CN104993706B - 一种用于两模块dc‑dc变换器并联的均流控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于两模块DC‑DC变换器并联的均流控制系统及方法，包括输入端并联且输出端并联的两个DC‑DC变换器，在电压环闭环调制下，并联的DC‑DC变换器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该信号送至参数测算模块，参数测算模块根据两个DC‑DC变换器移相占空比的变化量得到与输出电流相关的参数并传送至补偿量计算模块；补偿量计算模块根据与输出电流相关的参数对对应的DC‑DC变换器进行模块间参数不匹配的补偿，实现两个DC‑DC变换器的输出均流。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。

Description

一种用于两模块DC-DC变换器并联的均流控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，涉及DC-DC变换器领域的两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两模块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两模块DC-DC变换器并联的均流控制系统及方法，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两并联模块间的均流。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种用于两模块DC-DC变换器并联的均流控制系统，包括输入端并联且输出端并联的两个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，电压调节器将根据扰动调节变换器的移相占空比并将该信号送至参数测算模块，参数测算模块根据两个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传送至补偿量计算模块；补偿量计算模块根据与输出电流相关的参数对对应的DC-DC变换器模块进行模块间参数不匹配的补偿，实现两个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，所述两个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。

一种用于两模块DC-DC变换器并联的均流控制方法，包括：

对每个DC-DC变换器模块首先采用共同占空比控制，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，取恒定偏置量为共同占空比的40％，同时保持电压环闭环调节，系统稳定后，计算第一个DC-DC变换器模块的移相占空比的减小量和第二个DC-DC变换器模块的移相占空比的增加量，总的负载电流保持不变，得到与输出电流相关的参数；

根据与输出电流相关的参数，选取主模块及辅模块，主模块的移相占空比为电压环调节器的输出，辅模块的移相占空比为电压环调节器的输出加上模块间参数不匹配的补偿量。

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。

与输出电流相关的参数由下式给出：

其中，n₁、n₂分别为第一、第二个DC-DC变换器模块中变压器的变比，L₁、L₂分别为第一、第二个DC-DC变换器模块中变压器折算到原边的漏感，Δd₁为第一个DC-DC变换器模块的移相占空比的减小量，Δd₂为第二个DC-DC变换器模块的移相占空比的增加量。

根据与输出电流相关的参数，选取主模块及辅模块时，若则选取第一个DC-DC变换器模块为主模块、第二个DC-DC变换器模块为辅模块，即令第一个DC-DC变换器模块的移相占空比为电压环调节器的输出，即d₁＝D，第二个DC-DC变换器模块的移相占空比由下式给出：

d₂＝d₁+Δd' (3)

其中，Δd'为模块间参数不匹配的补偿量，可由下式给出：

若则选取第二个DC-DC变换器模块为主模块，第一个DC-DC变换器模块为辅模块，即令第二个DC-DC变换器模块的移相占空比为电压环调节器的输出，即d₂＝D，第一个DC-DC变换器模块的移相占空比由下式给出：

d₁＝d₂+Δd (5)

其中，Δd为模块间参数不匹配的补偿量，可由下式给出：

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为两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4为两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5为两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6为两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，两DC-DC变换器模块并联构成的组合变换器的主电路由两个双主动桥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；两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。

一种用于两模块DC-DC变换器并联的均流控制方法，首先采用共同占空比控制，在输出电压稳定后，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，实现有效均流。

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，模块1的移相占空比与模块2的移相占空比相同，均为电压环调节器的输出，即d₁＝d₂＝D。系统达到稳定状态后，两个模块的输出电流I_o1、I_o2由下式给出：

其中，n₁、n₂分别为变压器T₁、T₂的变比，L₁、L₂分别为变压器T₁、T₂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减去一个恒定偏置量，取恒定偏置量为共同占空比的40％，系统稳定后，模块1的移相占空比可以表示为：

d₁＝D-Δd₁ (3)

其中，Δd₁为第一个DC-DC变换器模块的移相占空比的减小量。

模块2的移相占空比可以表示为：

d₂＝D+Δd₂ (4)

其中，Δd₂为第二个DC-DC变换器模块的移相占空比的增加量。

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模块2输出电流的增加量。由此可以计算出模块1的电路参数与模块2的电路参数的比值，由下式给出：

若则选取模块1为主模块，模块2为辅模块，令模块1的移相占空比为电压环调节器输出，即d₁＝D，模块2的移相占空比d₂＝d₁+Δd'，其中Δd'为模块间参数不匹配的补偿量，由下式给出：

进入稳定状态后，两模块输出电流相等，实现模块间均流；

若则选取模块2为主模块，模块1为辅模块，令模块2的移相占空比为电压环调节器输出，即d₂＝D，模块1的移相占空比为d₁＝d₂+Δd，其中进入稳定状态后，两模块输出电流相等，实现模块间均流。

图3—图6是本发明用于两模块DC-DC变换器并联的无电流传感器均流控制方法的仿真波形。仿真参数为：输入电压V_in＝30V，输出电压V_o＝80V，负载Ro＝25Ω，开关频率f_s＝20kHz，输出功率P＝256W。模块1的变压器变比n₁＝1:3.1，漏感L₁＝23μH；模块2的变压器变比n₂＝1:3.1，漏感L₂＝28μH。图3、图5分别为两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4、图6分别为两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 (8)

1.一种用于两模块DC-DC变换器并联的均流控制系统，其特征是，包括输入端并联且输出端并联的两个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，电压调节器将根据扰动调节变换器的移相占空比并将该信号送至参数测算模块，参数测算模块根据两个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传送至补偿量计算模块；补偿量计算模块根据与输出电流相关的参数对对应的DC-DC变换器模块进行模块间参数不匹配的补偿，实现两个DC-DC变换器模块的输出均流。

2.如权利要求1所述的一种用于两模块DC-DC变换器并联的均流控制系统，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所述的一种用于两模块DC-DC变换器并联的均流控制系统，其特征是，所述两个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所述的一种用于两模块DC-DC变换器并联的均流控制系统的控制方法，其特征是，包括：

对每个DC-DC变换器模块首先采用共同占空比控制，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调节，系统稳定后，计算第一个DC-DC变换器模块的移相占空比的减小量和第二个DC-DC变换器模块的移相占空比的增加量，总的负载电流保持不变，得到与输出电流相关的参数；

根据与输出电流相关的参数，选取主模块及辅模块，主模块的移相占空比为电压环调节器的输出，辅模块的移相占空比为电压环调节器的输出加上模块间参数不匹配的补偿量。

5.如权利要求4所述的一种用于两模块DC-DC变换器并联的均流控制系统的控制方法，其特征是，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所述的一种用于两模块DC-DC变换器并联的均流控制系统的控制方法，其特征是，与输出电流相关的参数由下式给出：

$\frac{X_1}{X_2}=\frac{n_1}{L_1}/\frac{n_2}{L_2}=\frac{-{\mathrm{\Δd}}_2^2+{\mathrm{\Δd}}_2-2{\mathrm{\Δd}}_2\·D}{{\mathrm{\Δd}}_1^2+{\mathrm{\Δd}}_1-2{\mathrm{\Δd}}_1\·D}---\left(2\right)$

其中，n₁、n₂分别为第一、第二个DC-DC变换器模块中变压器的变比，L₁、L₂分别为第一、第二个DC-DC变换器模块中变压器折算到原边的漏感，Δd₁为第一个DC-DC变换器模块的移相占空比的减小量，Δd₂为第二个DC-DC变换器模块的移相占空比的增加量，D为电压环调节器的输出。

7.如权利要求6所述的一种用于两模块DC-DC变换器并联的均流控制系统的控制方法，其特征是，根据与输出电流相关的参数，选取主模块及辅模块时，若则选取第一个DC-DC变换器模块为主模块、第二个DC-DC变换器模块为辅模块，即令第一个DC-DC变换器模块的移相占空比为电压环调节器的输出，即d₁＝D，第二个DC-DC变换器模块的移相占空比由下式给出：

d₂＝d₁+Δd' (3)

其中，Δd'为模块间参数不匹配的补偿量，可由下式给出：

${\mathrm{\Δd}}^{\′}=(\frac{X_1}{X_2}-1)\·\frac{d_1-d_1^2}{1-2d_1}---\left(4\right).$

8.如权利要求6所述的一种用于两模块DC-DC变换器并联的均流控制系统的控制方法，其特征是，若则选取第二个DC-DC变换器模块为主模块，第一个DC-DC变换器模块为辅模块，即令第二个DC-DC变换器模块的移相占空比为电压环调节器的输出，即d₂＝D，第一个DC-DC变换器模块的移相占空比由下式给出：

d₁＝d₂+Δd (5)

其中，Δd为模块间参数不匹配的补偿量，可由下式给出：

$\mathrm{\Δ}d=(\frac{X_2}{X_1}-1)\·\frac{d_2-{d^2}_2}{1-2d_2}---\left(6\right).$