張 瑞，汪 健，陳宗祥，葛蘆生

（安徽工業(yè)大學電氣與信息工程學院，馬鞍山243000）

為了滿足大功率負載的應用要求，電源系統(tǒng)廣泛采用分布式電源系統(tǒng)結構，即通過小功率DC-DC變換器并聯(lián)組成電源系統(tǒng)[1]。其中均流技術是實現(xiàn)DC-DC變換器模塊并聯(lián)運行的關鍵技術之一，即實現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)中各個模塊電流均分的控制技術[2-5]。但是，功率變換器并聯(lián)系統(tǒng)的主從模塊間需要物理連線來實現(xiàn)信息的傳遞。復雜的物理連線容易引入噪聲與干擾，從而降低系統(tǒng)性能，限制變換器的放置地點[6-8]，以及降低系統(tǒng)的可維護性[9-10]。而且物理連線作為一種單點失敗源，任何損壞點都會導致整個系統(tǒng)的崩潰。因此，需要一種無線技術來傳遞均流信息。

目前，已有專家學者對并聯(lián)變換器無線控制進行了相關研究。文獻[11]提出一種基于頻域編碼的分發(fā)均流信息方法來實現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)的均流；文獻[6]提出一種信號注入技術來實現(xiàn)強制均流；文獻[7,10]提出一種無線PWM技術以實現(xiàn)并聯(lián)DC-DC變換器均流控制。另外，以無線方式構建分布式電源的研究中，文獻[12-13]分別提出利用 FSK（frequency shift keying）方式進行電力電子信號的傳輸，兩者分別采用載波916 MHz和914.5 MHz、開關頻率20 kHz和10 kHz的放大傳輸模塊；文獻[7]進一步提出一種采用射頻無線技術來控制使用SiC器件的DC-DC并聯(lián)系統(tǒng)。

本文在文獻[1]的基礎上進行系統(tǒng)優(yōu)化，采用微處理器全數(shù)字控制，以主從均流法為結構基礎，對主模塊傳輸給從模塊的電流參考信號進行數(shù)字化。無線模塊對該數(shù)字信號進行二進制相移鍵控BPSK（binary phase shift keying），保持發(fā)射端與接收端的碼速率和載波頻率同步，實現(xiàn)各模塊以同一電流參考值進行調節(jié)，并在各自內部微處理器的控制下生成相應的DPWM，分別調節(jié)輸出電流，實現(xiàn)系統(tǒng)均流。綜合國內外的研究成果，由于無線并聯(lián)模塊存在延時等問題，使得系統(tǒng)開關頻率最高在20 kHz左右，在上述研究基礎上提出了DSP+FPGA構架并使開關頻率可以達到200 kHz。

1 實驗裝置

本文提出的基于DSP+FPGA構架的并聯(lián)高頻DC-DC變換器無線通信研究系統(tǒng)結構如圖1所示，其中圖（a）是系統(tǒng)結構框圖，圖（b）是并聯(lián) Buck變換器系統(tǒng)的電路控制框圖。

圖1 系統(tǒng)結構Fig.1 System structure

采用BPSK進行實驗，其通信平臺組成框圖如圖2所示。圖2中發(fā)射端，由信源輸出的二進制數(shù)據(jù)，進入基帶信號處理模塊，經過組幀處理、BPSK調制以及成形濾波后以數(shù)字量形式經A/D模塊產生中頻模擬信號，最后經射頻前端模塊發(fā)射出去，此方案能有效克服零中頻架構射頻前端的弊端，最大程度發(fā)揮其抗干擾優(yōu)勢。接收端，由射頻前端接收到的數(shù)據(jù)經D/A轉換處理送入基帶信號處理模塊，先后經過匹配濾波、BPSK解調以及解幀處理后產生二進制數(shù)據(jù)。

圖2 BPSK平臺組成框圖Fig.2 Block diagram of BPSK platform

BPSK方式一般是鍵控的載波相位基帶脈沖序列的規(guī)律而改變的數(shù)字調制方式，即二進制的數(shù)字基帶信號0與1分別用相關調制載波的180°與0°相位波形來表示。BPSK調制和解調的原理如圖3所示。

圖3 BPSK調制與解調原理Fig.3 Priciples of BPSK modulation and demodulation

本文使用2個DC-DC變換器模塊并聯(lián)進行實驗驗證。DC-DC變換器主電路采用Buck電路，設定其中一個為主模塊，另一個為從模塊，如圖1所示。主模塊控制環(huán)包括電壓環(huán)和電流環(huán)，電壓環(huán)輸出值作為電流環(huán)的參考值；從模塊控制環(huán)只有電流環(huán)，接收主模塊發(fā)來的電流參考值。主模塊中微處理器對輸出電壓和輸出電流進行采樣編碼。在電壓外環(huán)中輸出電壓與給定的電壓基準值比較，經過一個數(shù)字PI調節(jié)得到電流內環(huán)的基準值。同時，主模塊將該電流基準值通過無線模塊發(fā)送至從模塊。兩個模塊分別采樣編碼得到其輸出電流，并與此基準值比較，再經過數(shù)字PI調節(jié)，得到各自的控制量，以調節(jié)各自DPWM的占空比，控制開關器件的通斷，均勻兩個模塊的輸出電流。

2 實驗驗證

圖4為本文設計的實驗驗證平臺。無線發(fā)送和接收模塊采用上海宇志通信技術有限公司的雙通道一體化及待處理射頻發(fā)送板MSS1832和接收板MSR1842。Buck電路、控制器和無線收發(fā)裝置的相關參數(shù)如表1所示，主、從模塊的參數(shù)完全一致。

圖4 實驗平臺Fig.4 Experimental platform

并聯(lián)Buck變換器系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能波形如圖5所示。由圖可以看出，系統(tǒng)的輸出電壓穩(wěn)定在系統(tǒng)要求的2.4 V，且主、從模塊的電感電流平均值基本相同，實現(xiàn)了均流。主從模塊的門極信號（由主模塊PWM通道采集）與其對應的電感電流即輸出電流的變化保持一致，且從模塊跟隨主模塊變化。

圖5 并聯(lián)Buck變換器的穩(wěn)態(tài)性能波形Fig.5 Steady state performance of parallel Buck converter

圖6所示是并聯(lián)Buck變換器在負載變化時的暫態(tài)性能波形。其中，圖（a）是雙閉環(huán)PI調節(jié)下負載從1 A加載到5 A時的性能，圖（b）是雙閉環(huán)PI調節(jié)下負載從5 A減載到1 A時的性能。為了滿足負載變化的要求，本文使用MOSFET對變量負載支路進行投切。由圖6中波形可以看出，從模塊的電感電流跟隨主模塊的電感電流的變化；輸出電壓的波動均在0.8 V左右，在要求范圍內，能夠穩(wěn)定在系統(tǒng)要求的電壓，瞬態(tài)性能良好。

圖6 并聯(lián)Buck變換器雙環(huán)PI負載變化性能Fig.6 Load change performance of double loop PI in parallel Buck converter

由于系統(tǒng)采用的優(yōu)化策略，不但使系統(tǒng)開關頻率達到200 kHz，而且使得由于無線傳輸存在的系統(tǒng)延時縮短為12 μs，在精度要求不甚高的情況下延時可以忽略。

表1 并聯(lián)變換器的實驗參數(shù)Tab.1 Experimental parameters of parallel converter

3 結語

針對現(xiàn)有相關研究資料結果中，系統(tǒng)開關頻率只能達到20 kHz或無線延遲時間太長的不足，本文提出了基于DSP+FPGA構架的無線通信控制的高頻DC-DC變換器的并聯(lián)系統(tǒng)，使得系統(tǒng)開關頻率達到200 kHz，并采用BPSK通信平臺進行實驗，提出的方法能夠保證并聯(lián)系統(tǒng)有良好的均流效果，并且使無線傳輸過程出現(xiàn)的延時減小到12 μs，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很小。在實驗過程中，當負載變化時延時效果對系統(tǒng)影響可以忽略。本文提出的方法雖然在實驗中只采用了兩個Buck變換器并聯(lián)，但是具有良好的通用性，對于更多變換器并聯(lián)同樣適用。

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