極端條件下ISOP組合變換器的單環(huán)輔助電路均壓法

蚌埠學(xué)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(huán)輔助電路均壓法

蚌埠學(xué)院電子與電氣工程系 錢嘉偉 顏 紅 楊得志

輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)(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(diào)節(jié)占空比為手段來實現(xiàn)均壓，但是在極端條件下，會發(fā)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(huán)也無法均壓的原因，然后提出單環(huán)輔助電路均壓法，簡單有效地實現(xiàn)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(lián)輸出并聯(lián)；均壓；極端條件；輔助電路

輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)(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(jù)應(yīng)用場合的要求靈活構(gòu)建，并且有很強的冗余能力以及易于擴展和更換等優(yōu)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(tǒng)中模塊輸入均壓及輸出均流之間的關(guān)系，提出了通過輸入均壓環(huán)來實現(xiàn)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(diào)節(jié)輸入電容的充放電量，從而實現(xiàn)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(diào)節(jié)占空比能有效的調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)的余量，因此通過占空比調(diào)節(jié)來實現(xiàn)均壓的策略會失效，導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)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(huán)輔助電路均壓法來實現(xiàn)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(lián)輸出并聯(lián)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(shù)不匹配等都會導(dǎo)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(shè)計的安全裕量范圍內(nèi)，對其正常工作不會造成嚴重的影響。這些因素之外，如開關(guān)管通態(tài)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(dǎo)致不均壓的重要原因。設(shè)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(shè)輸入處于均壓狀態(tài)，則UA1B1=UA2B2，設(shè)定Rls2>Rls1，如果輸出也處于均流狀態(tài)，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(lián)，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(dǎo)致輸入電壓不均。

為了保證輸出電壓的穩(wěn)定，必須加入輸出電壓環(huán)進行閉環(huán)控制。若兩個模塊共用一個輸出電壓環(huán)信號對輸出電壓進行調(diào)節(jié)，則兩個模塊的占空比一致。在正常負載下，假設(shè)uin2>uin1，由于輸入串聯(lián)，穩(wěn)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(tài)。根據(jù)以上分析可知，兩模塊共用輸出電壓環(huán)可以實現(xiàn)輸入的均壓，因此不需要額外加入均壓環(huán)進行調(diào)節(jié)。當然在共用輸出電壓環(huán)的過程中，由于兩模塊控制芯片是獨立的，因此產(chǎn)生的鋸齒波可能略有差異，造成開關(guān)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(guān)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(shè)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(shù)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(huán)能夠使ISOP變換器調(diào)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(huán)的占空比非常小，一般處于間歇工作狀態(tài)，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(huán)，由于輸入均壓環(huán)的本質(zhì)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(diào)節(jié)模塊的輸出功率，以實現(xiàn)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(xiàn)。

因此要實現(xiàn)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(huán)輔助電路均壓法

由上一節(jié)的分析可知，在正常負載時，共用輸出電壓環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)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(huán)法，甚至加入輸入均壓環(huán)都不能實現(xiàn)輸入的均壓，因此本節(jié)將對共用輸出電壓環(huán)(單環(huán))法加以改進，以實現(xiàn)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(jù)效率的要求進行估算。假設(shè)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(shè)為不超過Pom的1%，當然也可以根據(jù)實際情況自行設(shè)定，則R取值為：

單環(huán)輔助電路均壓法相對其他均壓控制法，結(jié)構(gòu)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(nèi)的正常運行。

3. 仿真及實驗驗證

為了驗證本文提出的單環(huán)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(tǒng)的主要參數(shù)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(guān)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(guān)管上串入了兩個0.5Ω電阻。圖3為共用輸出電壓環(huán)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(huán)，能夠?qū)崿F(xiàn)均壓，但是在8ms進入空載后，輸入電壓出現(xiàn)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(huán)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(jù)公式(2)計算可得，R=4701Ω，實際取4.7kΩ。設(shè)置在3ms處，負載由滿載跳變?yōu)榭蛰d。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(tǒng)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(tǒng)可以正常工作，圖中Q2波形為其驅(qū)動波形。

圖4 單環(huán)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(huán)輔助電路均壓法的有效性，與現(xiàn)有的各種均壓法相比，簡單可靠且可以實現(xiàn)全負載范圍的均壓。

4. 結(jié)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(shù)不一致原因外，電路損耗不一致也是導(dǎo)致不均壓的重要原因。提出在共用輸出電壓環(huán)時，能夠保證輸入電壓的基本均分，系統(tǒng)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(huán)也不能實現(xiàn)輸入均壓的原因。提出了在共用輸出電壓環(huán)的基礎(chǔ)上加入輔助電路進行均壓的單環(huán)輔助電路均壓法，在正常負載的時候，共用輸出電壓環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)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(wěn)定電壓，保證系統(tǒng)在整個負載范圍內(nèi)穩(wěn)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(lián)輸出并聯(lián)組合變換器控制策略的研究[D].南京航空航天大學(xué),2007.

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

[3]陳武,阮新波,顏紅.DC-DC多模塊串并聯(lián)組合系統(tǒng)控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報,2007,24(7):56-61.

[4]陳武,阮新波,顏紅.多變換器模塊化串并聯(lián)組合系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)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(xué),2005.

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目(201411305033)。