基于分布式控制的DC/DC變換器并聯(lián)系統自動(dòng)交錯方案
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較之傳統的單電源供電而言，并聯(lián)電源具有很多優(yōu)點(diǎn)，如可實(shí)現大容量、高效率，能夠達到較高的可靠性，能夠根據需要配置成為冗余系統，能夠實(shí)現電源的模塊化等。而幾個(gè)DC/DC模塊并聯(lián)運行時(shí)，如果能夠實(shí)現各模塊的交錯運行，則可以減小總的電壓和電流紋波幅值，提高紋波頻率，從而提高輸出電壓電流的質(zhì)量。對一臺CCM模式運行的N模塊并聯(lián)電源系統而言，實(shí)現交錯運行將使得系統的紋波幅值較之單模塊大為減小，而紋波頻率則提高N倍。
交錯運行方案已被廣泛采用于DC/DC并聯(lián)電源系統中，不過(guò)現有方案多采用集中式控制，通過(guò)一個(gè)獨立的控制模塊產(chǎn)生一系列頻率相同而相位差為2πPN的觸發(fā)脈沖來(lái)驅動(dòng)相應的變換器。這種方案優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，但其缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)，即該方案難以適應模塊數目變化的情況。此外集中控制單元的采用也使得系統的可靠性極大地取決于控制單元的可靠性，提高了系統的運行風(fēng)險。為了解決集中式控制的不足，有文獻提出了一種基于交錯線(xiàn)的自動(dòng)交錯控制方案，該方案采用分布式控制，能夠適應模塊數目變化的情況，而且分布式控制的采用也降低了系統由于集中式控制單元而帶來(lái)的運行風(fēng)險。較之傳統的集中式控制方案而言，這種控制方案的優(yōu)勢是很明顯的，但其缺點(diǎn)也很明顯，那就是交錯線(xiàn)的引入一方面使得系統的模塊化無(wú)法真正實(shí)現，另一方面，交錯線(xiàn)極易受到干擾，這使得系統的可靠性受到影響。
為了解決現有交錯運行控制方案的缺點(diǎn)，本文研究了一種無(wú)交錯線(xiàn)自動(dòng)交錯控制方案，這種方案采用分布式控制，而且不需要交錯線(xiàn)，能夠提高系統運行的可靠性，并且實(shí)現真正的模塊化。
無(wú)交錯線(xiàn)自動(dòng)交錯原理
基于無(wú)交錯線(xiàn)自動(dòng)交錯控制方案的三模塊并聯(lián)系統的電路結構圖如圖1所示，其中主電路采用普通BUCK變換器。由于模塊2、3的結構與模塊1完全一樣，故而簡(jiǎn)化之。
圖1 三模塊并聯(lián)系統結構圖
從圖1可以看出，三個(gè)參與并聯(lián)的模塊只有輸出端通過(guò)負載相互連接，此外模塊之間再無(wú)其他連接線(xiàn)。在每個(gè)模塊中，主電路向控制電路反饋輸出電壓、本模塊輸出電流以及本模塊主電路主開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)信號，而控制電路向主電路提供PWM控制信號來(lái)控制主電路主開(kāi)關(guān)管的導通與關(guān)斷。
該方案原理如圖2所示，主要由脈沖整形單元、異地時(shí)鐘獲取環(huán)節、鎖相環(huán)電路以及PWM控制信號發(fā)生電路構成。
圖2 控制電路原理框圖
由圖可知，系統時(shí)鐘是通過(guò)提取輸出電壓中的尖峰脈沖成分并對其進(jìn)行處理而得到的。由于不同模塊通過(guò)的傳輸路徑的差別，因此提取到的尖峰脈沖幅值不一，必須首先進(jìn)行“整形”，這可以通過(guò)高速比較器來(lái)實(shí)現。經(jīng)過(guò)高速比較器后得到的系統開(kāi)關(guān)信號中，對應于每次開(kāi)關(guān)時(shí)刻可能有多個(gè)窄方波。為了確保對應于每個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)刻只有一個(gè)開(kāi)關(guān)信號，還需要用單穩態(tài)觸發(fā)器對高速比較器輸出信號進(jìn)行處理。此后，得到的一系列脈寬相等幅值相同的窄方波便為與系統每個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作對應的系統時(shí)鐘，如圖3所示。其中，波形R1是經(jīng)過(guò)高通濾波后的電壓尖峰脈沖，波形1是經(jīng)過(guò)高速比較器“整形”后得到的一系列窄脈沖，而波形2則是單穩態(tài)觸發(fā)器輸出的對應于系統各次開(kāi)關(guān)動(dòng)作的系統時(shí)鐘的。
得到系統時(shí)鐘后，便可以通過(guò)系統時(shí)鐘與本地時(shí)鐘之間的邏輯運算來(lái)獲得異地時(shí)鐘。為了實(shí)現系統中各模塊的交錯運行，則必須實(shí)現各模塊對應時(shí)鐘的交錯運行，在本方案中，這通過(guò)各模塊控制電路中的鎖相環(huán)電路來(lái)實(shí)現。
圖3 系統時(shí)鐘信號的提取
以?xún)赡K并聯(lián)的情況為例，圖4所示波形2為本地模塊時(shí)鐘，波形1為異地模塊時(shí)鐘，由圖可知，此時(shí)，本地模塊時(shí)鐘頻率小于異地模塊，鑒相器檢測模塊時(shí)鐘的上升沿得到3所示波形，低通濾波后得到本地VCO輸入，是一個(gè)漸升的直流電壓，從而使得本地VCO輸出頻率提高，將此VCO的輸出脈沖作為本地模塊的 SYNC同步，則可以使本地時(shí)鐘頻率上升。而對異地模塊而言，其VCO輸入是一個(gè)漸降的直流電壓，則可以使其時(shí)鐘頻率下降。這樣通過(guò)本地模塊和異地模塊時(shí)鐘頻率的反方向調整，最終即可實(shí)現頻率同步。
圖4 兩模塊并聯(lián)系統頻率同步的實(shí)現
如果兩個(gè)模塊的VCO壓頻特性一致(這可以通過(guò)調節鎖相環(huán)的外部電路參數實(shí)現)，且我們事先設定他們的初始振蕩頻率(offset frequency)也就是VCOin=0V時(shí)的振蕩頻率相同，那么，最終實(shí)現頻率同步時(shí)，兩模塊的VCOin也一定相等，則兩模塊的相位必然交錯180 度。
圖5為三模塊交錯結果示意圖，其中波形1為本地模塊檢測到的系統時(shí)鐘，為一系列等寬的窄方波脈沖，每個(gè)窄方波對應系統中某個(gè)模塊的一次開(kāi)關(guān)動(dòng)作(開(kāi)通或者關(guān)斷)；波形2為從系統時(shí)鐘里除去本地時(shí)鐘后剩下的部分，即異地時(shí)鐘，反映了系統中本地模塊之外的其他模塊的開(kāi)關(guān)時(shí)鐘信息。在本地模塊控制電路中，鎖相環(huán)電路根據所檢測的異地模塊開(kāi)關(guān)時(shí)鐘信息(波形2)與本地開(kāi)關(guān)脈沖(波形3)進(jìn)行鑒相，鑒相器輸出結果為一周期變化的矩形方波，如波形4所示。在一個(gè)周期內，該方波上升沿對應本周期內異地時(shí)鐘信號的第一個(gè)上升沿，下降沿對應本地開(kāi)關(guān)信號的上升沿。除了本周期的第一個(gè)上升沿之外的其他異地時(shí)鐘信號的所有邊沿均為無(wú)效信號，在系統中不起作用。對于系統中其他兩個(gè)模塊，也是如此，對應的鑒相器輸出結果分別如波形5、6所示。
圖5 三模塊并聯(lián)系統交錯示意圖
本文所提的方案能夠實(shí)現系統的自動(dòng)交錯運行，具體過(guò)程如圖6所示。系統本來(lái)有三個(gè)模塊并聯(lián)運行，每個(gè)模塊交錯120度，分別記作模塊1、模塊2、模塊3。其中模塊1和模塊2的開(kāi)關(guān)脈沖如圖中波形1、2中實(shí)線(xiàn)波形所示。
圖6 自動(dòng)交錯的實(shí)現
在某個(gè)時(shí)刻，模塊3退出運行，系統變成兩模塊并聯(lián)運行。在變化瞬間，對模塊2而言，其控制電路中鑒相器的輸出發(fā)生突變，輸出矩形方波占空比降低，如圖中波形3中實(shí)線(xiàn)波形所示，這導致模塊2的開(kāi)關(guān)頻率降低，在圖中表現為它的開(kāi)關(guān)脈沖“右移”。
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