基于分布式控制的DC/DC变换器并联系统自动交错方案

实验结果

为了验证本文所提无交错线自动交错控制方案是否可行，我们设计了一台基于该控制方案的实验样机。样机由三个相同的小功率BUCK电路并联而成，输入电压30～50V，开关频率95～105KHz，负载为纯电阻，8～15Ω。

图7为三模块并联的BUCK变换器系统波形，其中信号R1、R2和R3为三个模块的PWM开关信号，由图可见，此三个信号彼此交错120度，表明系统工作在交错运行状态。



图7　三模块并联交错运行波形图

信号1为系统输出电压的交流成分，包括纹波和电压尖峰脉冲，对应的刻度为50mV/div。此时的电压纹波峰2峰值为24.7mV，是比较低的，而纹波频率则为系统开关频率的三倍，符合前文对交错运行效果的分析。

信号R4为此时的输出电压波形，刻度为5V/diV，此时输出电压为9.6V，电压平直程度较好，无明显纹波成分。

图8显示了该系统自动交错运行功能的实现。初始系统有三个模块并联并且运行在交错状态，其中信号1、2和信号R2为初始参与并联运行的三个模块的PWM主开关信号，彼此交错120度。在某个时刻，其中的一个模块(对应PWM主开关信号2)因成了一条直线。此时，系统的自动交错功能开始起作用。由图8可见剩余两模块(对应PWM主开关信号1和R2)由彼此交错120度逐渐向彼此交错180度过渡，在经过若干周期后实现彼此交错180度运行，即达成了两模块并联时的交错运行状态。信号R1显示的是这个过程中系统输出电压纹波变化情况。



图8 　自动交错实现过程

为了验证交错运行的实际效果，我们还设计了一组对照实验，通过使两模块并联系统分别运行在并联同步、并联不控以及并联交错运行状态，比较各自输出电压纹波之间的差别来验证交错运行确实能够降低输出电压的纹波幅值，并且提高输出电压的纹波频率。

在图9中，两个模块的PWM主开关信号频率相同且彼此同相，因此处于同步运行状态，此时，两模块出电压纹波的波峰无相差，二者彼此重叠，因此，输出电压的纹波比较明显，幅值比较高，峰2峰值为1.1V，纹波的频率与系统开关频率一致。

在图10中，两个模块的PWM主开关信号相互独立，二者的频率有差别，体现为两个信号的相位差呈现周期性变化，而表现在输出电压上则是输出电压的纹波幅值时大时小，在0.5V至1.0V间呈现周期性变化，变化的周期跟两个PWM主开关信号的频率差有关。



图9　两模块并联系统同步运行



图10　两模块并联系统独立运行

在图11中，两模块的PWM主开关信号频率相同，相位互相交错180度，因此处在交错运行状态，此时两模块输出电压的纹波波峰彼此错开，表现为输出电压纹波幅值较低，峰2峰值为0.56V，而纹波频率则提升为系统开关频率的两倍。



图11　两模块并联系统交错运行

通过这组对照实验可以看出，并联系统的交错运行确实能够降低系统输出电压的纹波幅值，并且提高纹波频率。

结 论

通过以上分析可知，本文所提方案在原理上是可行的，可以实现并联系统的交错运行。当系统参与并联的模块数目发生变化时，系统能够自动进行调整并最终达到新的交错状态。样机实验的结果也表明，本方案确实能够达到预期的效果。