变化，而系统的输出电压保持不变，即： h m d2r 1 4 甜+ 最| d d = d 十d f - ，+ a i ( 2 4 ) v = v o 将式2 4 代入式2 3 可以得到式2 5 。 ( d + 必) ：( r i o u d + 毗) ( ，+ 血) + l 掣+ 屹 a t j + & ： 匕 r d + 厶r 由于所有的, j q 言- 号数值都较小两个小信号的乘积就更小，所以可以将两个 小信号的乘积部分忽略。这样可以将式2 5 中的暂念小信号部分和稳态分量分 开，得到稳态分量利暂态小信号的方程组( 2 6 ) 和( 2 7 ) 。 稳态部分： 暂态部分： f0 = 一r ，一矿。+ v ，。d o ：，一上l ( 2 6 ) ir v 。, a d ；r ，a i + 。了d a i 卜志ra r 一告 【 “+ d只“ 对式2 7 进行l a p l a c e 变换，可以推得： ( 2 7 ) _ d = 一( r l + l s ) 圪j i ：j 石 ( 2 8 ) 忽略小信号的乘积，由式2 8 推出式2 9 一盟圭业歙，。( s ) ：v , a d ( s ) 尺。+ k a d ( j ) a r 。( j ) * k a d ( s ) 月。( 2 9 ) “w 中国科学院硕+ 研究生毕业论文 由式2 9 可以得出： r “。( s ) = 一( r l 互+ 竺i l 丝s ) v 一d ( s ) ( 2 1 0 ) 假设均流过程中，从模块的占空比变化量d 是一个常量，那么a a ( j ) ：垒生 占 将其代入式2 1 0 ，得到： = 一害等 对式2 1 1 进行l a p l a c e 反变换得到 战。= 一寄v 2 ( 1 _ e - 扎l ) d ( 2 1 2 ) 因为r 。要比r 。大很多，所以较小的a d 就可以使模块的输出负载发生较大 的变化，当然这还与时洲常数砉有关。这样当从模块的占空比增大时，会减 小其输出负载，增大其输出电流；另一方面，主模块的输出负载会相应增大 其输出电流会减小，从而实现了模块问输出电流的均分。 2 3 1 2 并联系统的稳定性分析 k ， 图2 1 3 并联模块的控制结构 中国科学院硕士研究生毕业论文 图2 1 3 是并联模块的控制结构。在设计均流环时，一般要使其穿越频率低 于电压反馈环路的穿越频率，使均流环的动态响应速度比较慢。这样当系统发 生扰动和负载发生交化时，可以将并联系统的动态响应分成两个阶段：第一阶 段是均流环不动作，只有电压环动作，相当于不加均流环节。这样不影响原有 电压型d c d c 变换器的稳定性。第二阶段是当均流环节开始动作时，并联模 块已经达到了一个稳定状态，其输出电压保持稳定。只是输出电流可能没有均 分。均流环节的动作就像上一节讨论的那样，在保持并联模块输出电压不变的 条件下，调节各个并联模块的占空比，实现并联均流。因此如果均流环节的参 数设计合理，并联系统的稳定性是可以得到保证的。 2 3 2 基于m a t l a b 平台的并联仿真 并联仿真模型采用了两个b u c k 型的d c d c 变换器模块采用了最大均流 法模式，仿真框图如图2 1 4 所示。 图2 1 4 并联系统仿真框图 仿真平台的控制电路采用了三环结构：最外层是限流环，中间是均流环， 电压环在最内层。在电压环和均流环之外还要引入限流环是因为：由于并联模 块参数的不平衡性，输出电流往往无法在模块间平均分配。这个问题在系统启 动以及突加、突减负载时会显得更加严重。动态响应较快的那个并联模块会在 中国科学院硕十研究生毕业论文 短时间内承担绝大部分输出电流，超过其电流允许的范围，导致过流保护甚至 损伤开关器件，降低了系统的可靠性。而采用限流电路可以从根本上避免在这 种情况的发生。限流电路采用了“逐周”检测的方法，在每个周期内检测并联 模块的输出电流一旦超过限流值，马上关断该并联模块的p w m 输出，从而 达到了限制电流输出的目的。 2 3 2 1 仿真模块的结构与功能介绍 基于模块化仿真的思想，仿真框图分为以下儿部分：主拓扑结构( b u c k b l o c k ) ，p w m 发生模块( s i n g l ep w mg e n e r a t o r ) ，控制模块( c o n t r o lb l o c k ) ，均 流模块( c u r r e n ts h a r i n gb l o c k ) ，负载以及显示模块。 主拓扑模块：元器件的实际值和其标称值一般都会有一定的偏差，再加上 分布参数，如电感、电容的附加电阻等的影响，即使是同样规格的d c d c 变 换器模块实际上也是存在差异的。在b u c k 型拓扑中，考虑了电感的附加电阻， 而忽略了电容的附加电阻。实际仿真的主电路拓扑电路如图2 1 4 所示。 i ：g n d 蚓2 1 4 主电路拓扑 p w m 发生模块：仿真采用了具有限流功能的p w m 发生模块，参数设置 面板如图2 1 5 所示。模块最大允许输出电流6 0 a ，最大占空比0 9 ，开关频率 2 0 k h z ，输出信号的误差率为1 2 5 0 ，即0 4 。 中国科学院硕士研究生毕业论文 图2 15p w m 发生模块参数设置面板 解除封装后，p w m 发生模块的内部结构如图2 1 6 所示。方框里的部分是 生成频率为2 0 k h z ，幅值为0 5 的三角波：方框外面的部分是将电压参考值与 该三角波比较，输出标准的p w m 控制波形。 幽2 1 6p w m 发生模块的内部结构 控制模块：采用了电压环在内，均流环在外的控制模式，参数设置面板和 结构框图分别如图2 1 7 、图2 1 8 所示。在参数设置面板中可以设置模块的输出 电源基准值，p i 调节器的参数和最大占空比等参数。 中国科学院硕士研究生毕业论文 闰2 1 7 控制模块参数设置面板 图2 1 8 控制模块内部结构框图 均流控制模块：采用的是基于主从法的最大均流法，原理前文已经介绍过 这里不再重述。模块内部结构如图2 1 9 所示。 幽2 1 9 均流控制模块内部结构框图 3 中国科学院硕士研究生毕业论文 2 3 2 2 基于m a t l a b 平台的并联系统仿真 在仿真中为了更清楚地说明问题，人为地加大了一些并联模块的参数差异， 参数如下：并联系统输入电压7 0 伏，输出电压4 8 伏。负载o 4 8 欧姆。两个 d c d c 并联模块的电感分别为1 0 微亨和1 4 微亨，其电感附加电阻分别为1 毫 瞅和1 4 毫欧，输出电容都是2 2 0 0 微法。 圈2 2 0 并联系统输出电压、各个模块输出电流以及他们间的差值 图2 2 0 是并联系统在没有均流也没有限流时的输出电压( 最上面) 、输出 电流( 中涮) 和模块问电流差异( 最下面) 的曲线。可以看出并联系统输出电 压稳定在4 8 v ，而由于并联模块问参数差异较大，模块1 的输出电流最后为 5 4 6 a ，而模块2 则为4 4 8 a ，相差9 8 a ，误差率为9 8 2 ( 5 4 6 + 4 4 8 ) = 1 9 7 图2 2 1 并联系统输出电压、各个模块输出电流以及他j f l l t h q 的差值 中国科学院硕士研究生毕业论文 图2 2 1 是并联系统在有限流环节、0 1 5 s 打开均流电路时输出电压( 最上面) 、 输出电流( 中间) 和模块间电流差异( 最下面) 的曲线。可以看出输出电压始 终稳定在4 7 7 v ，引入均流环节对其没有影响。稳定后模块1 输出电流4 9 8 a ， 模块2 输出电流4 9 5 a ，误差率为0 3 x 2 ( 4 9 8 + 4 9 5 1 = o 6 。 前文已经讨论过在一些动态过程中，如启动或突加、突减负载，由于并联 模块间参数的不平衡性可能会导致出现由一个模块在短时间内承担大部分输出 电流的情况，这对提高系统的可靠性是十分不利的。为了解决这个问题，我在 均流控制电路中又引入限流环节，构成一个三环控制系统( 详细的说明见章节 3 1 5 ) 。 圈2 2 2 是在负载0 4 8 欧姆，模块最大允许输出电流为5 5 a 时，先投入l 号模块，在o 0 3 s 后再投入2 号模块时的输出电压( 最上面) 、输出电流( 中间) 和模块问电流差异( 最下面) 的曲线。 闰2 2 2 并联系统输出电压、各个模块输出电流以及他们间的差值 由于初始的一段时间内负载电流全部由1 号模块提供，当其输出电流达到 限流值时，限流环节动作将并联系统输出电压限弗4 在2 6 4 v ，从而保证模块1 的输出电流不超过限流值。当2 号模块也启动后，承担了部分负载电流，输出 电压才逐渐上升，并最终稳定在4 7 8 v 。最后稳定时并联系统输出电流9 9 7 a ， 由两个并联模块平均分配。 中国科学院硕十研究生毕业论文 图2 2 3 是系统突加负载时的输出电压( 最上面) 、输出电流( 中间) 和模 块问电流差异( 最下面) 的曲线。系统负载在o 1 6 s 由o 4 8 欧姆变到o 3 6 欧姆， 模块的限流动作值设在6 0 a 。由于突加负载后并联系统的输出电流已经超过了 单个模块的限流值，所以限流电路自动降低了系统的输出电压，保证了模块的 输出电流不超过限流值。这样即使负载发生部分短路并联系统仍能正常工作。 闰2 2 3 行联系统输出电压、箨个模块输山电流以及他们间的差值 2 4 本章小节 通过建立基于状态空间平均法的并联系统模型，从理论上分析了并联系统 模块输出电流不平衡产生的原因以及决定不平衡情况的因素。对并联系统的均 流原理和稳定性进行了分析与讨论，对于并联系统的均流问题从理论上给出了 解决的方向。 经过基于m a t l a b 的仿真，证实了具有限流功能的采用最大均流法的均 流方案是可行的，均流精度可以满足要求而且系统的动态性能也令人满意，可 以作为实际应用的均流方案。 中国科学院硕士研究生毕业论文 第三章具有限流功厶匕f i t n , j 最大均流法并联系统 3 1并联试验平台的建立 在经过理论推导和m a t l a b 仿真后具有限流功能的最大均流法均流控 制方案的可