基于分布式控制的DC/DC變換器并聯(lián)系統(tǒng)自動交錯方案
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對于模塊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)過一段時間的調(diào)整后，模塊1和模塊2將達到一個新的穩(wěn)定狀態(tài)，兩者的開關(guān)頻率將再次相同，此時，兩個模塊必然互相交錯180度。系統(tǒng)達到新的交錯狀態(tài)，如圖6中的虛線波形所示。
在本方案中，PWM信號是通過SG3525芯片產(chǎn)生的。鎖相環(huán)輸出信號用作PWM信號發(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行調(diào)節(jié)。
實驗結(jié)果
為了驗證本文所提無交錯線自動交錯控制方案是否可行，我們設(shè)計了一臺基于該控制方案的實驗樣機。樣機由三個相同的小功率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R1、R2和R3為三個模塊的PWM開關(guān)信號，由圖可見，此三個信號彼此交錯120度，表明系統(tǒng)工作在交錯運行狀態(tài)。
圖7 三模塊并聯(lián)交錯運行波形圖
信號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，對應(yīng)的刻度為50mV/div。此時的電壓紋波峰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，符合前文對交錯運行效果的分析。
信號R4為此時的輸出電壓波形，刻度為5V/diV，此時輸出電壓為9.6V，電壓平直程度較好，無明顯紋波成分。
圖8顯示了該系統(tǒng)自動交錯運行功能的實現(xiàn)。初始系統(tǒng)有三個模塊并聯(lián)并且運行在交錯狀態(tài)，其中信號1、2和信號R2為初始參與并聯(lián)運行的三個模塊的PWM主開關(guān)信號，彼此交錯120度。在某個時刻，其中的一個模塊(對應(yīng)PWM主開關(guān)信號2)因成了一條直線。此時，系統(tǒng)的自動交錯功能開始起作用。由圖8可見剩余兩模塊(對應(yīng)PWM主開關(guān)信號1和R2)由彼此交錯120度逐漸向彼此交錯180度過渡，在經(jīng)過若干周期后實現(xiàn)彼此交錯180度運行，即達成了兩模塊并聯(lián)時的交錯運行狀態(tài)。信號R1顯示的是這個過程中系統(tǒng)輸出電壓紋波變化情況。
圖8 自動交錯實現(xiàn)過程
為了驗證交錯運行的實際效果，我們還設(shè)計了一組對照實驗，通過使兩模塊并聯(lián)系統(tǒng)分別運行在并聯(lián)同步、并聯(lián)不控以及并聯(lián)交錯運行狀態(tài)，比較各自輸出電壓紋波之間的差別來驗證交錯運行確實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，兩個模塊的PWM主開關(guān)信號頻率相同且彼此同相，因此處于同步運行狀態(tài)，此時，兩模塊出電壓紋波的波峰無相差，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，兩個模塊的PWM主開關(guān)信號相互獨立，二者的頻率有差別，體現(xiàn)為兩個信號的相位差呈現(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大時小，在0.5V至1.0V間呈現(xiàn)周期性變化，變化的周期跟兩個PWM主開關(guān)信號的頻率差有關(guān)。
圖9 兩模塊并聯(lián)系統(tǒng)同步運行
圖10 兩模塊并聯(lián)系統(tǒng)獨立運行
在圖11中，兩模塊的PWM主開關(guān)信號頻率相同，相位互相交錯180度，因此處在交錯運行狀態(tài)，此時兩模塊輸出電壓的紋波波峰彼此錯開，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)交錯運行
通過這組對照實驗可以看出，并聯(lián)系統(tǒng)的交錯運行確實能夠降低系統(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，可以實現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)的交錯運行。當(dāng)系統(tǒng)參與并聯(lián)的模塊數(shù)目發(fā)生變化時，系統(tǒng)能夠自動進行調(diào)整并最終達到新的交錯狀態(tài)。樣機實驗的結(jié)果也表明，本方案確實能夠達到預(yù)期的效果。
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