一種多相交錯(cuò)并聯(lián)的直流-直流變換器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及大功率直流輸出技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種適用于大功率直流輸出的多 相交錯(cuò)并聯(lián)的直流-直流變換器及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在許多應(yīng)用場合中用電負(fù)載往往都需要大容量的直流電源進(jìn)行供電，且對供電電 壓的輸出精度、紋波通常有很高的要求。由于單個(gè)電源功率模塊的容量和開關(guān)管的應(yīng)力有 限，因而采用單個(gè)電源功率模塊無法滿足大容量直流供電的需求，而用電系統(tǒng)通常還要求 供電設(shè)備具備冗余，W保證支路故障時(shí)仍能繼續(xù)供電，而不至于整個(gè)系統(tǒng)擁痕，因而單個(gè)電 源功率模塊實(shí)現(xiàn)大功率直流輸出的設(shè)計(jì)和應(yīng)用都比較困難。目前獲得大功率直流輸出的方 法通常即是利用晶閩管單相半控整流模式，其主電路采用晶閩管單相半控橋?qū)蜗嘟涣麟?變換成直流電，但存在①網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低;②輸出電壓波動(dòng)大，輸出電壓不穩(wěn)定，易導(dǎo)致后 續(xù)負(fù)載故障或停機(jī);③對輸入擾動(dòng)沒能有效控制，且輸出電壓有波動(dòng)等問題。
[0003] 為滿足大功率直流輸出的紋波要求，有從業(yè)者提出采用交錯(cuò)并聯(lián)工作的直流變換 電路，但通常是基于兩相交錯(cuò)并聯(lián)工作的變換電路，如專利申請CN103501115A公開一種交 錯(cuò)并聯(lián)工作的直流降壓電路，該電路包括兩路并聯(lián)BUCK電路，每一路均由兩個(gè)MOS管、一只 同步脈寬調(diào)制BUCK控制器忍片、一只電感及一只電容連接而成，由于基于兩相并聯(lián)的Buck 電路，僅能夠?qū)崿F(xiàn)小功率的直流降壓功能，無法解決大功率直流輸出的問題，且輸出占空比 50%是固定的，其在電壓和負(fù)載擾動(dòng)時(shí)是不可調(diào)節(jié)的，同樣存在輸出電壓波動(dòng)大、輸出電壓 不穩(wěn)定的問題。因此，如何在滿足大功率直流輸出精度、紋波的高要求基礎(chǔ)上，同時(shí)能夠使 得輸出電壓波動(dòng)穩(wěn)定、消除輸入直流電壓擾動(dòng)是亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于:針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一 種結(jié)構(gòu)簡單、所需成本低、能夠滿足大功率直流輸出的需求，且電壓輸出精度高、輸出紋波 少，同時(shí)輸出電壓穩(wěn)定、能夠消除輸入直流電壓抗擾動(dòng)的多相交錯(cuò)并聯(lián)的直流-直流變換器 及其控制方法。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：
[0006] -種多相交錯(cuò)并聯(lián)的直流-直流變換器，包括依次連接的變換模塊、單周期控制模 塊W及用于輸出多路相互錯(cuò)相的控制時(shí)鐘的交錯(cuò)控制模塊，所述變換模塊包括多路并聯(lián)連 接的BUCK變換電路，所述單周期控制模塊接收所述交錯(cuò)控制模塊輸出的多路控制時(shí)鐘，產(chǎn) 生多路單周期控制信號輸出給各路BUCK變換電路，W在各路所述控制時(shí)鐘的控制下按照單 周期控制各路所述BUCK變換電路中開關(guān)管的開斷。
[0007] 作為本發(fā)明變換器的進(jìn)一步改進(jìn):還包括分別與所述變換模塊、單周期控制模塊 連接的PID調(diào)節(jié)模塊，所述PID調(diào)節(jié)模塊接收所述變換模塊中各BUCK變換電路的輸出電壓 值，分別對參考電壓值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后作為對應(yīng)各所述BUCK變換電路的控制目標(biāo)量輸出至所 述單周期控制模塊。。
[000引作為本發(fā)明變換器的進(jìn)一步改進(jìn):所述PID調(diào)節(jié)模塊包括多個(gè)與各腳CK變換電路 對應(yīng)連接的PID調(diào)節(jié)電路，所述PID調(diào)節(jié)電路包括減法器W及PID調(diào)節(jié)器，所述減法器的一個(gè) 輸入端連接對應(yīng)的BUCK變換電路的輸出端，另一個(gè)輸入端接入?yún)⒖茧妷褐?，輸出端連接所 述PID調(diào)節(jié)器的輸入端，所述PID調(diào)節(jié)器的輸出端連接所述單周期控制模塊的控制目標(biāo)量輸 入端。
[0009] 作為本發(fā)明變換器的進(jìn)一步改進(jìn):所述單周期控制模塊包括多個(gè)分別與各路BUCK 變換電路對應(yīng)連接的單周期控制電路，所述單周期控制電路包括依次連接的復(fù)位開關(guān)單 元、積分器單元、比較器單元W及RS觸發(fā)器單元，所述比較器單元的另一個(gè)輸入端與PID調(diào) 節(jié)電路與連接，所述積分器單元的輸入端與所述BUCK變換電路中二極管連接，所述RS觸發(fā) 器單元的一個(gè)輸出端連接至所述BUCK變換電路中開關(guān)管的控制端，另一個(gè)輸出端連接至所 述復(fù)位開關(guān)單元的控制端。
[0010] 作為本發(fā)明變換器的進(jìn)一步改進(jìn):所述單周期控制模塊、PID調(diào)節(jié)模塊為具有單周 期控制W及PID調(diào)節(jié)單周期控制的控制目標(biāo)量功能的數(shù)字化控制器，所述數(shù)字化控制器采 集各路所述BUCK變換電路的輸出電壓W及接所述BUCK變換電路中二極管的輸出電壓并進(jìn) 行AD轉(zhuǎn)換，由所述單周期控制、PID調(diào)節(jié)單周期控制的控制目標(biāo)量功能轉(zhuǎn)換為對應(yīng)各所述 BUCK變換電路的單周期控制信號輸出。
[0011] 作為本發(fā)明變換器的進(jìn)一步改進(jìn):每路所述BUCK變換電路包括開關(guān)管V、二極管D W及電感L，所述開關(guān)管V的一端與輸入電源Vin的正極連接，另一端分別通過所述二極管D 連接輸入電源Vin的負(fù)極，W及通過所述電感L連接RC濾波子電路，所述RC濾波子電路包括 并聯(lián)連接的電容CW及電阻R。
[001 ^ 作為本發(fā)明變換器的進(jìn)一步改進(jìn):所述BUCK變換電路為四路，各路所述BUCK變換 電路中開關(guān)管V所對應(yīng)的單周期控制信號的相位依次相錯(cuò)V2。
[0013] 本發(fā)明進(jìn)一步提供利用上述直流-直流變換器的控制方法，步驟包括：
[0014] 1)啟動(dòng)所述變換模塊中N路BUCK變換電路，并向所述單周期控制模塊輸出N路頻率 相同、相位差為化/N的控制時(shí)鐘；
[0015] 2)所述單周期控制模塊接收所述控制時(shí)鐘，并采集各路所述BUCK變換電路中二極 管的輸出電壓Vs,在所述控制時(shí)鐘的控制下產(chǎn)生N路相位差為如/N的單周期控制信號，且所 述單周期控制信號使得根據(jù)控制目標(biāo)量控制每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)二極管的輸出電壓Vs;
[0016] 3)N路所述BUCK變換電路中開關(guān)管分別在所述步驟2)產(chǎn)生的各路所述單周期控制 信號的控制下導(dǎo)通、關(guān)斷，W執(zhí)行N路交錯(cuò)并聯(lián)的所述BUCK變換電路的單周期控制。
[0017] 作為本發(fā)明控制方法的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟2)中單路所述單周期控制信號的產(chǎn) 生步驟為：
[0018] 2.1)分別接收參考電壓值Vref W及對應(yīng)的所述BUCK變換電路的輸出電壓Vo，并將 所述參考電壓值Vref與輸出電壓Vo之間的差值輸入至PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，輸出電壓值Vc 作為控制目標(biāo)量；
[0019] 2.3)產(chǎn)生控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，并使得根據(jù)所述步驟2.1)輸出的控制目標(biāo)量控 制每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)二極管的輸出電壓Vs的控制脈沖，得到單周期控制信號。
[0020] 作為本發(fā)明控制方法的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟2.3)中具體產(chǎn)生使每個(gè)開關(guān)周期內(nèi) 二極管的輸出電壓Vs的積分值等于所述控制目標(biāo)量的控制脈沖。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0022] 1)本發(fā)明通過多路并聯(lián)連接的BUCK變換電路并使得相互錯(cuò)相，實(shí)現(xiàn)多相并聯(lián)錯(cuò)相 直流降壓變換，利用多相交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)可W有效減少輸出電壓和電流的紋波幅值，提高開 關(guān)頻率，輸出高質(zhì)量的電壓和電流，提高了系統(tǒng)效率和功率密度，從而能夠滿足大功率直流 輸出對輸出精度W及紋波的要求，同時(shí)可W減少輸出濾波器的體積和質(zhì)量，而不會增加開 關(guān)損耗和器件應(yīng)力，有效節(jié)約了變換器所需的成本;通過多相并聯(lián)設(shè)置，使得還具備冗余功 能，提高了變換器的穩(wěn)定、可靠性；
[0023] 2)本發(fā)明在采用多相交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)的基礎(chǔ)上采用單周期控制，響應(yīng)速度快、穩(wěn)定 性好，能夠?qū)崿F(xiàn)輸入直流電壓的抗擾動(dòng)控制，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)可W將輸入直流電壓擾動(dòng) 消除，使輸出電壓平直穩(wěn)定，從而結(jié)合多相并聯(lián)錯(cuò)相W及單周期控制使得滿足大功率直流 輸出對輸出電壓精度、紋波要求的同時(shí)，還能夠解決輸入擾動(dòng)、輸出電壓波動(dòng)等問題；
[0024] 3)本發(fā)明將參考電壓值與BUCK變換電路的輸出電壓的差值作為PID調(diào)節(jié)器的輸 入，由PID調(diào)節(jié)結(jié)果作為單周期控制的控制目標(biāo)量，形成PID控制外環(huán)，使得控制目標(biāo)量可W 根據(jù)BUCK變換電路的輸出電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)