反激式電路拓?fù)涞腄C/DC變換器并聯(lián)輸出的均流變換器設(shè)計(jì)
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本文主要通過(guò)對(duì)Droop法DC/DC變換器并聯(lián)均流技術(shù)的研究,設(shè)計(jì)了一種基于反激式電路拓?fù)?/strong>的兩個(gè)DC/DC變換器并聯(lián)輸出的均流變換器。
單端反激電路的電路拓?fù)浼肮ぷ髟?/span>
電路拓?fù)?/strong>
圖1 反激式變換器
反激式變換器是在基本Buck-Boost變換器中插入變壓器形成的,線路組成見(jiàn)圖1所示。變壓器原邊繞組其實(shí)是充當(dāng)一個(gè)儲(chǔ)能電感的作用,后文將敘述到初級(jí)電感量的設(shè)計(jì)將影響到反激式變換器的工作模式。
電路工作的第一階段是能量存儲(chǔ)階段,此時(shí)開關(guān)管Tr導(dǎo)通,原邊繞組電流Ip的線性變化遵循式(1)。
(1)
電路工作的第二階段是能量傳送階段,此時(shí)開關(guān)管Tr關(guān)斷,原邊電流為零,副邊整流二極管D導(dǎo)通,出現(xiàn)感生電流。并且按照功率恒定原則,副邊繞組安匝值與原邊安匝值相等。副邊繞組電流Is遵循式(2)。
(2)
其中為副邊繞組電壓,為變壓器副邊的等效電感。
電路工作模式
(1)工作模式改變的條件
如圖1所示的變換器,設(shè)開關(guān)管導(dǎo)通占空比為D1,二極管導(dǎo)通占空比為D2,工作周期為Ts,按穩(wěn)態(tài)電感電流增量相等原則有:
(3)
連續(xù)模式時(shí),D1期間(開關(guān)管導(dǎo)通,二極管截止)存儲(chǔ)在L上的能量在D2期間(開關(guān)管截止,二極管導(dǎo)通)沒(méi)有完全放完,故有:
(4)
不連續(xù)模式時(shí),D1期間(開關(guān)管導(dǎo)通,二極管截止)存儲(chǔ)在L上的能量在小于D2期間(開關(guān)管截止,二極管導(dǎo)通)已完全放完,故有:
(5)
從而可以推導(dǎo)臨界連續(xù)的條件是:
D1+D2=1且每周期開始時(shí)的IP=0
故有:
(6)
其中,Lc為臨界連續(xù)的電感值。
代入式(3)有:
(7)
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利用狀態(tài)空間平均法可以建立CCM模式下的反激變換器的小信號(hào)模型,如圖2所示。
圖2 CCM模式下的反激變換器的小信號(hào)模型
從中可以導(dǎo)出開環(huán)輸出阻抗為:
(8)
其中
由式(8)可以看出,對(duì)設(shè)計(jì)好的Buck-Boost變換器,其輸出阻抗僅為開關(guān)管導(dǎo)通比的函數(shù)。通過(guò)PWM控制開關(guān)管的導(dǎo)通占空比D,就可以控制變換器的開環(huán)輸出阻抗。
Droop法均流原理
分布式電源系統(tǒng)并聯(lián)使用的好處是可以實(shí)現(xiàn)電源模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì),提高系統(tǒng)的可靠性。但同時(shí)要求并聯(lián)的電源之間采取均流(Current-sharing)措施,以保證并聯(lián)電源模塊之間的電流應(yīng)力和熱應(yīng)力均勻分配。
Droop法又叫改變輸出內(nèi)阻法、斜率控制法、電壓下垂法、外特性下垂法、輸出特性斜率控制法,線路簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn);均流精度不高,適用于電壓調(diào)整率要求不高的并聯(lián)系統(tǒng)。
圖3 開關(guān)電源電路模型
圖4 開關(guān)電源的輸出曲線
如圖3所示的單個(gè)開關(guān)電源,它的輸出特性曲線如圖4所示,其輸出電壓Vo與負(fù)載電流Io的關(guān)系為:
(9)
圖5 兩臺(tái)開關(guān)電源并聯(lián)的電路模型
當(dāng)兩臺(tái)開關(guān)電源按圖5并聯(lián)時(shí),每個(gè)開關(guān)電源的負(fù)載電流為:
(10)
(11)
其中
圖6 并聯(lián)后開關(guān)電源的外特性斜率
從圖6顯見(jiàn),外特性斜率小(即輸出阻抗小)的電源,分配電流的增長(zhǎng)量比外特性斜率大的電源增長(zhǎng)量大。
Droop法實(shí)現(xiàn)均流的主要手段就是利用電流反饋調(diào)節(jié)每個(gè)變換器的外特性斜率,使并聯(lián)變換器的輸出阻抗接近一致,從而達(dá)到輸出均流。
由前文所述,反激電路的輸出阻抗為開關(guān)管導(dǎo)通占空比的函數(shù),因此用反激電路實(shí)現(xiàn)Droop法均流的途徑,應(yīng)該通過(guò)電流檢測(cè)信號(hào)控制開關(guān)管導(dǎo)通占空比來(lái)實(shí)現(xiàn),或者說(shuō)電流檢測(cè)信號(hào)要參與PWM控制。
本文用Droop法設(shè)計(jì)了兩個(gè)12V輸出的并聯(lián)DC/DC變換器,結(jié)構(gòu)如圖7所示,技術(shù)指標(biāo)要求如下。