CN104935177A - 用于多模块并联组合dc-dc变换器的均流控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于多模块并联组合DC-DC变换器的均流控制系统及控制方法，在电压环闭环调制下，并联的DC-DC变换器模块的输出电压与参考电压之间的差值送至电压调节器，电压调节器将根据扰动调节变换器的移相占空比并将输出信号传送至参数估算模块，参数估算模块对由与输出电流相关的参数形成的方程组进行求解并将求解结果传送至输出电流估算模块；输出电流估算模块进行输出电流估算并将估算结果传输至均流环控制模块，均流环控制模块对估算结果及共同占空比D进行均流处理得到各个模块的移相占空比的调整信号；本发明不需要增加电流检测单元对各并联模块的电流进行采样就能够实现各并联模块间的均流。

Description

用于多模块并联组合DC-DC变换器的均流控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，涉及DC-DC变换器领域的三个及以上模块输入并联输出并联的相关技术，尤其涉及DC-DC变换器的无电流互感器的并联均流技术。

背景技术

随着科学技术的发展，大容量电源系统得到越来越广泛的应用，这对DC-DC变换器的电压电流等级、容量、功率密度提出了越来越高的要求。DC-DC变换器输入并联输出并联，能提高整个组合变换器的功率等级，同时单个DC-DC变换器中的变压器容量、开关管的电流应力仍处于较小的值，保证了变换器的小型轻量化和高效率、高功率密度。另外，各个变换器间采用交错并联控制，减少了输入和输出电流纹波，从而减小了滤波电容的容量和体积。

但是，由于元件容差、环境变化等因素的影响，组合变换器中各模块的元件参数不可避免地会存在差异，这将导致模块间的电流不均衡，使开关器件承担不同的电流应力和热应力，从而缩短了开关器件的寿命，降低了整个变换器的效率和可靠性。因此，模块间均流成为输入并联输出并联组合变换器的重要研究方向之一。

目前，输入并联输出并联组合变换器的均流技术主要有下垂法和有源均流法两大类。下垂法通过改变每个模块的输出阻抗来实现模块间均流，主要适用于小功率场合。有源均流法需要电流检测单元对每个模块进行电流采样，控制系统较为复杂，成本较高，且均流母线对噪声的敏感度很高，影响均流效果。

总之，现有的输入并联输出并联组合变换器的均流技术不能满足目前的大容量电源系统的需要，亟需一种新型的用于多模块DC-DC变换器并联的均流控制系统及方法。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种用于多模块并联组合DC-DC变换器的无电流传感器均流控制系统及控制方法，本发明不需要电流检测单元对各模块电流进行采样就能够实现三个及以上并联模块间的均流。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

用于多模块并联组合DC-DC变换器的均流控制系统，包括输入端并联且输出端并联的至少三个DC-DC变换器模块，其特征是，在电压环闭环调制下，并联的DC-DC变换器模块的输出电压与参考电压之间的差值送至电压调节器，电压调节器根据扰动调节DC-DC变换器的移相占空比并将该信号送至参数估算模块，参数估算模块根据DC-DC变换器模块移相占空比的变化量得到与输出电流相关的参数并对由与输出电流相关的参数形成的方程组进行求解并将求解结果传送至输出电流估算模块；输出电流估算模块根据求解结果及DC-DC变换器模块的移相占空比进行输出电流估算并将估算结果传送至均流环控制模块，均流环控制模块对估算结果及共同占空比D进行均流处理得到调整后的各个DC-DC变换器模块的移相占空比，实现DC-DC变换器模块的输出均流。

进一步的，电压检测电路用于检测并联的DC-DC变换器模块的输出电压。

进一步的，所述至少三个DC-DC变换器模块的电路结构相同，均包括依次相连的第一全桥桥式电路、高频隔离变压器和第二全桥桥式电路，高频隔离变压器带有折算到原边的漏感，DC-DC变换器模块的输入端及输出端分别并联有电容。

基于上述的用于多模块并联组合DC-DC变换器的均流控制系统，本申请还公开了对应的用于多模块并联组合DC-DC变换器的均流控制方法，包括：

首先采用共同占空比控制每个DC-DC变换器模块，即每个DC-DC变换器模块的移相占空比相同，均为电压环调节器的输出；

在共同占空比控制下每个DC-DC变换器模块输出稳定后，依次将每个DC-DC变换器模块的移相占空比减去一个恒定偏置量，同时保持电压环闭环控制，系统稳定后，计算其余模块的移相占空比的增加量，得到表示各模块与输出电流相关的参数X₁、X₂、…、X_i、…、X_n之间的关系的方程组；

对上述方程组进行求解，令h_i＝k_i·d_i·(1-d_i)，h₁,h₂,…,h_i,…,h_n的平均值即为均流环的参考值h_ref，将均流环的参考值h_ref分别与h₁,h₂,…,h_i,…,h_n相减，产生电流误差信号，电流误差信号通过均流环，得到各个模块的移相占空比的调整信号Δd_i。

所述的每个DC-DC变换器模块通过调节移相占空比控制输出电压，移相占空比d由下式给出：

其中，为DC-DC变换器模块中第一全桥和第二全桥间的移相角。

进一步的，得到表示各模块与输出电流相关的参数X₁、X₂、…、X_i、…、X_n之间的关系的方程组，具体实现的过程为：

在共同占空比控制下系统稳定后，将第一个DC-DC变换器模块的移相占空比减去一个恒定偏置量，同时保持电压环闭环控制，系统稳定后，计算其余模块的移相占空比的增加量，则各模块与输出电流相关的参数X₁、X₂、…、X_i、…、X_n之间的关系，可以由下式给出：

$X_2+X_3+...+X_n=\frac{(1-2D)\·{\mathrm{\Δd}}_{11}+{\mathrm{\Δd}}_{11}^2}{(1-2D)\·{\mathrm{\Δd}}_{12}-{\mathrm{\Δd}}_{12}^2}\·X_1---\left(2\right)$

其中，Δd₁₁为第一个DC-DC变换器模块的移相占空比的减小量，Δd₁₂为其余DC-DC变换器模块的移相占空比的增加量，X_i为第i个模块与输出电流相关的参数，可以由下式给出：

$X_i=\frac{V_{in}}{2f_s}\·\frac{n_i}{L_i}---\left(3\right)$

其中，V_in为输入电压，f_s为开关频率，n_i为第i个模块的变压器变比，L_i为第i个模块的变压器折算到原边的漏感，i＝1,2,…,n；

重复上述过程，分别将第2、3、……、(n-1)个模块的移相占空比减去一个恒定偏移量，计算其余模块的移相占空比的增加量，可以得到(n-2)个关于X₁、X₂、…、X_i、…、X_n的与方程式，联立这些方程式，得到如下的方程组：

其中，a_i是参数计算过程中的一个中间变量， $a_i=\frac{(1-2D)\·{\mathrm{\Δd}}_{i1}+{\mathrm{\Δd}}_{i1}^2}{(1-2D)\·{\mathrm{\Δd}}_{i2}-{\mathrm{\Δd}}_{i2}^2},i=1,2,...,(n-1).$ Δd_i1为第i个DC-DC变换器模块的移相占空比的减小量，Δd_i2为其余DC-DC变换器模块的移相占空比的增加量。

方程组(4)有无数组解，求取其中任意一组解[k₁ k₂ k₃ … k_i … k_(n-1) k_n]^T，令h_i＝k_i·d_i·(1-d_i)，显然h₁,h₂,…,h_i,…,h_n与各个DC-DC变换器模块的输出电流成正比，其中d_i为第i个DC-DC变换器模块的移相占空比，h_i为第i个DC-DC变换器模块的等效输出电流值。

均流环的参考信号可以由下式给出：

$h_{ref}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{h}_i---\left(5\right)$

均流环的参考值h_ref分别与h₁,h₂,…,h_i,…,h_n相减，产生电流误差信号，电流误差信号通过均流环，得到各个模块的移相占空比的调整信号Δd_i，则任意一个模块(如第i个DC-DC变换器模块)的移相占空比可以由下式给出：

d_i＝D+Δd_i   (6)

其中，Δd_i为第i个DC-DC变换器模块移相占空比的调整信号，i＝1,2,…,n。

本发明不需要增加电流检测单元对各并联模块的电流进行采样就能够实现各并联模块间的均流。

本发明的有益效果：

本发明通过扰动变换器的移相占空比，测算出各个模块的与输出电流相关的参数，根据该参数调节各个模块的移相占空比，补偿模块间的参数不匹配，实现模块间的有效均流。本发明不需要电流互感器对各模块电流进行采样，极大地简化了控制的复杂程度，同时降低了成本。

附图说明

图1为本发明无电流互感器的均流控制方法的主电路拓扑原理图；

图2为本发明无电流互感器的均流控制方法的控制系统原理图；

图3为本发明的均流环调制器的原理图；

图4为三模块并联采用共同占空比控制时每个模块的变压器原边漏感电流波形；

图5为三模块并联采用本发明的均流控制方法时每个模块的变压器原边漏感电流波形；

图6为三模块并联采用共同占空比控制时每个模块的输出电流波形；

图7为三模块并联采用本发明的均流控制方法时每个模块的输出电流波形。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

作为本发明的一种适用电路，多模块并联组合DC-DC变换器，其主电路由n个(n≥3)双主动桥DC-DC变换器模块组成，如图1所示。模块1由全桥桥式电路H_p1、高频隔离变压器T₁和全桥桥式电路H_s1连接而成，变压器T₁带有折算到原边的漏感L₁；模块2由全桥桥式电路H_p2、高频隔离变压器T₂和全桥桥式电路H_s2连接而成，变压器T₂带有折算到原边的漏感L₂；模块n由全桥桥式电路H_pn、高频隔离变压器T_n和全桥桥式电路H_sn连接而成，变压器T_n带有折算到原边的漏感L_n；n模块输入端并联输出端并联，输入端并联电容C₁，输出端并联电容C₂。

下面详细介绍本发明实施方式的具体过程：

本发明的控制系统原理图如图2所示，电压环调节器的输出为D。首先，采用共同占空比控制，n个模块的移相占空比相同，均为电压环调节器的输出，即d₁＝d₂＝…＝d_n＝D。系统达到稳定状态后，第i个模块(i＝1,2,3,...,n)的输出电流I_oi由下式给出：

$I_{oi}=\frac{n_i\·V_{in}\·D\·(1-D)}{2L_i\·f_s}---\left(1\right)$

其中，n_i为变压器T_i的变比，L_i为变压器T_i折算到原边的漏感，f_s为开关频率。

在保持电压环闭环调制的同时，将模块1的移相占空比调节为共同占空比D减去一个小的恒定偏移量Δd₁₁，即模块1的占空比可以表示为：

d₁＝D-Δd₁₁   (2)

在电压环闭环控制下，总的负载电流不变，因此，在电压环闭环控制下，总的负载电流保持不变，因此，模块1输出电流的减少量就等于其余模块输出电流的增加量的和。由此可以计算出各个模块的电路参数X₁,X₂,…,X_i,…,X_n之间的关系，由下式给出：

$X_2+X_3+...+X_n=\frac{(1-2D)\·{\mathrm{\Δd}}_{11}+{\mathrm{\Δd}}_{11}^2}{(1-2D)\·{\mathrm{\Δd}}_{12}-{\mathrm{\Δd}}_{12}^2}\·X_1---\left(3\right)$

其中，Δd₁₁为第一个DC-DC变换器模块的移相占空比的减小量，Δd₁₂为其余DC-DC变换器模块的移相占空比的增加量。X_i为第i个模块与输出电流相关的参数，可以由下式给出：

$X_i=\frac{V_{in}}{2f_s}\·\frac{n_i}{L_i}---\left(4\right)$

其中，V_in为输入电压，f_s为开关频率，n_i为第i个模块的变压器变比，L_i为第i个模块的变压器折算到原边的漏感，i＝1,2,…,n。

由式(1)和式(4)可得到X_i与输出电流I_oi的关系，即：

I_oi＝X_i·D·(1-D)   (5)

重复上述过程，分别将第2、3、……、(n-1)个模块的移相占空比减去一个小的恒定偏移量Δd₂₁、Δd₃₁、……、Δd_(n-1)1，取恒定偏置量为共同占空比的40％，计算其余模块的移相占空比的增加量，可以得到(n-2)个关于X₁、X₂、…、X_i、…、X_n的与式(3)相似的方程式，联立这些方程式，得到如下的方程组：

其中，a_i是参数计算过程中的一个中间变量， $a_i=\frac{(1-2D)\·{\mathrm{\Δd}}_{i1}+{\mathrm{\Δd}}_{i1}^2}{(1-2D)\·{\mathrm{\Δd}}_{i2}-{\mathrm{\Δd}}_{i2}^2},i=1,2,...,(n-1).$ Δd_i1为第i个DC-DC变换器模块的移相占空比的减小量，Δd_i2为其余DC-DC变换器模块的移相占空比的增加量。

方程组(6)有无数组解，求取其中任意一组解[k₁ k₂ k₃ … k_i … k_(n-1) k_n]^T，令h_i＝k_i·d_i·(1-d_i)，显然h₁,h₂,…,h_i,…,h_n与各个模块的输出电流成正比。其中d_i为第i个DC-DC变换器模块的移相占空比，h_i为第i个DC-DC变换器模块的等效输出电流值。

对h₁,h₂,…,h_i,…,h_n求平均值得到均流环的参考信号，由下式给出：

$h_{ref}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{h}_i---\left(7\right)$

均流环调制器的原理图如图3所示。均流环的参考值h_ref分别与h₁,h₂,…,h_i,…,h_n相减，产生电流误差信号，电流误差信号通过均流环，得到各个模块的移相占空比的调整信号Δd_i，则任意一个模块(第i个DC-DC变换器模块)的移相占空比可以由下式给出：

d_i＝D+Δd_i   (8)

其中，Δd_i为第i个DC-DC变换器模块移相占空比的调整信号，i＝1,2,…,n。

进入稳定状态后，各模块输出电流相等，实现模块间的均流。

图4—图7是本发明用于多模块并联组合DC-DC变换器的无电流传感器均流控制方法的仿真波形。不失一般性，以三个模块并联为例，仿真参数为：输入电压V_in＝30V，输出电压V_o＝80V，负载Ro＝16Ω，开关频率f_s＝20kHz，输出功率P＝400W。模块1的变压器变比n₁＝1:3.1，漏感L₁＝28μH；模块2的变压器变比n₁＝1:3.0，漏感L₁＝25μH；模块3的变压器变比n₂＝1:3.1，漏感L₂＝22μH。图4、图6分别为三模块并联采用共同占空比控制时每个模块的变压器原边漏感电流波形和输出电流波形；图5、图7分别为三模块并联采用本发明的均流控制方法时每个模块的变压器原边漏感电流波形和输出电流波形。可以看出，由于每个模块的参数不尽相同，当采用共同占空比控制时，每个模块原边漏感电流和副边输出电流平均值都存在明显偏差，不能很好地均流。而采用本发明的均流控制方法时，每个模块原边漏感电流和副边输出电流平均值都趋向一致，达到了明显的均流效果。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.用于多模块并联组合DC-DC变换器的均流控制系统，其特征是，包括输入端并联且输出端并联的至少三个DC-DC变换器模块，其特征是，在电压环闭环调制下，并联的DC-DC变换器模块的输出电压与参考电压之间的差值送至电压调节器，电压调节器根据扰动调节变换器的移相占空比并将该信号送至参数估算模块，参数估算模块根据DC-DC变换器模块移相占空比的变化量得到与输出电流相关的参数并对由与输出电流相关的参数形成的方程组进行求解并将求解结果传送至输出电流估算模块；输出电流估算模块根据求解结果及DC-DC变换器模块的移相占空比进行输出电流估算并将估算结果传输至均流环控制模块，均流环控制模块对估算结果及共同占空比D进行均流处理得到调整后的各个DC-DC变换器模块的移相占空比，实现DC-DC变换器模块的输出均流。

2.如权利要求1所述的用于多模块并联组合DC-DC变换器的均流控制系统，其特征是，电压检测电路用于检测并联的DC-DC变换器模块的输出电压。

3.如权利要求1所述的用于多模块并联组合DC-DC变换器的均流控制系统，其特征是，所述至少三个DC-DC变换器模块的电路结构相同，均包括依次相连的第一全桥桥式电路、高频隔离变压器和第二全桥桥式电路，高频隔离变压器带有折算到原边的漏感，DC-DC变换器模块的输入端及输出端分别并联有电容。

4.基于权利要求1所述的用于多模块并联组合DC-DC变换器的均流控制系统的控制方法，其特征是，包括：

首先采用共同占空比控制每个DC-DC变换器模块，即每个模块的移相占空比相同，均为电压环调节器的输出；

在共同占空比控制下每个DC-DC变换器模块输出稳定后，将每个DC-DC变换器模块的移相占空比减去一个恒定偏置量，同时保持电压环闭环控制，系统稳定后，计算其余模块的移相占空比的增加量，得到表示各模块与输出电流相关的参数X₁、X₂、…、X_i、…、X_n之间的关系的方程组；

对上述方程组进行求解，令h_i＝k_i·d_i·(1-d_i)，h₁,h₂,…,h_i,…,h_n的平均值即为均流环的参考值h_ref，将均流环的参考值h_ref分别与h₁,h₂,…,h_i,…,h_n相减，产生电流误差信号，电流误差信号通过均流环，得到各个DC-DC变换器模块的移相占空比的调整信号Δd_i。

5.如权利要求4所述的用于多模块并联组合DC-DC变换器的均流控制系统的控制方法，其特征是，所述的每个DC-DC变换器模块通过调节移相占空比控制输出电压，移相占空比d由下式给出：

其中，为DC-DC变换器模块中第一全桥和第二全桥间的移相角。

6.如权利要求4所述的用于多模块并联组合DC-DC变换器的均流控制系统的控制方法，其特征是，得到表示各模块与输出电流相关的参数X₁、X₂、…、X_i、…、X_n之间的关系的方程组，具体实现的过程为：

在共同占空比控制下系统稳定后，将第一个DC-DC变换器模块的移相占空比减去一个恒定偏置量，同时保持电压环闭环控制，系统稳定后，计算其余模块的移相占空比的增加量，则各模块与输出电流相关的参数X₁、X₂、…、X_i、…、X_n之间的关系，可以由下式给出：

$X_2+X_3+\mathrm{...}+X_n=\frac{(1-2D)\·{\mathrm{\Δd}}_{11}+{\mathrm{\Δd}}_{11}^2}{(1-2D)\·{\mathrm{\Δd}}_{12}-{\mathrm{\Δd}}_{12}^2}\·X_1---\left(2\right)$

其中，Δd₁₁为第一个DC-DC变换器模块的移相占空比的减小量，Δd₁₂为其余DC-DC变换器模块的移相占空比的增加量，X_i为第i个模块与输出电流相关的参数，可以由下式给出：

$X_i=\frac{V_{in}}{2f_s}\·\frac{n_i}{L_i}---\left(3\right)$

其中，V_in为输入电压，f_s为开关频率，n_i为第i个模块的变压器变比，L_i为第i个模块的变压器折算到原边的漏感，i＝1,2,…,n；

重复上述过程，分别将第2、3、……、(n-1)个模块的移相占空比减去一个小的恒定偏移量，计算其余DC-DC变换器模块的移相占空比的增加量，可以得到(n-2)个关于X₁、X₂、…、X_i、…、X_n的与方程式，联立这些方程式，得到如下的方程组：

其中，a_i是参数计算过程中的一个中间变量，i＝1,2,…,(n-1),Δd_i1为第i个DC-DC变换器模块的移相占空比的减小量，Δd_i2为其余DC-DC变换器模块的移相占空比的增加量。

7.如权利要求4所述的用于多模块并联组合DC-DC变换器的均流控制系统的控制方法，其特征是，方程组(4)有无数组解，求取其中任意一组解[k₁ k₂ k₃ … k_i … k_(n-1) k_n]^T，令h_i＝k_i·d_i·(1-d_i)，其中d_i为第i个DC-DC变换器模块的移相占空比，h_i为第i个DC-DC变换器模块的等效输出电流值；

均流环的参考信号可以由下式给出：

$h_{ref}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{h}_i---\left(5\right)$

均流环的参考值h_ref分别与h₁,h₂,…,h_i,…,h_n相减，产生电流误差信号，电流误差信号通过均流环，得到各个模块的移相占空比的调整信号Δd_i，则任意一个模块的移相占空比可以由下式给出：

d_i＝D+Δd_i   (6)

其中，Δd_i为第i个DC-DC变换器模块的移相占空比的调整信号，i＝1,2,…,n，d_i第i个DC-DC变换器模块的移相占空比。