基于MATLAB的并联Buck均流仿真

张莹文

（洛阳师范学院物理与电子信息学院）

0 引言

军工、 工业、 科研等领域的设备对电源的要求越来越高， 电源模块正朝着大功率和大电流方向不断跨越， 通过利用多个模块并联供电， 还可以有效的减少电容、 电感、 变压器的尺寸， 以及抑制干扰改善系统性能[1］。在多个模块并联供电中， 由于多个模块的外特性不同， 每个模块分担电流也不同。这会导致外特性差的模块可靠性降低。并联运行技术中均流控制是研究的重点之一， 即对负载电流的平均分配[2-4］。通过利用均流控制策略来控制电源模块电流的均匀分配， 实现稳定可靠的冗余系统[5，6］。

本文针对开关电源Buck 变换器进行并联均流控制策略的设计， 采用双Buck并联电路， 基于此进行串电阻法和平均电流法的并联均流控制策略的Buck 变换器进行电路设计。

1 并联Buck变换器及均流控制策略简介

如图1 所示为两个降压斩波电路并联供电的原理图， 图中包括两个MOSFET管分别是Ⅴ1、 Ⅴ2， 两个储能电感分别是L1、 L2， 两个续流二极管分别是ⅤD1、ⅤD2， 一个滤波电容C和负载电阻R。该电路在一个开关周期内共有4种模态[7，8］。

图1 并联Buck电路拓扑

目前常见的均流控制策略包括串电阻法、 主从均流法、 最大电流法和平均电流法等。本文将对串电阻法和平均电流法进行设计与比较。串电阻法就是通过在各个模块的输出端串一个电阻， 来加大输出阻抗， 改善均流性能。采用平均电流法进行电路设计时， 本文的Buck 变换器设计使用的闭环控制器采用双闭环结构： 外环是电压环， 通过调节输出电压跟随给定值， 内环是电流环。两个MOSFET可以使用同一个双闭环回路进行控制， 因为其是由两个一样的Buck电路并联。

2 基于MATLAB 的仿真与分析

MATLAB 是一款应用广泛且功能强大的仿真软件， 可用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真，是基于模型的设计工具。Simulink 是MATLAB 中的一种可视化仿真工具， 被广泛应用于一些仿真和建模中。

2.1 采用串电阻法均流控制策略的Buck 电路仿真

如图2 所示为串联电阻法并联仿真模型， 设置直流电压源Vin的参数将电压幅值设为24Ⅴ， 负载R电阻阻值设置为4Ω， 电感L1、L2电感值都设置为2mH。此处取R1=0.05Ω，R2=0.035Ω， 仿真时间设为2s。

图2 串联电阻法均流控制策略的Buck电路仿真模型

仿真结果如图3 所示， 其中， 总的输出电流ⅠO为3A， 输出电流IL1 和输出电流ⅠL2 分别表示每个Buck 各自的输出电流。

图3 串电阻法并联Buck电路仿真输出电流波形

图3 中 的 波 形ⅠL1 和ⅠL2 放 在 一 起 放 大 对 比 分析， 如 图4 所 示 可 以 看 出ⅠL1 和ⅠL2 输 出 电 流 不 相等， ⅠL1 平均值小于1.5A， 而ⅠL2 平均值大于1.5A，纹波高达0.2A， 均流效果不明显， 均流效果不够好。

图4 放大后的串电阻法并联Buck电路仿真输出波形

2.2 采用平均电流法均流控制策略的Buck 电路仿真

如图5 所示为平均电流法并联仿真模型， 设置直流电压源Vin的电压为24Ⅴ， 电感L1、 L2电感值都设置为2mH， 负载R 电阻阻值设置为4Ω， 设仿真时间为2s。

如图6所示为平均电流法buck并联电路仿真输出电流波形， 其中， 总的输出电流ⅠO 为3A， 输出电流ⅠL1 和ⅠL2 分别表示两个Buck 各自的输出电流， 明显看出输出电流ⅠL1和输出电流ⅠL2稳定在1.5A。

图6 平均电流法均流控制下的Buck 电路仿真输出电流波形

图6中波形ⅠL1和ⅠL2放在一起放大对比分析， 如图7 所示， 可以看出ⅠL1 和ⅠL2 波形几乎完全重合， 输出电流纹波约为0.1A左右， 均流效果明显， 实现了均流运行。

图7 放大后平均电流法均流控制策略的Buck电路仿真输出波形

在并联Buck 均流控制中， 经过对比串电阻法和平均电流法两种均流控制策略， 可以看出串电阻法的均流效果不明显， 而且纹波较大， 而平均电流法相较于串电阻法能够实现较好的均流目标， 均流效果明显， 均流效果好。

3 结束语

本文设计了基于MATLAB 的并联Buck 变换器，使用并联均流控制策略对电路进行均流控制， 分别基于串电阻法和平均电流法这两种均流控制策略进行建模与仿真， 通过对两种均流方案均流效果的对比与分析， 发现相较于串电阻法， 平均电流法的输出电流波形纹波较小， 均流效果明显， 是一种更好的均流控制策略。