楊玉崗，江 威，苗 闖，張書淇

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，葫蘆島125105）

雙向DC/DC變換器以其體積小、重量輕、成本低、易于控制等優(yōu)點越來越多地應(yīng)用于能量需要雙向流動的場合[1]。交錯并聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用對進一步減小濾波電感和電容、降低功率開關(guān)的電應(yīng)力和熱應(yīng)力、減小電流紋波、減小電感損耗、改善電路的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能、增加功率密度及提高可靠性等有著重要的作用[2-4]。為了獲得最高的滿載效率，通常在變換器中按照最大工作電流進行硬件電路的設(shè)計。然而在實際應(yīng)用中，輸出的可變性會導(dǎo)致變換器工作狀態(tài)的不穩(wěn)定，并且多相并聯(lián)在增大變換器的輸出功率、減小輸出總電流紋波的同時，還會增加輕載時的開關(guān)損耗進而降低變換器的效率，所以輕載效率低又成為多相并聯(lián)變換器的一個突出問題。針對此問題，本文在4相交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器中采用相數(shù)控制，即根據(jù)負(fù)載大小動態(tài)調(diào)整變換器相數(shù)的方法，有效減小開關(guān)損耗，提高變換器的輕載能量傳輸效率。然而，當(dāng)變換器單通道運行時，就不能再通過減小相數(shù)的方式減小開關(guān)管的損耗。

為此，本文結(jié)合現(xiàn)有單通道變換器的頻率控制技術(shù)[5-9]，提出一種能夠適用于多相交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器的頻率控制策略，該策略能夠有效提高單通道更輕負(fù)載時變換器的效率。最后，通過相數(shù)控制與頻率控制相結(jié)合的方式，實現(xiàn)了全負(fù)載范圍內(nèi)變換器的高效運行。

1 相頻控制方式的控制策略

1.1 多相交錯并聯(lián)雙向直流變換器的相數(shù)控制

圖1為4相交錯并聯(lián)直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。變換器正常工作運行時，各通道均對稱運行，當(dāng)變換器工作相數(shù)發(fā)生改變時，剩余相若按照原有的相移方式繼續(xù)運行，變換器的輸出將不再平衡，并且總輸出電流波形也會因為各相電流不平衡特性的疊加導(dǎo)致輸出性能變差，交錯并聯(lián)的優(yōu)點將會大打折扣。因此，當(dāng)改變變換器的控制脈沖減小時，相應(yīng)地還要調(diào)整剩余各通道的相位差，使其能夠達(dá)到最佳的輸出性能。

當(dāng)變換器滿載運行時，4通道變換器的每一相中所有的主開關(guān)管均投入工作狀態(tài)，如圖2所示。當(dāng)運行于 Buck 模式下時，4 路主開關(guān)管 Q1、Q3、Q5、Q7依次導(dǎo)通，導(dǎo)通相位相差90°，其運行能對稱性能夠達(dá)到交錯并聯(lián)技術(shù)的要求。

圖1 4相交錯并聯(lián)直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of four-phase interleaved parallel DC/DC converter

圖2 4通道主開關(guān)管導(dǎo)通圖Fig.2 Conduction diagram of four-channel main switch tube

當(dāng)負(fù)載功率從額定功率的100%降低到75%時，若按照4相通道同時運行，則流過各相的電流均會降低；當(dāng)功率降至75%以下時，若此時關(guān)閉1條通道，將相數(shù)從4相減小至3相，則流過各相的電流將重新增大到滿載額定電流的25%，此時相位也將發(fā)生變化，剩余三相的主開關(guān)管的導(dǎo)通角互差120 °，如圖 3 所示。

當(dāng)負(fù)載功率從額定功率的75%降至50%時，如上面操作，令再關(guān)閉其中1條通道，相數(shù)減至2相，各相流過的電流重新達(dá)到額定電流的25%，這時導(dǎo)通角再次發(fā)生變化，互差180°，如圖4所示。同理，當(dāng)負(fù)載功率降低到額定功率的25%時，需要繼續(xù)減少相數(shù)至單相。

圖3 3通道主開關(guān)管導(dǎo)通圖Fig.3 Conduction diagram of three-channel main switch tube

圖4 2通道主開關(guān)管導(dǎo)通圖Fig.4 Conduction diagram of two-channel main switch tube

利用相數(shù)控制技術(shù)能夠有效提高變換器在非滿載情況下的工作效率。當(dāng)相數(shù)發(fā)生改變后，變換器的總電感電流紋波如表1所示。表中，f為開關(guān)管的開關(guān)頻率；d為主開關(guān)管占空比；L為電感；Vin為變換器輸入電壓。

表1 總電感電流紋波Tab.1 Total inductance current ripple

1.2 多相交錯并聯(lián)雙向直流變換器的頻率控制

相數(shù)控制是實現(xiàn)頻率控制的基礎(chǔ)，當(dāng)變換器相數(shù)減小到單相時，不能再通過減小相數(shù)的方式提高效率。變頻控制技術(shù)是指變換器的周期不固定，通過改變脈沖寬度，或者改變開關(guān)管的關(guān)斷時間，改變變換器的控制頻率，也就是脈沖頻率調(diào)制PFM（pulse frequency modulation）技術(shù)；脈沖跨周期調(diào)制PSM（pulse skipping modulation）技術(shù)是通過控制頻率和占空比恒定，僅隨著輸出電流的變化，跳過一些控制脈沖，在跳過控制脈沖這段時間內(nèi)，開關(guān)管不工作，通過改變跳過控制脈沖數(shù)量來對變換器進行開關(guān)控制。不同頻率控制方式如圖5所示。

圖5 不同頻率控制方式Fig.5 Different frequency control modes

采用多頻控制的基本思路為：在開關(guān)管滿足滿載額定功率運行條件時，采用較高開關(guān)頻率的傳統(tǒng)PWM控制方式；在開關(guān)管運行于中等額定功率時，在不影響電子元器件性能的情況下，采用多個控制頻率對變換器進行控制，減少開關(guān)損耗從而提高變換器的效率；在開關(guān)管運行于極輕額定功率時，采用PSM控制方式進一步減小變換器的開關(guān)頻率，從而解決輕載傳輸效率低的問題。和傳統(tǒng)的PFM控制技術(shù)相比，多頻控制技術(shù)控制簡單，僅僅需要產(chǎn)生幾種頻率的PWM控制脈沖，在每個負(fù)載段，變換器都是采用穩(wěn)定的PWM脈沖來控制，工作時的電感電流紋波穩(wěn)定。

2 相頻控制方式的流程控制方法

2.1 通道數(shù)控制流程

通道數(shù)控制流程如圖6所示，給控制電路通電后，單片機開始執(zhí)行初始化設(shè)置。將定時器中斷周期設(shè)定為0.5 ms，每隔0.5 ms進行10次A/D采樣，將10次采樣結(jié)果進行均值濾波，得到更準(zhǔn)確的電壓/電流數(shù)據(jù)。初始化設(shè)置執(zhí)行完畢后，采樣低壓側(cè)電流IL，并與已經(jīng)測量出的通道數(shù)控制點電流進行比較。若滿足I3＜IL＜I4條件，變換器工作狀態(tài)為4相交錯并聯(lián)運行；若滿足I2＜IL＜I3條件，變換器工作狀態(tài)為3相交錯并聯(lián)運行，各相相位差變成120°；若滿足I1＜IL＜I2條件，變換器工作狀態(tài)為2相交錯并聯(lián)運行，相位差變成 180°；若滿足 0＜IL＜I1條件，變換器只有1相處于工作狀態(tài)。循環(huán)采樣與判斷，執(zhí)行通道數(shù)控制策略。

圖6 通道數(shù)控制流程Fig.6 Flow chart of control of channel numbers

2.2 頻率控制流程

頻率控制流程如圖7所示。頻率控制的思路和通道數(shù)控制基本類似，區(qū)別在于頻率控制僅僅是在變換器兩相運行后才執(zhí)行。在程序中設(shè)定一個變換器兩相運行時的標(biāo)志位，只要判斷標(biāo)志位置1后，才調(diào)用頻率控制子函數(shù)，當(dāng)標(biāo)志位清零后，再調(diào)用通道數(shù)控制子函數(shù)。根據(jù)低壓側(cè)電流的變化將變換器的工作頻率分別設(shè)定為150 kHz和100 kHz。

圖7 頻率控制流程Fig.7 Flow chart of frequency control

2.3 FPGA控制流程

現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（field-programmable gate array）主要承擔(dān)改變PWM的頻率、相位角和控制方式等職責(zé)，只要當(dāng)FPGA接收到單片機發(fā)出的信號，就立即調(diào)用相應(yīng)的子函數(shù)來改變頻率、相位角或者控制方式。其控制流程如圖8所示。實時讀取端口B0、B1的數(shù)據(jù)從而改變PWM的頻率；讀取端口C0、C1的數(shù)據(jù)改變PWM的相位角；讀取端口A0、A1的數(shù)據(jù)，改變頻率控制方式。這里需要注意的是，F(xiàn)GPA的不同進程模塊是并行執(zhí)行的，即在同一個時鐘沿到來時，讀取端口數(shù)據(jù)的同時執(zhí)行的，這樣保證了與單片機實時地通訊，提高變換器的響應(yīng)速度。

圖8FPGA控制流程Fig.8 Flow chart of FPGA control

3 實驗驗證

實驗樣機如圖9所示。其中，控制電路的供電電壓為 12 V，由 EM1719A 直流穩(wěn)壓源（0～32 V，0～2 A）提供；主電路輸入電壓由IT6154大功率直流電源（0～60 V，0～9 A）提供，輸出接電子負(fù)載 IT85 13C（120 V，120 A）；額定高壓側(cè)電壓 Vin=12 V,額定低壓電壓Vo=4.8 V。

圖9 實驗樣機Fig.9 Experimental prototype

3.1 相數(shù)控制實驗

圖10為4相交錯并聯(lián)DC-DC變換器切相時工作在臨界狀態(tài)下的相電感電流波形，圖11是臨界狀態(tài)下總輸出電流波形，電流測試采用CHB-25NP，匝比 n=1 000/1，檢測電阻 RM=1 000 Ω，通過示波器測試的電流i=vn/RM。

圖12是變換器在不同相數(shù)工作時的效率曲線。由圖可見，當(dāng)輸出電流相同、工作相數(shù)不同的情況下，變換器的效率不同，不論幾相工作，變換器的效率隨著變換器輸出電流的逐漸增大，呈現(xiàn)出先提高后降低的現(xiàn)象。隨著相數(shù)增加，輕載效率降低，最高效率點對應(yīng)的電流增大，高效負(fù)載段增加；隨著電流變化，當(dāng)3相工作效率高于4相時變換器轉(zhuǎn)換為3相工作，當(dāng)2相工作效率高于3相時變換器轉(zhuǎn)換為2相工作，當(dāng)單相效率高于2相時變換器轉(zhuǎn)換為單相工作，工作相數(shù)的減少導(dǎo)致開關(guān)損耗的降低，進而電能傳輸?shù)男实玫教岣摺?/p>

圖10 4相相電流實驗波形Fig.10 Experimental waveform of four-phase phase current

圖11 4相電感總輸出電流實驗波形Fig.11 Experimental waveform of total output current of four-phase inductor

圖12 不同相數(shù)工作的效率曲線Fig.12 Efficiency curves with different numbers of working phases

3.2 頻率控制實驗

圖13是PSM控制方式的驅(qū)動波形，當(dāng)變換器轉(zhuǎn)換為單相運行時，在極輕負(fù)載下，采用PSM控制方式，有規(guī)律地跳過一些時鐘周期，使得開關(guān)管在一個周期內(nèi)的導(dǎo)通次數(shù)減小，從而降低開關(guān)管的導(dǎo)通損耗。圖14為單相工作時不同頻率下變換器輕載范圍內(nèi)的效率，可見，降低控制頻率，能夠提高變換器的輕載效率。

圖15是f=100 kHz時PSM和PWM控制方式下變換器的電能傳輸效率。由圖可明顯看出，在低壓側(cè)電流為0～2.5 A時，變換器的電能傳輸效率采用PSM控制方式高于采用PWM控制方式；對比圖14可見，變換器在PWM控制方式下，當(dāng)f=100 kHz時電能傳輸效率高于f=150 kHz的電能傳輸效率。

圖13 單通道變換器PSM控制方式實驗波形Fig.13 Experimental waveform of one-channel converter under PSM control

圖14 單通道變換器不同頻率輕載的效率Fig.14 Light-load efficiency of one-channel converter at different frequencies

圖15 f=100 kHz時不同控制方式效率Fig.15 Load efficiency in different control modes when f=100 kHz

3.3 多相交錯并聯(lián)雙向直流變換器控制實驗

將相數(shù)控制技術(shù)、多頻控制技術(shù)和PSM頻率控制技術(shù)相結(jié)合，綜合提高變換器的電能傳輸效率。圖16是采用本文所提控制方案得到的4相交錯并聯(lián)DC-DC變換器全負(fù)載范圍內(nèi)的效率曲線。從圖中能夠明顯看出，輕載效率有了顯著的提高，因而達(dá)到了變換器全負(fù)載范圍內(nèi)保持較高的能量傳輸效率的目的。

圖16 頻率控制變換器效率曲線Fig.16 Efficiency curves of converter under frequency control

4 結(jié)語

本文將相數(shù)控制、多頻控制及PSM控制方法結(jié)合起來，拓寬了變換器的高效運行區(qū)間，提升了輕載電能傳輸效率。該控制方法從設(shè)計和成本的角度來講，能夠有效地提高全負(fù)載范圍內(nèi)的效率，而且元器件壽命也會得到一定的延長。