直流變換器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的環(huán)流和振蕩控制

1、直流變換器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的環(huán)流和振蕩控制        摘要： 圖1    兩個(gè)正激電源模塊并聯(lián)系統(tǒng)     圖1模塊1中，S1是同步整流管，S2是續(xù)流管，L1是濾波電感，C2是濾波電容，R是并聯(lián)系統(tǒng)的負(fù)載。S3是MOSFET開(kāi)關(guān)，控制變壓器原邊線圈的導(dǎo)通。C1和D4構(gòu)成變壓器原邊線圈的續(xù)流回路。     由于S1代替了原來(lái)的二極管，使得原本只能單向?qū)ǖ闹?，允許反向電流通過(guò)。在并聯(lián)系統(tǒng)中，當(dāng)兩個(gè)模塊之間存在差異時(shí)，輸出電壓會(huì)有

2、差值，這是導(dǎo)致整流回路出現(xiàn)環(huán)流的主要原因。     兩個(gè)模塊的輸入電壓相同，控制方式都相同，當(dāng)其中一個(gè)模塊的參考電壓較高時(shí)，這里假設(shè)模塊2的參考電壓較高，就會(huì)導(dǎo)致S7的導(dǎo)通角要大于S3，使模塊2的輸出電壓較高。     這時(shí)，從輸出端看，可以將兩個(gè)模塊分別等效為理想電壓源與電阻串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。如圖2所示。 圖2    并聯(lián)等效電路     從圖2可以很明顯地看出，當(dāng)Vout2>Vout1時(shí)，極有可能構(gòu)成回路，產(chǎn)生環(huán)流。 2    產(chǎn)生自激振蕩時(shí)

3、的理論分析1     由于環(huán)流現(xiàn)象的存在，使得如圖1所示的并聯(lián)運(yùn)行的電源系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生自激振蕩現(xiàn)象。     根據(jù)開(kāi)關(guān)狀態(tài)不同，可以分為4個(gè)時(shí)段。     1）狀態(tài)1    S3關(guān)斷，S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通。     此時(shí)模塊1的等效電路如圖3所示。圖中Lm是變壓器的勵(lì)磁電感，Cp是變壓器原邊等效到副邊的電容值，S1，S2和S3關(guān)斷時(shí)分別等效成電容CS1，CS2和CS3，V2是輸出電壓。     Cp=n2CS3（1） 式中

4、：n為變壓器變比。 圖3    等效電路1     此時(shí)vS2=0，加在S1兩端的電壓為     vS1=Lm（2）     iLm=(n2CS3CS1)（3）     L1=V2（4）     由于S1由導(dǎo)通到關(guān)斷，vS1的初值為零，可以得到     vS1(t)=iLm0Lmsin(t)（5）     iLm(t)=vS1dtiLm0（6）  

5、   iL1(t)=tiL10（7） 式中：iL10和iLm0為iL1和iLm的初始值。     =（8）     當(dāng)vS1減小到零時(shí)，進(jìn)入狀態(tài)2。     2）狀態(tài)2    S3關(guān)斷，S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷。此時(shí)的等效電路圖如圖4所示。 圖4    等效電路2     此時(shí)有vS1=0。且     vS2=Lm（9）     iLm=iL1

6、(n2CS3CS2)（10）     vS2L1=V2（11）     由于vS2的初始值為零，可以得到     vS2(t)=（12）     iLm(t)=vS2dtiLm0（13）     iL1(t)=vS2dttiL10（14） 式中：     A2=（15）         =（16）     &

7、#160;   2=arctan（17） 其中：iLm0和iL10為iL1和iLm在第二階段的初始值；       Ts為單位時(shí)間。     3）狀態(tài)3    S3導(dǎo)通，S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷。此時(shí)的等效電路圖如圖5所示。 圖5    等效電路3     V1/n是變壓器副邊繞組的電壓，此時(shí)iL1和iLm都線性增長(zhǎng)。     iL1(t)=tiL10（18）   

8、;  iLm(t)=tiLm0（19）     4）狀態(tài)4    S3關(guān)斷，S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷。此時(shí)的等效電路圖和狀態(tài)2是相同的，所有量的時(shí)間函數(shù)表達(dá)式也都相同，只是初始值不同。 3    仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果     為了驗(yàn)證上述環(huán)流和振蕩現(xiàn)象的分析結(jié)果，用Pspice對(duì)圖1所示的兩個(gè)自驅(qū)動(dòng)的電源模塊系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，并制作了實(shí)驗(yàn)?zāi)K。     仿真和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要參數(shù)為：輸入電壓60V，輸出電壓5V，開(kāi)關(guān)頻率為200kHz。并使模塊2單獨(dú)運(yùn)

9、行時(shí)的輸出電壓略高于模塊1的輸出電壓。     圖6和圖7分別為仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中V1為模塊1中整流管S1源漏極之間的電壓；V3為開(kāi)關(guān)管S3源漏極之間的電壓。 圖6    仿真波形 圖7    實(shí)驗(yàn)波形     仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于環(huán)流的存在，使得在并聯(lián)系統(tǒng)中出現(xiàn)了自激振蕩現(xiàn)象。 4    解決環(huán)流及振蕩問(wèn)題的幾種措施     并聯(lián)運(yùn)行的電源模塊出現(xiàn)環(huán)流和振蕩后，會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作。必須采取適當(dāng)?shù)拇胧?/p>

10、避免環(huán)流和振蕩現(xiàn)象的產(chǎn)生?？梢圆扇∪缦麓胧?。 4.1    電阻器法 開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)電源的輸出要求不高時(shí)，可以使用本方法。 4.2    采用檢測(cè)的手段加以控制消除 開(kāi)關(guān)電源模塊中加入電流檢測(cè)器，當(dāng)某一模塊的電流發(fā)生非正常變化時(shí)，將檢測(cè)到的信號(hào)送到控制器，控制器通過(guò)控制電路使該模塊恢復(fù)正常工作，防止環(huán)流現(xiàn)象的發(fā)生。     這種方法可以與均流控制相結(jié)合，在防止環(huán)流產(chǎn)生的同時(shí)，使電流在各個(gè)模塊之間均勻分配。 4.3    改變整流MOSFET的驅(qū)動(dòng)   

11、60; 圖8所示為一自驅(qū)動(dòng)同步整流模塊。 圖8    自驅(qū)動(dòng)的電源模塊     電路在多模塊并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)某一模塊因某種原因停止輸出電壓時(shí)，由于其它模塊仍在工作，且該模塊輸出端與其它模塊相聯(lián)，故輸出電壓Vout仍然存在。這時(shí)雖然該模塊不工作，但是由于結(jié)構(gòu)上的原因，S1和S2的源極與漏極的電壓為Vds=Vout，柵極與漏極的電壓為Vgs=Vout，因此S1和S2都導(dǎo)通，從而將Vout短路，勢(shì)必導(dǎo)致環(huán)流。     改進(jìn)后的自驅(qū)動(dòng)模塊如圖9所示。 圖9    改進(jìn)自驅(qū)動(dòng)的電源模塊

12、    S5和S6是P溝道MOSFET。當(dāng)模塊正常工作時(shí)，S5和S6只起驅(qū)動(dòng)電壓緩沖作用，不影響S1和S2的驅(qū)動(dòng)電壓波形。當(dāng)模塊不工作時(shí)，雖然Vout仍然存在，但由于S5和S6的阻斷，電壓Vout不能加到S1和S2的柵極上，而且由于電阻R5和R6，靜電不會(huì)在柵極上積累，此時(shí)S1和S2的管腳電壓為Vds=Vout及Vgs=0。因此，S1和S2都不會(huì)導(dǎo)通。這樣便有效地改進(jìn)了自驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。     整流MOSFET的驅(qū)動(dòng)不用自驅(qū)動(dòng)，而用他驅(qū)動(dòng)。將前面的單整流MOSFET結(jié)構(gòu)按此方法修改后如圖10所示。整流MOSFET S1的柵極接到PWM控制電路上，改變了原來(lái)的十字交*（Cross-coupled）結(jié)構(gòu)，避免了環(huán)流和振蕩的產(chǎn)生。 圖10    他驅(qū)動(dòng)方案1    將有兩個(gè)整流MOSFE