极端条件下ISOP组合变换器的单环辅助电路均压法

蚌埠学院电子与电气工程系 钱嘉伟 颜 红 杨得志

极端条件下ISOP组合变换器的单环辅助电路均压法

蚌埠学院电子与电气工程系 钱嘉伟 颜 红 杨得志

输入串联输出并联(ISOP)组合变换器能够正常工作的条件是保证各模块输入均压。目前大部分控制策略都是以调节占空比为手段来实现均压，但是在极端条件下，会发生失效的问题。本文首先分析了正常负载时影响输入均压的原因，以及在极端条件时，即使加入均压环也无法均压的原因，然后提出单环辅助电路均压法，简单有效地实现了整个负载范围的输入均压。文章最后对其有效性进行了仿真验证。

输入串联输出并联；均压；极端条件；辅助电路

输入串联输出并联(input-series output- parallel，ISOP)组合变换器是解决高压输入，大电流输出问题的有效方案之一，而且由于利用变换器标准模块进行组合，因此能根据应用场合的要求灵活构建，并且有很强的冗余能力以及易于扩展和更换等优点，逐渐成为目前的研究热点之一。

ISOP组合变换器在进行串并连接时，要能够正常工作，就必须保证输入的均压以及输出的均流。目前大部分文献研究的都是正常负载下均压和均流的控制策略，如文献[1]研究了ISOP系统中模块输入均压及输出均流之间的关系，提出了通过输入均压环来实现输入均压的控制策略。文献[2-4]分别提出了主从式均压控制策略、交换占空比控制策略、分布式均压控制策略等。这些控制策略的思路基本上都是通过控制各模块的占空比来调节输入电容的充放电量，从而实现输入电压的均压。在正常负载时，各模块输出功率较大，通过调节占空比能有效的调节各模块的输出功率，使输入电压高的模块电容放电，输入电压低的模块电容充电，达到均压的效果。但是变换器难免会工作在轻载、空载或短路等极端情况下，此时输出功率很低，模块的占空比没有调节的余量，因此通过占空比调节来实现均压的策略会失效，导致系统工作不稳定甚至损坏。本文将对ISOP组合变换器在不同负载下不均压的原因进行深入分析，进而提出单环辅助电路均压法来实现全负载范围的均压。

1. 模块输入电压在不同负载下不均的原因

我们以两个模块输入串联输出并联的ISOP直流变换器为例来分析原因，其中图1为其电路图。

文献[5]详细的分析了在正常负载下，ISOP变换器影响输入均压的各种因素，指出谐振电感不相等、占空比不匹配、输入电容参数不匹配等都会导致不同程度的不均压。但从其仿真波形中可以看出，这些因素造成的不均压程度在模块设计的安全裕量范围内，对其正常工作不会造成严重的影响。这些因素之外，如开关管通态电阻、磁性元件等电阻不相等，造成各模块的损耗不同也是导致不均压的重要原因。设模块1的损耗用Rls1等效，模块2的损耗用Rls2等效，如图1中所示，需要说明的是，由于输入是电压源，因此等效电阻大的，其功率消耗小，反之则功率消耗大。假设输入处于均压状态，则UA1B1=UA2B2，设定Rls2>Rls1，如果输出也处于均流状态，则原边电流相等，那么Rls1上的分压小于Rls2，则Up1>Up2，传递到1#模块副边的电压会高于2#模块副边的电压，由于输出并联，两模块输出电压相等，由此UL1> UL2，使得Io1>Io2，折射到原边则为Iin1>Iin2，由于总的输入电流Iin不变，因此输入电容C1会放电，而C2会充电，导致输入电压不均。

为了保证输出电压的稳定，必须加入输出电压环进行闭环控制。若两个模块共用一个输出电压环信号对输出电压进行调节，则两个模块的占空比一致。在正常负载下，假设uin2>uin1，由于输入串联，稳定时，两模块的输入电流相等，那么输入电压高的2#模块提供给负载的功率也较大，即Po2> Po1，由于uo1= uo2，则Io2>Io1，折射到原边为Iin2> Iin1，使得C1充电，电压上升，而C2放电，电压下降，两模块的输入电压回到均衡状态。根据以上分析可知，两模块共用输出电压环可以实现输入的均压，因此不需要额外加入均压环进行调节。当然在共用输出电压环的过程中，由于两模块控制芯片是独立的，因此产生的锯齿波可能略有差异，造成开关管实际的占比空不完全一致，而且谐振电感的差异会造成占空比丢失不一致，也同样会影响到开关管的实际占空比，以致两模块的输入电压不能达到完全的均压。但是模块在设计时，一般其安全裕量能容许输入电压有±10%的偏差，而同型号模块在制造过程中，参数也不会存在太大的差异，所以在正常负载下，通过共用输出电压环能够使ISOP变换器调整到能正常运行的程度。

图1 两个模块的ISOP变换器

当负载进入轻载(10%满载)以下，甚至是空载以及短路限流时，输出功率非常小，此时两模块的输入功率基本等于模块自身的损耗，输出电压环的占空比非常小，一般处于间歇工作状态，通过同一占空比使输入电压高的模块多输出功率，也不能平衡模块的损耗差。此时即使加上输入均压环，由于输入均压环的本质也是使输入电压高的模块占空比更大，反之输入电压低的模块占空比更小，来调节模块的输出功率，以实现均压，因此在这种极端情况下，同样会由于占空比太小而无法实现。

因此要实现极端条件下输入均压，就必须使两模块的损耗达到平衡。

2. 单环辅助电路均压法

由上一节的分析可知，在正常负载时，共用输出电压环能够实现输入的均压。但是在极端条件时，诸如轻载、空载、短路限流时，共用输出电压环法，甚至加入输入均压环都不能实现输入的均压，因此本节将对共用输出电压环(单环)法加以改进，以实现此时的输入均压。

图2 辅助电路

推广到n个模块时，由于不可能将每个模块的空载损耗都测出来，只能根据效率的要求进行估算。假设每个模块的效率要求在95%以上，则损耗为单模块额定功率Pom的5%，那么两模块的最大损耗差可设为不超过Pom的1%，当然也可以根据实际情况自行设定，则R取值为：

单环辅助电路均压法相对其他均压控制法，结构简单、易于模块化，而且能够有效的保证ISOP变换器在整个负载范围内的正常运行。

3. 仿真及实验验证

为了验证本文提出的单环辅助电路法的有效性，采用Saber仿真软件搭建了一台由2个模块组成的ISOP直流变换器进行仿真验证。系统的主要参数为输入直流电压540V，总输出功率Po=3kW，各模块输出功率Pom=1.5kW，输出电压60V，开关频率100kHz。

为了模拟损耗不一致造成的不均压问题，在2#模块的开关管上串入了两个0.5Ω电阻。图3为共用输出电压环而不加辅助电路，从正常负载跳变到空载时的波形。从图中可以看出，在正常负载时，输入通过输出电压环，能够实现均压，但是在8ms进入空载后，输入电压出现偏差，线上电阻大的模块输入电压升高，而线上电阻小的模块电压降低，直至不能正常工作。

图3 单环正常负载跳变至空载波形

图4为加入辅助电路的仿真波形。每个模块的功率为Po/2=1.5kW，根据公式(2)计算可得，R=4701Ω，实际取4.7kΩ。设置在3ms处，负载由满载跳变为空载。从图4可以看出，在3ms前，由于输入均压，因此Q2不工作，辅助电路不会增加系统损耗。进入空载后，当2#模块输入电压达到110%Vin/2，即297V时，其辅助电路开始工作，将电压控制在297V左右，1#模块电压控制在243V左右，系统可以正常工作，图中Q2波形为其驱动波形。

图4 单环辅助电路均压法仿真波形

以上的仿真验证了所提出的单环辅助电路均压法的有效性，与现有的各种均压法相比，简单可靠且可以实现全负载范围的均压。

4. 结论

本文主要研究ISOP直流变换器在极端条件下的输入均压问题，首先分析正常负载情况下，影响输入均压的原因，指出除参数不一致原因外，电路损耗不一致也是导致不均压的重要原因。提出在共用输出电压环时，能够保证输入电压的基本均分，系统能够正常工作。然后文章分析了在极端条件下，即使加入均压环也不能实现输入均压的原因。提出了在共用输出电压环的基础上加入辅助电路进行均压的单环辅助电路均压法，在正常负载的时候，共用输出电压环能够实现均压，当进入极端条件时，若输入电压偏差超过单模块输入电压额定值的110%时，辅助电路工作以稳定电压，保证系统在整个负载范围内稳定运行。仿真实验验证了所提出的控制方式的有效性和正确性。

[1]陈璐璐.输入串联输出并联组合变换器控制策略的研究[D].南京航空航天大学,2007.

[2]颜红.极端条件下输入串联输出并联组合变换器系统控制策略的研究[D].南京航空航天大学,2007.

[3]陈武,阮新波,颜红.DC-DC多模块串并联组合系统控制策略[J].电工技术学报,2007,24(7):56-61.

[4]陈武,阮新波,颜红.多变换器模块化串并联组合系统[J].电工技术学报,2007,24(7):93-102.

[5]章涛.高输入电压大功率DC-DC变换器的研究[D].南京航空航天大学,2005.

国家级大学生创新创业项目(201411305033)。