交错Buck并联均流技术的研究

张 伟,葛 飞,邓孝祥

(1.中国兵器工业第二〇八研究所，北京 102202；2.黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，哈尔滨 150022)

0 引 言

随着国家对新能源的重视，新能源电动汽车因具有污染小和环保的优势，得到很大发展。双向DC/DC控制器是连接汽车电池与驱动器的重要组成部分，其并联均流是正常运行的关键，若不均流会造成各模块功率不均衡，从而降低系统的稳定性和可靠性[1-2]。

随着电力电子技术的应用，Buck变换器在计算机、精密仪器等高性能的直流变换器中应用越来越广泛。随着功率等级的提高，对器件要求会相应提高，Buck变换器并联运行可以在不增加器件应力的同时提高功率等级、减小输出电流纹波并降低开关损耗，提高变换器效率。传统均流多采用模拟方式来实现，易受环境影响，抗干扰能力差。近年来，随着数控方式的广泛应用，先进的均流技术应运而生，数字控制技术更具灵活性，便于实现电源的通信和控制[3-5]。

1 交错并联Buck工作原理

交错并联Buck拓扑结构如图1所示，脉冲时序图如图2所示。

图1 交错并联Buck拓扑结构

图2 交错并联Buck脉冲时序

如图2所示，Ug1为开关管VT1驱动；Ug2为开关管VT2驱动；iL1为电感L1上电流；iL2为电感L2上电流；iL为交错Buck输出电流波形。

交错并联Buck拓扑工作原理为：

模态1(0-T0)：Ug1输出脉冲，VT1导通，工作过程为Uin—VT1—L1—负载(电阻R1和电容C1)，

电感L1储能并且电流增大，电阻R1和电容C1电压增大，为负载提供能量；因上一过程中电感L2上的电流未释放完，电流不能突变，此时需要经过二极管D2来进行续流，如图3(a)所示。

模态2(T0-T1)：Ug1和Ug2此时没有脉冲，VT1和VT2关断，工作过程为Uin—D1/D2—L1/L2—负载(电阻R1和电容C1)；因上一过程中电感L1和L2上的电流未释放完，电流不能突变，此时两个电感通过二极管D1和D2续流，如图3(b)所示。

模态3(T1-T2)：Ug2输出脉冲，VT2导通，工作过程为Uin-VT2-L2-负载(电阻R1和电容C1)，电感L2储能并且电流增大，电阻R1和电容C1电压增大，为负载提供能量；因上一过程中电感L1上的电流未释放完，电流不能突变，此时需要经过二极管D1来进行续流，如图3(c)所示。

模态4(T2-T3)：Ug1和Ug2此时没有脉冲，VT1和VT2关断，工作过程为Uin—D1/D2—L1/L2—负载(电阻R1和电容C1)；因上一过程中电感L1和L2上的电流未释放完，电流不能突变，此时两个电感通过二极管D1和D2续流，如图3(d)所示。

图3 交错并联Buck拓扑工作原理

2 并联均流方法比较

针对并联模块在控制电路结构和连接方式下的不同，常用均流方法有串接均流电阻法、平均电流法、最大电流法、主从均流法等[6]。通过对几种方法进行比较分析找出适合交错Buck并联均流的方案。

2.1 串接均流电阻法

Buck串接均流电阻法实现均流的原理如图4所示。图中R1和R2为均流电阻，当Buck变换器1模块比Buck变换器2模块流过的电流大时，均流电阻R1上的电压高于均流电阻R2上的电压，则Buck变换器1模块的输出电压比Buck变换器2模块输出电压低，造成相应Buck变换器2模块流过的电流增大，从而达到均流效果[7]。

图4 串接均流电阻法

2.2 平均电流法

平均电流法如图5所示，若输出电流不为0，母线电压Ub与电流放大器输出电压做比较后，经过均流控制器变为Vc，调节电压误差放大器，得到Vf，Vf与反馈电压Vout做比较后，通过误差电压来控制开关管占空比，实现均流[8]。

图5 平均电流法

2.3 最大电流法

最大电流法是通过采取输出最大电流使系统自动设定主模块与从模块，实现均流，如图6所示。与平均电流法相比，用二极管替换电阻，利用二极管的单向导通性能，当某一模块电源输出电流最大时，二极管才能导通，此时电流放大器输出电压最大，母线电压Ub与其做比较后，通过误差电压来控制开关管占空比，实现均流[9]。

图6 最大电流法

2.4 主从均流法

主从均流法常用在电流型控制的并联系统中，如图7所示，为通过采样电流、电压反馈信号实现双闭环的控制系统。若主模块选择模块1，基准电压为Vref，输出电压为Vo，经过电压误差放大器，产生电压误差信号Ve，与反馈电压信号Vi1比较后，通过控制VC1电压来驱动开关管工作。从模块通过跟随器的形式与反馈电压信号Vi2比较后，通过控制VC2电压来驱动开关管工作，实现和主模块电流相对一致，最终实现均分电流[10]。

图7 主从均流法

2.5 几种均流方法的优缺点

串接均流电阻法控制方式简单，通过对模块输出阻抗进行改变实现均流，本质上属于开环控制，但在功率等级不同的并联模块下难以实现；平均电流法均流能使数据准确，但当公共母线出现短路时，会引起电源系统故障；最大电流法抗干扰能力强，但二极管有导通压降，会给均流带来误差；主从均流法精度高，当接在母线上的电源模块出现故障时，会给系统带来隐患。

2.6 并联均流Buck控制器设计

提出一种新型的并联均流控制方式，如图8所示。Buck变换器1负责电压闭环，通过采集两路Buck电流I1和I2，Buck变换器2负责实现并联均流，电压外环，电流内环，形成双闭环系统的设定。

图8 并联均流Buck控制器

3 并联均流算法的实现

3.1 电流采样电路设计

电流采样电路电流检测采用ACS758LCB-50B芯片，如图9所示，可测量直流和交流信号，测量电流范围为0～50A，1A电流对应40mV电压，芯片供电电压范围为3～5.5V，该设计取5V供电电压，输出电流抬升电压幅值为供电电压的一半。输出电流经RC滤波后，进入DSP中的A/D口进行处理。采用这种结构成本低、实时性好、精度较高。

图9 电流采样电路

3.2 程序流程图

如图10所示，系统采用TI公司所产DSP芯片TMS320F28035，主程序编译需要采集输出电压、两路Buck电流，采集完后进行电压闭环稳压和电流均流，在EPWM中断下编译，并对电流和电压进行软件保护。

图10 程序流程图

4 仿真结果及分析

基于Matlab/Simulink搭建仿真模型，设定输入电压为311 V，电感L=947 uH，输出电容C=940 uF，负载电阻R=3 Ω，频率为15 kHz，输出电压为200 V，系统的主电路如图11所示，由仿真可见，Buck两路电流一路为32.86 A，另一路为34.16 A，通过观测两路电感L1和L2电流波形可知，电流有偏差，如图12所示。

新型控制方式的系统框图如图13所示，由仿真可见，Buck两路电流一路为35.34 A，另一路为35.33 A，表明Buck均流效果比较好。通过观测两路电感L1和L2电流波形可知，电流波形基本一致，如图14所示。Buck输出电压稳压效果较好，如图15所示。新型并联均流控制技术不仅实现了交错Buck的并联均流，输出电压稳定性也好，达到了设计目标。

图11 主电路图

图12 电感L1和电感L2电流波形

图13 新型控制方式系统框图

图14 电感L1和电感L2电流波形

图15 Buck输出电压

5 结 语

提出一种新型并联均流控制技术，通过仿真证明了均流控制的可行性，并在均流控制的基础上加入软件保护，解决了主控电源出现故障失控而引发的电源系统故障的问题。实验结果表明，新型并联均流控制技术具有很好的抗干扰能力和均流效果，能够满足要求，实现预期目标。交错并联提高了输出电流的纹波频率，降低了对滤波电容以及磁性原件的要求，提高了整个系统的功率密度，实现输出0纹波。