CN110611425B - 一种基于串并联Boost变换器的均流方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于串并联Boost变换器的均流方法，属于电路电子领域。该均流控制方法基于电路的参数和所需的电压增益，通过调整开关管的导通关断时间使得电感电流随之变换，从而实现两相电感电流均流。该控制方法无需增加电流传感器，也无需额外的器件，在原电路的基础上按照一定规律增加开关管的占空比就能实现在一定占空比范围内的均流控制。这种控制方法没有增加电路结构的复杂性，均流的实现扩大了电路的稳定性与应用范围，是一种有效的低成本解决方案。

Description

一种基于串并联Boost变换器的均流方法

技术领域

本发明属于电路电子领域，涉及DC-DC变换器的均流控制技术应用，尤其是在太阳能光伏发电并网变换器的技术领域。

背景技术

人类社会的发展离不开能源的大量使用，随着科技的进步，人们环保意识的提升，风能、潮汐能、太阳能等无污染的新能源的需求越来越大。升压变换器大量应用于光伏发电等新能源发电系统中。由于体积小，成本低，效率高等优点，非隔离的高增益Boost变换器越来越受到重视。该变换器还大量应用于新能源电动汽车、通信电源、光伏电池以及航空航天等工业领域。

传统Boost变换器结构简单，控制方法成熟，其电压增益为1/(1-D)，其中D为占空比。理论上电压增益可以做的很大，但是在实际中由于电路元件的限制，传统Boost变换器的增益限制在5-8倍左右，难以高效率满足高增益的要求。因此有大量学者研究了新型高增益Boost变换器。

本发明所采用的串并联Boost变换器的电压增益为(1+D)/(1-D)，而且与传统Boost变换器相比还具有开关管应力小等优点。但是实际中，无法保证两相电感的均一性。电感不一致会导致在开关周期内两相电流不均流，使得系统的损耗增大，稳定性下降。

可以看出，针对串并联Boost变换器电感不一致情况下的不均流问题，目前尚未提出有效地解决方案。

发明内容

为了克服串并联Boost变换器在电感不一致情况下无法实现均流的不足，本发明提供了一种无任何外加辅助设备的均流控制方法，以解决相关技术中的问题。

本发明技术方案为：一种基于串并联Boost变换器的均流方法，该方法中串并联Boost变换器包括：相一电感L₁、相一开关管S₁、相二电感L₂、相二开关管S₂、输出二极管D、输出电容C_o；其中相一电感L₁一端与电源正极连接，另一端与相一开关管S₁漏极连接，S₁源极与电源负极连接；相二开关管S₂漏极与电源正极连接，S₂源极与相二电感L₂的一端连接，L₂另一端与电源负极连接；输出二极管阳极与相一开关管S₁漏极连接，阴极与输出电容C_o正极连接；输出电容C_o负极与相二开关管S₂源极连接；输出正极接输出电容C_o正极，输出地接输出电容C_o负极；

该均流方法为：

步骤1：相一开关管S₁和相二开关管S₂导通，相一电感L₁和相二电感L₂承受正向电压，电感电流上升，但相一电感L₁和相二电感L₂的电流上升斜率不一致，持续的占空比为D₁；

步骤2：相一开关管S₁继续导通，相二开关管S₂关断(假设L1偏大)，相一电感L₁承受正向电压电流继续上升且上升斜率保持不变，L₂承受大小为V_o的反向电压，电流下降，持续的占空比为D₂；

步骤3：相一开关管S₁和相二开关管S₂关断，由于相一电感L₁的电流大于相二电感L₂，因此相二开关管S₂的体二极管导通续流，在续流阶段相二电感L₂承受正向电压，电压大小为输入电压V_in，相二电感L₂电流上升；相一电感L₁承受反向电压，其电压大小为V_o，相一电感L₁电流下降；当相一电感L₁和相二电感L₂电流相等时，相二开关管S₂续流结束，进入下一个模态，持续的占空比为D₃；

步骤4：相一开关管S₁和相二开关管S₂关断，相一电感L₁和相二电感L₂串联为负载提供能量，持续的占空比为D₄；

其中占空比D₂的通过下式计算：

其中：L₁表示相一电感大小，L₂表示相二电感大小，V_o表示输出电压，V_in表示输入电压。

一、该均流方案在原有的电路基础上实现了电感电流均流，拓展了电路的应用范围、减小了变换器的总损耗、提高了系统的稳定性。

二、该均流方案基于变换器所需的电压增益以及电感的大小，不需要估算相电流，即无需增加电流传感器等任何外部设备。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为串并联Boost变换器的电路结构图；

图2为串并联Boost变换器的6种工作模态；

图3为串并联Boost变换器在电感不一致条件下均流前的波形图；

图4为串并联Boost变换器在电感不一致条件下均流后的波形图；

图5为串并联Boost变换器在电感一致条件下的仿真波形图；

图6为串并联Boost变换器在电感不一致条件下均流前的仿真波形图；

图7为串并联Boost变换器在电感不一致条件下均流后的仿真波形图；

具体实施方式

下面通过具体实例并结合附图对本发明做进一步详细的描述。

首先分析L₁和L₂的大小不一致时(为了分析方便，假设L₁的电感值偏大，下同)，电感电流不均流的原因。电感电流连续模式下，可以分为三个模态。关键波形如图3所示。

(1)S₁S₂＝11，如图2(A)所示，S₁和S₂导通，L₁和L₂承受正向电压，电感电流上升。根据电感的电压电流关系可知，电流上升斜率与电压成正比，与电感取值成反比。因此电感电流上升的斜率不一致；

(2)S₁S₂＝00，如图2(C)所示，S₁和S₂关断，由于L₂的电流大于L₁，因此S₁的体二极管导通续流。忽略二极管的导通压降，在续流阶段L₁承受正向电压，电压大小为V_in，电感电流上升。L₂承受反向电压，电压大小为V_o，电感电流下降。当电感电流相等时，二极管续流结束，进入下一个模态；

(3)S₁S₂＝00，如图2(E)所示，电感L₂和L₂串联为负载提供能量；

通过模态分析和电感电流的绘制可以看出，在电感不一致情况下电感电流未实现均流。为了克服不均流的问题，本发明提出了一种控制方法。通过适当增加S₁的导通时间可以实现均流(如果L₂电感值偏大，就适当增加S₂的导通时间)。此时电路引入了一个新的模态，关键电量如图4所示，具体模态分析如下所示。

(1)S₁S₂＝11，如图2(A)所示，与上述模态一致。持续的占空比为D₁；

(2)S₁S₂＝10，如图2(D)所示，S₁继续导通，L₁承受正向电压电流继续上升且上升斜率保持不变。S₂关断，L₂承受大小为V_o的反向电压，电流下降。持续的占空比为D₂；

(3)S₁S₂＝00，如图2(F)所示，S₁和S₂关断，由于L₁的电流大于L₂，因此S₂的体二极管导通续流。忽略二极管的导通压降，在续流阶段L₂承受正向电压，电压大小为V_in，电感电流上升。L₁承受反向电压，电压大小为V_o，电感电流下降。当电感电流相等时，体二极管续流结束，进入下一个模态。持续的占空比为D₃；

(4)S₁S₂＝00，如图2(E)所示，电感L₁和L₂串联为负载提供能量。持续的占空比为D₄；

为了实现均流，D₂的持续时间通过下式计算：

由此可见D₂与电感的比值和电压增益有关，稳态运行情况下D₂的取值为常数，因此不需要辅助的电流检测电路就可以实现均流。此外，D₂的引入不会影响电路的电压增益，与理想情况下相同，增益表达式仍为(1+D₁)/(1-D₁)。

同时，实现均流还需要满足一定的条件D₁+D₂+D₃≤1，因此就有：

仿真分析结果：

图5-7为实例的仿真波形，其仿真参数为：输入V_in＝12V，负载电阻R_L＝7.68Ω，相一电感L₁(50uH或100uH)，相二电感L₂＝50uH，输出电容C_o＝220u，变换器输出电压为48V，输出功率为300W。

图5为两相电感一致(50uH)时的仿真波形。仿真所采用的参数：两相占空比D₁＝0.6，输入电压12V，输出电压48V。从上至下分别为输出电压，输入电压，两相开关管栅极驱动波形，两相电感电流波形。该情况下，电感电流一致，自动均流。

图6为相一电感L₁＝100uH，相二电感L₂＝50uH时的仿真波形。仿真所采用的参数：两相占空比D₁＝0.6，输入电压12V，输出电压48V。从上至下分别为输出电压，输入电压，两相开关管栅极驱动波形，两相电感电流波形。该情况下，在一个开关周期内电感平均电流不一致，未实现均流。

图7为相一电感L₁＝100uH，相二电感L₂＝50uH时的仿真波形。仿真所采用的参数：相二占空比D₁＝0.6，相一占空比D₁+D₂＝0.8，输入电压12V，输出电压48V。M＝4，α＝2，为临界情况。从上至下分别为输出电压，输入电压，两相开关管栅极驱动波形，两相电感电流波形。该情况下，在一个开关周期内电感平均电流一致，实现均流。

综上，本发明所提出的均流策略能够在一定范围内实现各相电流均分，无需增加额外的电流检测电路，能够解决串并联Boost变换器在电感不一致情况下无法自动均流的问题，通过给出指导公式和实现均流的条件，就可以方便的实现均流。并且在该均流方法下，电压增益维持不变，只需要在原有的基础上增加一段固定的导通时间就可以实现均流。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于串并联Boost变换器的均流方法，该方法中串并联Boost变换器包括：相一电感L₁、相一开关管S₁、相二电感L₂、相二开关管S₂、输出二极管D、输出电容C_o；其中相一电感L₁一端与电源正极连接，另一端与相一开关管S₁漏极连接，S₁源极与电源负极连接；相二开关管S₂漏极与电源正极连接，S₂源极与相二电感L₂的一端连接，L₂另一端与电源负极连接；输出二极管D阳极与相一开关管S₁漏极连接，阴极与输出电容C_o正极连接；输出电容C_o负极与相二开关管S₂源极连接；输出正极接输出电容C_o正极，输出地接输出电容C_o负极；

该均流方法为：

步骤1：相一开关管S₁和相二开关管S₂导通，相一电感L₁和相二电感L₂承受正向电压，电感电流上升，但相一电感L₁和相二电感L₂的电流上升斜率不一致，持续的占空比为D₁；

步骤2：假设L₁偏大，相一开关管S₁继续导通，相二开关管S₂关断，相一电感L₁承受正向电压电流继续上升且上升斜率保持不变，L₂承受大小为V_o的反向电压，电流下降，持续的占空比为D₂；

步骤3：相一开关管S₁和相二开关管S₂关断，由于相一电感L₁的电流大于相二电感L₂的电流，因此相二开关管S₂的体二极管导通续流，在续流阶段相二电感L₂承受正向电压，电压大小为输入电压V_in，相二电感L₂电流上升；相一电感L₁承受反向电压，其电压大小为V_o，相一电感L₁电流下降；当相一电感L₁和相二电感L₂电流相等时，相二开关管S₂续流结束，进入下一个模态，持续的占空比为D₃；

步骤4：相一开关管S₁和相二开关管S₂关断，相一电感L₁和相二电感L₂串联为负载提供能量，持续的占空比为D₄；

通过调节占空比D₂的大小实现均流。

2.如权利要求1所述的一种基于串并联Boost变换器的均流方法，其特征在于所述步骤2中占空比D₂的通过下式计算：

其中：L₁表示相一电感大小，L₂表示相二电感大小，V_o表示输出电压，V_in表示输入电压。

3.如权利要求2所述的一种基于串并联Boost变换器的均流方法，其特征在于所述步骤1、2、3的占空比之和需要满足下式条件：

Images