引 言

　　較之傳統(tǒng)的單電源供電而言,，并聯(lián)電源具有很多優(yōu)點(diǎn),，如可實(shí)現(xiàn)大容量、高效率，能夠達(dá)到較高的可靠性,，能夠根據(jù)需要配置成為冗余系統(tǒng),，能夠?qū)崿F(xiàn)電源的模塊化等。而幾個(gè)DC/DC模塊并聯(lián)運(yùn)行時(shí),，如果能夠?qū)崿F(xiàn)各模塊的交錯(cuò)運(yùn)行,，則可以減小總的電壓和電流紋波幅值，提高紋波頻率,，從而提高輸出電壓電流的質(zhì)量,。對(duì)一臺(tái)CCM模式運(yùn)行的N模塊并聯(lián)電源系統(tǒng)而言，實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)運(yùn)行將使得系統(tǒng)的紋波幅值較之單模塊大為減小,，而紋波頻率則提高N倍,。

　　交錯(cuò)運(yùn)行方案已被廣泛采用于DC/DC并聯(lián)電源系統(tǒng)中，不過(guò)現(xiàn)有方案多采用集中式控制,，通過(guò)一個(gè)獨(dú)立的控制模塊產(chǎn)生一系列頻率相同而相位差為2πPN的觸發(fā)脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的變換器,。這種方案優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，但其缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn),，即該方案難以適應(yīng)模塊數(shù)目變化的情況,。此外集中控制單元的采用也使得系統(tǒng)的可靠性極大地取決于控制單元的可靠性，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),。為了解決集中式控制的不足,，有文獻(xiàn)提出了一種基于交錯(cuò)線的自動(dòng)交錯(cuò)控制方案，該方案采用分布式控制,，能夠適應(yīng)模塊數(shù)目變化的情況,，而且分布式控制的采用也降低了系統(tǒng)由于集中式控制單元而帶來(lái)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。較之傳統(tǒng)的集中式控制方案而言,，這種控制方案的優(yōu)勢(shì)是很明顯的,，但其缺點(diǎn)也很明顯,，那就是交錯(cuò)線的引入一方面使得系統(tǒng)的模塊化無(wú)法真正實(shí)現(xiàn),，另一方面，交錯(cuò)線極易受到干擾,，這使得系統(tǒng)的可靠性受到影響,。

　　為了解決現(xiàn)有交錯(cuò)運(yùn)行控制方案的缺點(diǎn)，本文研究了一種無(wú)交錯(cuò)線自動(dòng)交錯(cuò)控制方案,，這種方案采用分布式控制,，而且不需要交錯(cuò)線，能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性,，并且實(shí)現(xiàn)真正的模塊化,。

　　無(wú)交錯(cuò)線自動(dòng)交錯(cuò)原理

　　基于無(wú)交錯(cuò)線自動(dòng)交錯(cuò)控制方案的三模塊并聯(lián)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中主電路采用普通BUCK變換器,。由于模塊2,、3的結(jié)構(gòu)與模塊1完全一樣,，故而簡(jiǎn)化之。

圖1　三模塊并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　從圖1可以看出,，三個(gè)參與并聯(lián)的模塊只有輸出端通過(guò)負(fù)載相互連接,，此外模塊之間再無(wú)其他連接線。在每個(gè)模塊中,，主電路向控制電路反饋輸出電壓,、本模塊輸出電流以及本模塊主電路主開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)信號(hào)，而控制電路向主電路提供PWM控制信號(hào)來(lái)控制主電路主開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷,。

　　該方案原理如圖2所示,，主要由脈沖整形單元、異地時(shí)鐘獲取環(huán)節(jié),、鎖相環(huán)電路以及PWM控制信號(hào)發(fā)生電路構(gòu)成,。

圖2　控制電路原理框圖

　　由圖可知，系統(tǒng)時(shí)鐘是通過(guò)提取輸出電壓中的尖峰脈沖成分并對(duì)其進(jìn)行處理而得到的,。由于不同模塊通過(guò)的傳輸路徑的差別,，因此提取到的尖峰脈沖幅值不一，必須首先進(jìn)行“整形”,，這可以通過(guò)高速比較器來(lái)實(shí)現(xiàn),。經(jīng)過(guò)高速比較器后得到的系統(tǒng)開(kāi)關(guān)信號(hào)中，對(duì)應(yīng)于每次開(kāi)關(guān)時(shí)刻可能有多個(gè)窄方波,。為了確保對(duì)應(yīng)于每個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)刻只有一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào),，還需要用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器對(duì)高速比較器輸出信號(hào)進(jìn)行處理。此后,，得到的一系列脈寬相等幅值相同的窄方波便為與系統(tǒng)每個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)時(shí)鐘,，如圖3所示。其中,，波形R1是經(jīng)過(guò)高通濾波后的電壓尖峰脈沖,，波形1是經(jīng)過(guò)高速比較器“整形”后得到的一系列窄脈沖，而波形2則是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)各次開(kāi)關(guān)動(dòng)作的系統(tǒng)時(shí)鐘的,。

　　得到系統(tǒng)時(shí)鐘后,，便可以通過(guò)系統(tǒng)時(shí)鐘與本地時(shí)鐘之間的邏輯運(yùn)算來(lái)獲得異地時(shí)鐘。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各模塊的交錯(cuò)運(yùn)行,，則必須實(shí)現(xiàn)各模塊對(duì)應(yīng)時(shí)鐘的交錯(cuò)運(yùn)行,，在本方案中，這通過(guò)各模塊控制電路中的鎖相環(huán)電路來(lái)實(shí)現(xiàn),。

圖3　系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)的提取

　　以兩模塊并聯(lián)的情況為例,，圖4所示波形2為本地模塊時(shí)鐘，波形1為異地模塊時(shí)鐘，由圖可知,，此時(shí),，本地模塊時(shí)鐘頻率小于異地模塊，鑒相器檢測(cè)模塊時(shí)鐘的上升沿得到3所示波形,，低通濾波后得到本地VCO輸入,，是一個(gè)漸升的直流電壓，從而使得本地VCO輸出頻率提高,，將此VCO的輸出脈沖作為本地模塊的 SYNC同步,，則可以使本地時(shí)鐘頻率上升。而對(duì)異地模塊而言,，其VCO輸入是一個(gè)漸降的直流電壓,，則可以使其時(shí)鐘頻率下降。這樣通過(guò)本地模塊和異地模塊時(shí)鐘頻率的反方向調(diào)整,，最終即可實(shí)現(xiàn)頻率同步,。

圖4　兩模塊并聯(lián)系統(tǒng)頻率同步的實(shí)現(xiàn)

　　如果兩個(gè)模塊的VCO壓頻特性一致(這可以通過(guò)調(diào)節(jié)鎖相環(huán)的外部電路參數(shù)實(shí)現(xiàn))，且我們事先設(shè)定他們的初始振蕩頻率(offset frequency)也就是VCOin=0V時(shí)的振蕩頻率相同,，那么,，最終實(shí)現(xiàn)頻率同步時(shí)，兩模塊的VCOin也一定相等,，則兩模塊的相位必然交錯(cuò)180 度,。

　　圖5為三模塊交錯(cuò)結(jié)果示意圖，其中波形1為本地模塊檢測(cè)到的系統(tǒng)時(shí)鐘,，為一系列等寬的窄方波脈沖,，每個(gè)窄方波對(duì)應(yīng)系統(tǒng)中某個(gè)模塊的一次開(kāi)關(guān)動(dòng)作(開(kāi)通或者關(guān)斷)；波形2為從系統(tǒng)時(shí)鐘里除去本地時(shí)鐘后剩下的部分,，即異地時(shí)鐘,，反映了系統(tǒng)中本地模塊之外的其他模塊的開(kāi)關(guān)時(shí)鐘信息。在本地模塊控制電路中,，鎖相環(huán)電路根據(jù)所檢測(cè)的異地模塊開(kāi)關(guān)時(shí)鐘信息(波形2)與本地開(kāi)關(guān)脈沖(波形3)進(jìn)行鑒相,，鑒相器輸出結(jié)果為一周期變化的矩形方波，如波形4所示,。在一個(gè)周期內(nèi),，該方波上升沿對(duì)應(yīng)本周期內(nèi)異地時(shí)鐘信號(hào)的第一個(gè)上升沿,，下降沿對(duì)應(yīng)本地開(kāi)關(guān)信號(hào)的上升沿,。除了本周期的第一個(gè)上升沿之外的其他異地時(shí)鐘信號(hào)的所有邊沿均為無(wú)效信號(hào)，在系統(tǒng)中不起作用,。對(duì)于系統(tǒng)中其他兩個(gè)模塊,，也是如此，對(duì)應(yīng)的鑒相器輸出結(jié)果分別如波形5、6所示,。 

圖5　三模塊并聯(lián)系統(tǒng)交錯(cuò)示意圖

　　本文所提的方案能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)交錯(cuò)運(yùn)行,，具體過(guò)程如圖6所示。系統(tǒng)本來(lái)有三個(gè)模塊并聯(lián)運(yùn)行,，每個(gè)模塊交錯(cuò)120度,，分別記作模塊1、模塊2,、模塊3,。其中模塊1和模塊2的開(kāi)關(guān)脈沖如圖中波形1、2中實(shí)線波形所示,。

圖6　自動(dòng)交錯(cuò)的實(shí)現(xiàn)

　　在某個(gè)時(shí)刻,，模塊3退出運(yùn)行，系統(tǒng)變成兩模塊并聯(lián)運(yùn)行,。在變化瞬間,，對(duì)模塊2而言，其控制電路中鑒相器的輸出發(fā)生突變,，輸出矩形方波占空比降低,，如圖中波形3中實(shí)線波形所示，這導(dǎo)致模塊2的開(kāi)關(guān)頻率降低,，在圖中表現(xiàn)為它的開(kāi)關(guān)脈沖“右移”,。

　　對(duì)于模塊1而言，在系統(tǒng)發(fā)生變化的瞬間,，其鑒相器的輸出不會(huì)發(fā)生突變,，而隨著模塊2的開(kāi)關(guān)頻率降低，則模塊1控制電路中鑒相器的輸出矩形方波占空比也將逐漸降低,，而這也將導(dǎo)致模塊1的開(kāi)關(guān)頻率逐漸降低,，在圖中也表現(xiàn)為它的開(kāi)關(guān)脈沖“右移”。

　　經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的調(diào)整后,，模塊1和模塊2將達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài),，兩者的開(kāi)關(guān)頻率將再次相同，此時(shí),，兩個(gè)模塊必然互相交錯(cuò)180度,。系統(tǒng)達(dá)到新的交錯(cuò)狀態(tài)，如圖6中的虛線波形所示,。

　　在本方案中,，PWM信號(hào)是通過(guò)SG3525芯片產(chǎn)生的。鎖相環(huán)輸出信號(hào)用作PWM信號(hào)發(fā)生電路的同步端,，而所產(chǎn)生的PWM脈沖占空比則由電流設(shè)定與電流反饋的誤差進(jìn)行調(diào)節(jié),。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為了驗(yàn)證本文所提無(wú)交錯(cuò)線自動(dòng)交錯(cuò)控制方案是否可行,，我們?cè)O(shè)計(jì)了一臺(tái)基于該控制方案的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。樣機(jī)由三個(gè)相同的小功率BUCK電路并聯(lián)而成,，輸入電壓30～50V,，開(kāi)關(guān)頻率95～105KHz，負(fù)載為純電阻,，8～15Ω,。

　　圖7為三模塊并聯(lián)的BUCK變換器系統(tǒng)波形，其中信號(hào)R1,、R2和R3為三個(gè)模塊的PWM開(kāi)關(guān)信號(hào),，由圖可見(jiàn)，此三個(gè)信號(hào)彼此交錯(cuò)120度,，表明系統(tǒng)工作在交錯(cuò)運(yùn)行狀態(tài),。

圖7　三模塊并聯(lián)交錯(cuò)運(yùn)行波形圖

　　信號(hào)1為系統(tǒng)輸出電壓的交流成分，包括紋波和電壓尖峰脈沖,，對(duì)應(yīng)的刻度為50mV/div,。此時(shí)的電壓紋波峰2峰值為24.7mV，是比較低的,，而紋波頻率則為系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率的三倍,，符合前文對(duì)交錯(cuò)運(yùn)行效果的分析。

　　信號(hào)R4為此時(shí)的輸出電壓波形,，刻度為5V/diV,，此時(shí)輸出電壓為9.6V，電壓平直程度較好,，無(wú)明顯紋波成分,。

　　圖8顯示了該系統(tǒng)自動(dòng)交錯(cuò)運(yùn)行功能的實(shí)現(xiàn)。初始系統(tǒng)有三個(gè)模塊并聯(lián)并且運(yùn)行在交錯(cuò)狀態(tài),，其中信號(hào)1,、2和信號(hào)R2為初始參與并聯(lián)運(yùn)行的三個(gè)模塊的PWM主開(kāi)關(guān)信號(hào)，彼此交錯(cuò)120度,。在某個(gè)時(shí)刻,，其中的一個(gè)模塊(對(duì)應(yīng)PWM主開(kāi)關(guān)信號(hào)2)因成了一條直線。此時(shí),，系統(tǒng)的自動(dòng)交錯(cuò)功能開(kāi)始起作用,。由圖8可見(jiàn)剩余兩模塊(對(duì)應(yīng)PWM主開(kāi)關(guān)信號(hào)1和R2)由彼此交錯(cuò)120度逐漸向彼此交錯(cuò)180度過(guò)渡，在經(jīng)過(guò)若干周期后實(shí)現(xiàn)彼此交錯(cuò)180度運(yùn)行,，即達(dá)成了兩模塊并聯(lián)時(shí)的交錯(cuò)運(yùn)行狀態(tài),。信號(hào)R1顯示的是這個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)輸出電壓紋波變化情況。

圖8 　自動(dòng)交錯(cuò)實(shí)現(xiàn)過(guò)程

　　為了驗(yàn)證交錯(cuò)運(yùn)行的實(shí)際效果,，我們還設(shè)計(jì)了一組對(duì)照實(shí)驗(yàn),，通過(guò)使兩模塊并聯(lián)系統(tǒng)分別運(yùn)行在并聯(lián)同步,、并聯(lián)不控以及并聯(lián)交錯(cuò)運(yùn)行狀態(tài),，比較各自輸出電壓紋波之間的差別來(lái)驗(yàn)證交錯(cuò)運(yùn)行確實(shí)能夠降低輸出電壓的紋波幅值,，并且提高輸出電壓的紋波頻率。

　　在圖9中,，兩個(gè)模塊的PWM主開(kāi)關(guān)信號(hào)頻率相同且彼此同相,，因此處于同步運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí),，兩模塊出電壓紋波的波峰無(wú)相差,，二者彼此重疊，因此,，輸出電壓的紋波比較明顯,，幅值比較高，峰2峰值為1.1V,，紋波的頻率與系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率一致,。

　　在圖10中，兩個(gè)模塊的PWM主開(kāi)關(guān)信號(hào)相互獨(dú)立,，二者的頻率有差別,，體現(xiàn)為兩個(gè)信號(hào)的相位差呈現(xiàn)周期性變化，而表現(xiàn)在輸出電壓上則是輸出電壓的紋波幅值時(shí)大時(shí)小,，在0.5V至1.0V間呈現(xiàn)周期性變化,，變化的周期跟兩個(gè)PWM主開(kāi)關(guān)信號(hào)的頻率差有關(guān)。

圖9　兩模塊并聯(lián)系統(tǒng)同步運(yùn)行

圖10　兩模塊并聯(lián)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行

　　在圖11中,，兩模塊的PWM主開(kāi)關(guān)信號(hào)頻率相同,，相位互相交錯(cuò)180度，因此處在交錯(cuò)運(yùn)行狀態(tài),，此時(shí)兩模塊輸出電壓的紋波波峰彼此錯(cuò)開(kāi),，表現(xiàn)為輸出電壓紋波幅值較低，峰2峰值為0.56V,，而紋波頻率則提升為系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率的兩倍,。

 圖11　兩模塊并聯(lián)系統(tǒng)交錯(cuò)運(yùn)行

　　通過(guò)這組對(duì)照實(shí)驗(yàn)可以看出，并聯(lián)系統(tǒng)的交錯(cuò)運(yùn)行確實(shí)能夠降低系統(tǒng)輸出電壓的紋波幅值,，并且提高紋波頻率,。

　　結(jié) 論

　　通過(guò)以上分析可知，本文所提方案在原理上是可行的,，可以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)的交錯(cuò)運(yùn)行,。當(dāng)系統(tǒng)參與并聯(lián)的模塊數(shù)目發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整并最終達(dá)到新的交錯(cuò)狀態(tài),。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也表明,，本方案確實(shí)能夠達(dá)到預(yù)期的效果,。