【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 AB 的 Simulink 環(huán)境，搭建降壓結(jié)構(gòu) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的仿真電路，采用電流分配法，用調(diào)節(jié)電源模塊的輸出，來實(shí)現(xiàn)并聯(lián)模塊之間的電流分配。建立其線性模型，得到由控制到輸出的傳遞函數(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性達(dá)到最優(yōu)。并進(jìn)行仿真分析，調(diào)整電路結(jié)構(gòu)、元件參數(shù)和仿真參數(shù)。 設(shè)計(jì)任務(wù)與指標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)有兩個(gè)額定輸出功率為 16W 的 8V DC/DC 模塊構(gòu)成的并聯(lián)供電系統(tǒng)，如圖 所示。 圖 兩個(gè) DC/DC 模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)主電路示意圖，供電系統(tǒng)的直流輸出電壓V。??Uo，供電形同效率不低于 60%。，保持輸出電壓 V,??Uo為 1:1 和 1:2。2 并聯(lián)特性及電流分配方法 并聯(lián)特性圖 為兩個(gè)模塊并聯(lián)工作時(shí)的等效電路及其外特性曲線。如果兩個(gè)模塊的參數(shù)完全相同，即 ， ，兩條外特性曲線重合，負(fù)載電流均max2ax1V?21R勻分配。如果其中一個(gè)模塊的電壓參考值較高，輸出電阻較小（外特性斜率?。?，如圖 1 中的模塊 1，則該模塊將承受大部分負(fù)載電流，負(fù)載增大，模塊 1 將運(yùn)行于滿載或超載限流狀態(tài)，影響了系統(tǒng)可靠性。（a）并聯(lián)等效電路（b）輸出外特性圖 兩個(gè)模塊并聯(lián)均流原理圖可見，并聯(lián)電源系統(tǒng)中各模塊按照外特性曲線分配負(fù)載電流，外特性的差，各并聯(lián)模塊輸出電阻是個(gè)恒值，輸出電流不均衡主要是由于各模塊輸出電壓不相等引起。電流分配的實(shí)質(zhì)即是通過均流控制電路，調(diào)整各模塊的輸出電壓，從而調(diào)整輸出電流，以達(dá)到電流分配的目的。一般開關(guān)電源是一個(gè)電壓型控制的閉環(huán)系統(tǒng)，電流分配的基本思想是采樣各自輸出電流信號(hào)，并把該信號(hào)引入控制環(huán)路中，來參與調(diào)整輸出電壓。選擇不同的電流信號(hào)注入點(diǎn)，可以直接調(diào)節(jié)系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓、反饋電壓誤差、或者反饋電流誤差，形成多種電流分配方案，以滿足不同的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 電流分配方法 根據(jù)并聯(lián)電源系統(tǒng)中模塊之間有無傳遞電流分配信號(hào)的互連線，所有電流分配方法可歸成兩大類：下垂法和有源電流分配法，下垂法為模塊之間只有輸出端導(dǎo)線相連。有源電流分配法除了連接輸出導(dǎo)線外，還用電流母線把各模塊連在一起。 下垂法 下垂法（又叫斜率法，輸出阻抗法）是最簡(jiǎn)單的一種電流分配方法。其實(shí)質(zhì)是利用本模塊電流反饋信號(hào)或者直接輸出串聯(lián)電阻，改變模塊單元的輸出電阻，使外特性的斜率趨于一致，達(dá)到電流分配。由圖 （b）可見，下垂法的電流精度取決于各模塊的電壓參考值、外特性曲線平均斜率及各模塊外特性的差異程度。選擇不同的電流反饋信號(hào)注入點(diǎn)，可以修正控制環(huán)路的反饋電壓值或基準(zhǔn)電壓。圖 （a）為采用調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓來改變電壓參考值的方式下所對(duì)應(yīng)的外特性曲線圖?？梢婋妷簠⒖贾档牟町愒叫?，均流效果越好。圖 （b）為采用調(diào)節(jié)反饋電壓值來改變斜率的方式下所對(duì)應(yīng)的外特性曲線圖。外特性斜率越陡，電流分配效果越好。 圖 （a）調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓圖 （b）調(diào)節(jié)反饋電壓常用的下垂法均流控制框圖如圖 所示。 為電流放大器輸出信號(hào)，與iV模塊輸出電流成比例 ， 為電壓反饋信號(hào)，顯然 ，當(dāng)iKfV 00IKVi???某模塊電流增加時(shí)， 上升， 下降，通過反饋使該模塊輸出電壓隨之下降，ie即外特性向下傾斜，接近其他模塊的外特性，從而其他模塊電流增大，實(shí)現(xiàn)電流分配。電壓誤差放大器 E/A 具有很大的直流增益 ，假設(shè) →∞時(shí)0K0， ，改變電壓環(huán)和電流環(huán)的比例參數(shù)可??ViOOrefOKIViIKVV //max????以獲取期望的外特性。 圖 下垂法電流分配控制框圖此外，在模塊輸出端與負(fù)載之間串聯(lián)一定的電阻值也是一種調(diào)節(jié)輸出電阻的下垂法。缺點(diǎn)為串聯(lián)電阻會(huì)消耗額外電能。較為經(jīng)濟(jì)的辦法是串聯(lián)熱敏電阻，其阻值隨在電阻上消耗的熱能變化而改變，同樣達(dá)到電流分配?！　《?，電流不連續(xù)模式下的 Buck、Boost、BuckBoost 變換器和串聯(lián)諧振變換器本身就固有一定的外特性下垂率，這類變換器可以直接并聯(lián)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自然均流?！　∠麓狗ǖ奶攸c(diǎn)可歸納如下：模塊之間無互連通訊線。實(shí)為開環(huán)控制，小電流時(shí)電流分配差，隨著負(fù)載增加電流分配效果有所改善。對(duì)穩(wěn)壓源而言，希望外特性斜率越小越好，而下垂法則以降低電壓調(diào)整率為代價(jià)來獲取電流分配，該法可以應(yīng)用在電流分配精度大于或等于 10%的場(chǎng)合。對(duì)于不同額定功率的并聯(lián)模塊，難以實(shí)現(xiàn)電流分配。 有源電流分配法 有源電流分配法是電流分配方法中的一大類別，其特征是采用互連通訊線連接所有的并聯(lián)模塊，用于提供共同的電流參考信號(hào)。一般并聯(lián)變換器采用電流型控制，即電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)雙環(huán)控制，以下把功率級(jí)和電流內(nèi)環(huán)作為變換器的基本單元。在基本單元外設(shè)計(jì)控制結(jié)構(gòu)和母線連接方式，形成各類有源電流分配法，如主從法、平均電流法、最大電流法等。　　控制結(jié)構(gòu)指均流環(huán)與電壓環(huán)如何配置，圖 為有源電流分配法的三種控制結(jié)構(gòu)：電壓環(huán)環(huán)外調(diào)整、環(huán)內(nèi)調(diào)整和雙環(huán)調(diào)整。環(huán)外調(diào)整中均流環(huán)從電壓環(huán)外部疊加（圖 ） ，電流母線帶寬低，對(duì)噪音不敏感，但由于受到低帶寬電壓環(huán)限制，電流分配控制反應(yīng)比較緩慢。環(huán)內(nèi)調(diào)整中電流分配環(huán)從電壓環(huán)內(nèi)疊加（圖 ） ，電流分配環(huán)可以很好的和電流環(huán)結(jié)合起來，整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電流分配信號(hào)從環(huán)內(nèi)注入，其帶寬不受電壓環(huán)的限制，反應(yīng)速度快，電流母線的電壓從電壓調(diào)整放大器獲得，但容易引起噪聲。雙環(huán)調(diào)整中電流分配環(huán)和電壓環(huán)并行一起作用于基本單元（圖 ） 。(c)雙環(huán)調(diào)整圖 三種控制結(jié)構(gòu) 電流母線連接方式指如何從所有的模塊中獲取公共電流參考信號(hào)，表明了模塊間的主從關(guān)系。圖 顯示了三種電流母線的連接：自主配置、平均配置和指定配置。自主配置（圖 ）中，各個(gè)模塊和母線之間通過二極管連接，只有具備最大電流的模塊對(duì)應(yīng)的二極管才能導(dǎo)通，電流母線上代表的是最大電流信號(hào)。平均配置（圖 ）中，各個(gè)模塊和母線之間通過參數(shù)完全一致的電阻連接，電流母線上代表的是平均電流。指定配置（圖 ）中，只有人為指定的模塊直接連接電流母線,成為主模塊。圖 三種電流母線連接方式 最大電流法 圖 所示為最大電流法控制框圖，對(duì)比圖 、圖 可見最大電流分配技術(shù)由環(huán)外調(diào)整和母線自主配置相結(jié)合而成，不改變模塊基本單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只需在電壓環(huán)外面疊加一個(gè)電流環(huán)，各模塊間接一條電流線 CSB。圖 最大電流法 因?yàn)槎O管單向性，只有電流最大的模塊才能與電流母線相連，該模塊即為主模塊。其余為從模塊，比較各自電流反饋與電流線之間電壓的差異，通過誤差放大器輸出來補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓達(dá)到電流分配。 特點(diǎn)是：（1）這種電流分配方法一次只有一個(gè)單元參與調(diào)節(jié)工作，主模塊永遠(yuǎn)存在且是隨機(jī)的，為實(shí)現(xiàn)冗余最常用的方法。（2）二極管總存在正向壓降，因此主模塊的電流分配會(huì)有誤差。（3）電流分配是一個(gè)從模塊電流上升并超過主模塊電流的過程，系統(tǒng)中主、從模塊的身份不斷交替，各模塊輸出電流存在低頻振蕩。 Unitrode IC 公司開發(fā)的均流控制芯片 UC390UC3907 正是基于最大電流自動(dòng)電流分配的思想，簡(jiǎn)化了并聯(lián)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試，得到廣泛應(yīng)用。 平均電流分配法環(huán)外調(diào)整結(jié)構(gòu)和母線平均配置相結(jié)合形成平均電流分配法。即將圖 中的二極管用一個(gè)電阻 R 代替。如果所有電阻 R 參數(shù)完全一致，電流線的電壓反映了所有模塊電流的平均值。當(dāng) 時(shí)表明已經(jīng)達(dá)到電流分配，如果電流csbaU?分配不均，電阻 R 上出現(xiàn)電壓，該電壓通過誤差放大器輸出一個(gè)誤差電壓，從而修正基準(zhǔn)電壓，以達(dá)到電流分配目的?！　∑骄娏鞣ㄊ且豁?xiàng)專利技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)精確的均流。缺點(diǎn)是當(dāng)電流母線短路或某個(gè)模塊不工作時(shí)母線電壓下降，將促使每個(gè)模塊電壓下調(diào)，甚至達(dá)到下限，造成故障。解決辦法是自動(dòng)地把故障模塊從電流母線上切除。 主從電流分配法 在并聯(lián)電源系統(tǒng)中，人為的指定一個(gè)模塊為主模塊，直接連接到電流母線，其余的為從模塊，從母線上獲取電流分配信號(hào)。圖 為采用電壓環(huán)內(nèi)調(diào)整結(jié)構(gòu)的主從電流分配法。主模塊工作于電壓源方式，從模塊的誤差電壓放大器接成跟隨器的形式，工作于電流源方式。因?yàn)橄到y(tǒng)在統(tǒng)一的誤差電壓下調(diào)整，模塊的輸出電流與誤差電壓成正比，所以不管負(fù)載電流如何變化，各模塊的電流總是相等。 圖 主從電流分配法 采用這種電流分配法，精度很高，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，模塊間聯(lián)線復(fù)雜。缺點(diǎn)是一旦主模塊出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)將完全癱瘓，寬帶電壓回路容易產(chǎn)生噪聲干擾。使用中主、從模塊間的聯(lián)線應(yīng)盡量短。3 降壓斬波電路 降壓斬波電路的概念 降壓斬波電路是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電路，該電路一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制 IC 和 MOSFET 構(gòu)成。降壓開關(guān)電源屬于直流開關(guān)電源非隔離式單管 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的派生型。 降壓斬波電路的特點(diǎn)降壓斬波電路是將直流電流變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)直流電，也成為直接變換器。其主要特點(diǎn)有：非常小的內(nèi)部損耗；非常小的溫度漂移；很高的輸出電壓穩(wěn)定度；很好的負(fù)載和線性調(diào)整率；很寬的工作溫度范圍；較寬的輸入范圍；外圍電路非常簡(jiǎn)單，使用起來極為方便。 降壓斬波電路的原理 PWM 控制信號(hào)PWM 波形的產(chǎn)生和控制是降壓斬波電路的技術(shù)核心之一，本文采用的是模擬電路構(gòu)成三角波和直流信號(hào)發(fā)生電路，用比較器來確定他們的交點(diǎn)，以形成等脈寬 PWM 波。如圖 所示。 圖 PWM 控制信號(hào)