引 言

較之傳統(tǒng)的單電源供電而言，并聯(lián)電源具有很多優(yōu)點(diǎn)，如可實(shí)現(xiàn)大容量、高效率，能夠達(dá)到較高的可靠性，能夠根據(jù)需要配置成為冗余系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電源的模塊化等。而幾個(gè)DC/DC模塊并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，如果能夠?qū)崿F(xiàn)各模塊的交錯(cuò)運(yùn)行，則可以減小總的電壓和電流紋波幅值，提高紋波頻率，從而提高輸出電壓電流的質(zhì)量。對(duì)一臺(tái)CCM模式運(yùn)行的N模塊并聯(lián)電源系統(tǒng)而言，實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)運(yùn)行將使得系統(tǒng)的紋波幅值較之單模塊大為減小，而紋波頻率則提高N倍。

交錯(cuò)運(yùn)行方案已被廣泛采用于DC/DC并聯(lián)電源系統(tǒng)中，不過現(xiàn)有方案多采用集中式控制，通過一個(gè)獨(dú)立的控制模塊產(chǎn)生一系列頻率相同而相位差為2πPN的觸發(fā)脈沖來驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的變換器。這種方案優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，但其缺點(diǎn)也顯而易見，即該方案難以適應(yīng)模塊數(shù)目變化的情況。此外集中控制單元的采用也使得系統(tǒng)的可靠性極大地取決于控制單元的可靠性，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。為了解決集中式控制的不足，有文獻(xiàn)提出了一種基于交錯(cuò)線的自動(dòng)交錯(cuò)控制方案，該方案采用分布式控制，能夠適應(yīng)模塊數(shù)目變化的情況，而且分布式控制的采用也降低了系統(tǒng)由于集中式控制單元而帶來的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。較之傳統(tǒng)的集中式控制方案而言，這種控制方案的優(yōu)勢(shì)是很明顯的，但其缺點(diǎn)也很明顯，那就是交錯(cuò)線的引入一方面使得系統(tǒng)的模塊化無法真正實(shí)現(xiàn)，另一方面，交錯(cuò)線極易受到干擾，這使得系統(tǒng)的可靠性受到影響。

為了解決現(xiàn)有交錯(cuò)運(yùn)行控制方案的缺點(diǎn)，本文研究了一種無交錯(cuò)線自動(dòng)交錯(cuò)控制方案，這種方案采用分布式控制，而且不需要交錯(cuò)線，能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，并且實(shí)現(xiàn)真正的模塊化。

無交錯(cuò)線自動(dòng)交錯(cuò)原理

基于無交錯(cuò)線自動(dòng)交錯(cuò)控制方案的三模塊并聯(lián)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中主電路采用普通BUCK變換器。由于模塊2、3的結(jié)構(gòu)與模塊1完全一樣，故而簡(jiǎn)化之。

圖1三模塊并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖1可以看出，三個(gè)參與并聯(lián)的模塊只有輸出端通過負(fù)載相互連接，此外模塊之間再無其他連接線。在每個(gè)模塊中，主電路向控制電路反饋輸出電壓、本模塊輸出電流以及本模塊主電路主開關(guān)管的開關(guān)信號(hào)，而控制電路向主電路提供PWM控制信號(hào)來控制主電路主開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。

該方案原理如圖2所示，主要由脈沖整形單元、異地時(shí)鐘獲取環(huán)節(jié)、鎖相環(huán)電路以及PWM控制信號(hào)發(fā)生電路構(gòu)成。

圖2控制電路原理框圖

由圖可知，系統(tǒng)時(shí)鐘是通過提取輸出電壓中的尖峰脈沖成分并對(duì)其進(jìn)行處理而得到的。由于不同模塊通過的傳輸路徑的差別，因此提取到的尖峰脈沖幅值不一，必須首先進(jìn)行“整形”，這可以通過高速比較器來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過高速比較器后得到的系統(tǒng)開關(guān)信號(hào)中，對(duì)應(yīng)于每次開關(guān)時(shí)刻可能有多個(gè)窄方波。為了確保對(duì)應(yīng)于每個(gè)開關(guān)時(shí)刻只有一個(gè)開關(guān)信號(hào)，還需要用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器對(duì)高速比較器輸出信號(hào)進(jìn)行處理。此后，得到的一系列脈寬相等幅值相同的窄方波便為與系統(tǒng)每個(gè)開關(guān)動(dòng)作對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)時(shí)鐘，如圖3所示。其中，波形R1是經(jīng)過高通濾波后的電壓尖峰脈沖，波形1是經(jīng)過高速比較器“整形”后得到的一系列窄脈沖，而波形2則是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)各次開關(guān)動(dòng)作的系統(tǒng)時(shí)鐘的。

得到系統(tǒng)時(shí)鐘后，便可以通過系統(tǒng)時(shí)鐘與本地時(shí)鐘之間的邏輯運(yùn)算來獲得異地時(shí)鐘。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各模塊的交錯(cuò)運(yùn)行，則必須實(shí)現(xiàn)各模塊對(duì)應(yīng)時(shí)鐘的交錯(cuò)運(yùn)行，在本方案中，這通過各模塊控制電路中的鎖相環(huán)電路來實(shí)現(xiàn)。

圖3系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)的提取

以兩模塊并聯(lián)的情況為例，圖4所示波形2為本地模塊時(shí)鐘，波形1為異地模塊時(shí)鐘，由圖可知，此時(shí)，本地模塊時(shí)鐘頻率小于異地模塊，鑒相器檢測(cè)模塊時(shí)鐘的上升沿得到3所示波形，低通濾波后得到本地VCO輸入，是一個(gè)漸升的直流電壓，從而使得本地VCO輸出頻率提高，將此VCO的輸出脈沖作為本地模塊的 SYNC同步，則可以使本地時(shí)鐘頻率上升。而對(duì)異地模塊而言，其VCO輸入是一個(gè)漸降的直流電壓，則可以使其時(shí)鐘頻率下降。這樣通過本地模塊和異地模塊時(shí)鐘頻率的反方向調(diào)整，最終即可實(shí)現(xiàn)頻率同步。

圖4兩模塊并聯(lián)系統(tǒng)頻率同步的實(shí)現(xiàn)

如果兩個(gè)模塊的VCO壓頻特性一致（這可以通過調(diào)節(jié)鎖相環(huán)的外部電路參數(shù)實(shí)現(xiàn)），且我們事先設(shè)定他們的初始振蕩頻率（offset frequency）也就是VCOin=0V時(shí)的振蕩頻率相同，那么，最終實(shí)現(xiàn)頻率同步時(shí)，兩模塊的VCOin也一定相等，則兩模塊的相位必然交錯(cuò)180 度。

圖5為三模塊交錯(cuò)結(jié)果示意圖，其中波形1為本地模塊檢測(cè)到的系統(tǒng)時(shí)鐘，為一系列等寬的窄方波脈沖，每個(gè)窄方波對(duì)應(yīng)系統(tǒng)中某個(gè)模塊的一次開關(guān)動(dòng)作（開通或者關(guān)斷）；波形2為從系統(tǒng)時(shí)鐘里除去本地時(shí)鐘后剩下的部分，即異地時(shí)鐘，反映了系統(tǒng)中本地模塊之外的其他模塊的開關(guān)時(shí)鐘信息。在本地模塊控制電路中，鎖相環(huán)電路根據(jù)所檢測(cè)的異地模塊開關(guān)時(shí)鐘信息（波形2）與本地開關(guān)脈沖（波形3）進(jìn)行鑒相，鑒相器輸出結(jié)果為一周期變化的矩形方波，如波形4所示。在一個(gè)周期內(nèi)，該方波上升沿對(duì)應(yīng)本周期內(nèi)異地時(shí)鐘信號(hào)的第一個(gè)上升沿，下降沿對(duì)應(yīng)本地開關(guān)信號(hào)的上升沿。除了本周期的第一個(gè)上升沿之外的其他異地時(shí)鐘信號(hào)的所有邊沿均為無效信號(hào)，在系統(tǒng)中不起作用。對(duì)于系統(tǒng)中其他兩個(gè)模塊，也是如此，對(duì)應(yīng)的鑒相器輸出結(jié)果分別如波形5、6所示。

圖5三模塊并聯(lián)系統(tǒng)交錯(cuò)示意圖

本文所提的方案能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)交錯(cuò)運(yùn)行，具體過程如圖6所示。系統(tǒng)本來有三個(gè)模塊并聯(lián)運(yùn)行，每個(gè)模塊交錯(cuò)120度，分別記作模塊1、模塊2、模塊3。其中模塊1和模塊2的開關(guān)脈沖如圖中波形1、2中實(shí)線波形所示。

圖6自動(dòng)交錯(cuò)的實(shí)現(xiàn)

在某個(gè)時(shí)刻，模塊3退出運(yùn)行，系統(tǒng)變成兩模塊并聯(lián)運(yùn)行。在變化瞬間，對(duì)模塊2而言，其控制電路中鑒相器的輸出發(fā)生突變，輸出矩形方波占空比降低，如圖中波形3中實(shí)線波形所示，這導(dǎo)致模塊2的開關(guān)頻率降低，在圖中表現(xiàn)為它的開關(guān)脈沖“右移”。

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。

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