基于分布式控制的DC/DC變換器并聯(lián)系統(tǒng)自動(dòng)交錯(cuò)方案
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對(duì)于模塊1而言，在系統(tǒng)發(fā)生變化的瞬間，其鑒相器的輸出不會(huì)發(fā)生突變，而隨著模塊2的開關(guān)頻率降低，則模塊1控制電路中鑒相器的輸出矩形方波占空比也將逐漸降低，而這也將導(dǎo)致模塊1的開關(guān)頻率逐漸降低，在圖中也表現(xiàn)為它的開關(guān)脈沖“右移”。
經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)整后，模塊1和模塊2將達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)，兩者的開關(guān)頻率將再次相同，此時(shí)，兩個(gè)模塊必然互相交錯(cuò)180度。系統(tǒng)達(dá)到新的交錯(cuò)狀態(tài)，如圖6中的虛線波形所示。
在本方案中，PWM信號(hào)是通過SG3525芯片產(chǎn)生的。鎖相環(huán)輸出信號(hào)用作PWM信號(hào)發(fā)生電路的同步端，而所產(chǎn)生的PWM脈沖占空比則由電流設(shè)定與電流反饋的誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證本文所提無(wú)交錯(cuò)線自動(dòng)交錯(cuò)控制方案是否可行，我們?cè)O(shè)計(jì)了一臺(tái)基于該控制方案的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。樣機(jī)由三個(gè)相同的小功率BUCK電路并聯(lián)而成，輸入電壓30～50V，開關(guān)頻率95～105KHz，負(fù)載為純電阻，8～15Ω。
圖7為三模塊并聯(lián)的BUCK變換器系統(tǒng)波形，其中信號(hào)R1、R2和R3為三個(gè)模塊的PWM開關(guān)信號(hào)，由圖可見，此三個(gè)信號(hào)彼此交錯(cuò)120度，表明系統(tǒng)工作在交錯(cuò)運(yùn)行狀態(tài)。
圖7 三模塊并聯(lián)交錯(cuò)運(yùn)行波形圖
信號(hào)1為系統(tǒng)輸出電壓的交流成分，包括紋波和電壓尖峰脈沖，對(duì)應(yīng)的刻度為50mV/div。此時(shí)的電壓紋波峰2峰值為24.7mV，是比較低的，而紋波頻率則為系統(tǒng)開關(guān)頻率的三倍，符合前文對(duì)交錯(cuò)運(yùn)行效果的分析。
信號(hào)R4為此時(shí)的輸出電壓波形，刻度為5V/diV，此時(shí)輸出電壓為9.6V，電壓平直程度較好，無(wú)明顯紋波成分。
圖8顯示了該系統(tǒng)自動(dòng)交錯(cuò)運(yùn)行功能的實(shí)現(xiàn)。初始系統(tǒng)有三個(gè)模塊并聯(lián)并且運(yùn)行在交錯(cuò)狀態(tài)，其中信號(hào)1、2和信號(hào)R2為初始參與并聯(lián)運(yùn)行的三個(gè)模塊的PWM主開關(guān)信號(hào)，彼此交錯(cuò)120度。在某個(gè)時(shí)刻，其中的一個(gè)模塊(對(duì)應(yīng)PWM主開關(guān)信號(hào)2)因成了一條直線。此時(shí)，系統(tǒng)的自動(dòng)交錯(cuò)功能開始起作用。由圖8可見剩余兩模塊(對(duì)應(yīng)PWM主開關(guān)信號(hào)1和R2)由彼此交錯(cuò)120度逐漸向彼此交錯(cuò)180度過渡，在經(jīng)過若干周期后實(shí)現(xiàn)彼此交錯(cuò)180度運(yùn)行，即達(dá)成了兩模塊并聯(lián)時(shí)的交錯(cuò)運(yùn)行狀態(tài)。信號(hào)R1顯示的是這個(gè)過程中系統(tǒng)輸出電壓紋波變化情況。
圖8 自動(dòng)交錯(cuò)實(shí)現(xiàn)過程
為了驗(yàn)證交錯(cuò)運(yùn)行的實(shí)際效果，我們還設(shè)計(jì)了一組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，通過使兩模塊并聯(lián)系統(tǒng)分別運(yùn)行在并聯(lián)同步、并聯(lián)不控以及并聯(lián)交錯(cuò)運(yùn)行狀態(tài)，比較各自輸出電壓紋波之間的差別來(lái)驗(yàn)證交錯(cuò)運(yùn)行確實(shí)能夠降低輸出電壓的紋波幅值，并且提高輸出電壓的紋波頻率。
在圖9中，兩個(gè)模塊的PWM主開關(guān)信號(hào)頻率相同且彼此同相，因此處于同步運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)，兩模塊出電壓紋波的波峰無(wú)相差，二者彼此重疊，因此，輸出電壓的紋波比較明顯，幅值比較高，峰2峰值為1.1V，紋波的頻率與系統(tǒng)開關(guān)頻率一致。
在圖10中，兩個(gè)模塊的PWM主開關(guān)信號(hào)相互獨(dú)立，二者的頻率有差別，體現(xiàn)為兩個(gè)信號(hào)的相位差呈現(xiàn)周期性變化，而表現(xiàn)在輸出電壓上則是輸出電壓的紋波幅值時(shí)大時(shí)小，在0.5V至1.0V間呈現(xiàn)周期性變化，變化的周期跟兩個(gè)PWM主開關(guān)信號(hào)的頻率差有關(guān)。
圖9 兩模塊并聯(lián)系統(tǒng)同步運(yùn)行
圖10 兩模塊并聯(lián)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行
在圖11中，兩模塊的PWM主開關(guān)信號(hào)頻率相同，相位互相交錯(cuò)180度，因此處在交錯(cuò)運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)兩模塊輸出電壓的紋波波峰彼此錯(cuò)開，表現(xiàn)為輸出電壓紋波幅值較低，峰2峰值為0.56V，而紋波頻率則提升為系統(tǒng)開關(guān)頻率的兩倍。
圖11 兩模塊并聯(lián)系統(tǒng)交錯(cuò)運(yùn)行
通過這組對(duì)照實(shí)驗(yàn)可以看出，并聯(lián)系統(tǒng)的交錯(cuò)運(yùn)行確實(shí)能夠降低系統(tǒng)輸出電壓的紋波幅值，并且提高紋波頻率。
結(jié)論
通過以上分析可知，本文所提方案在原理上是可行的，可以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)的交錯(cuò)運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)參與并聯(lián)的模塊數(shù)目發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整并最終達(dá)到新的交錯(cuò)狀態(tài)。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也表明，本方案確實(shí)能夠達(dá)到預(yù)期的效果。
評(píng)論