多單元并聯(lián)Boost變換器均流技術(shù)

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1、多單元并聯(lián)Boost變換器均流技術(shù)汪俊，齊長(zhǎng)遠(yuǎn)，侯云濤，李永平（西北大學(xué)電子科學(xué)系，陜西西安710069）摘　要：將DC-DC變換器中的小電感平衡均流法應(yīng)用到Boost變換器中，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)3kW軟開(kāi)關(guān)PFC電路模塊，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真和電路測(cè)試，驗(yàn)證了該方法的可行性和這種電路均流性能的優(yōu)越性。該方法在提高輸出功率的同時(shí)，各單元間的均流性能有了較大提高，而電路的復(fù)雜程度沒(méi)有太大增加，同時(shí)降低了對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件性能的要求。關(guān)　鍵　詞：Boost變換器；功率因數(shù)校正；多單元并聯(lián)；小電感平衡均流中圖分類號(hào)：TM44　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-274X(

2、2004)0075-06在功率因數(shù)校正（PFC）電路中，常常采用多單元并聯(lián)的方式提高輸出功率，但采用這種方法必須解決各并聯(lián)單元之間的均流問(wèn)題，尤其是各單元?jiǎng)討B(tài)特性差異引起的電流嚴(yán)重不平衡問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)均流的方法有多種，如外特性下垂法、主從法、按平均電流自動(dòng)均流法、按最大電流自動(dòng)均流法、外加均流控制器法等[1]。這些方法電路結(jié)構(gòu)均比較復(fù)雜，使成本增加并降低了整個(gè)PFC電路的可靠性。文獻(xiàn)[2]以buck變換器為例介紹了一種新的均流方法(本文稱其為“小電感平衡均流法”)。本文嘗試將這種方法應(yīng)用到Boost變換器中，并進(jìn)行了初步的原理分析，在建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)

3、算機(jī)電路仿真的基礎(chǔ)上，制作了3kW軟開(kāi)關(guān)PFC電路模塊，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行了驗(yàn)證。1　小電感平衡均流法1.1　電路拓?fù)涫褂脗鹘y(tǒng)的各單元直接并聯(lián)方法，即使各開(kāi)關(guān)器件用同一柵極信號(hào)驅(qū)動(dòng)，由于器件的技術(shù)參數(shù)或者驅(qū)動(dòng)電路分布參數(shù)存在差異，也會(huì)造成各開(kāi)關(guān)器件工作的不同步，進(jìn)而引發(fā)各單元電流嚴(yán)重不平衡，造成元件損壞而失效。應(yīng)用這一新方法就是為了很好地解決這一問(wèn)題，具體做法如圖１所示，用小電感L1將PFC元件Q1、D1和Q2、D2跨接在一起。這樣，不僅主電感電流由2個(gè)開(kāi)關(guān)管分流，反向恢復(fù)電流也是由2個(gè)二極管平均分擔(dān)。因?yàn)椴捎眠@種并聯(lián)方式的電路，寄生電感和電容的偏差

4、在開(kāi)關(guān)器件轉(zhuǎn)換的時(shí)候不會(huì)干擾電流的分配過(guò)程[2]，所以在各單元之間有著自然的動(dòng)態(tài)電流平衡，并且對(duì)電路板的布局要求不高。1.2　電路原理分析圖1電路中的Boost變換器工作原理用圖2等效表示。在圖2中，若所有的電感都處于連續(xù)電流工作方式下，節(jié)點(diǎn)C的電流i0與分支電路的個(gè)數(shù)、電感的大小和開(kāi)關(guān)時(shí)間無(wú)關(guān)。即電流i0基本上是外部電壓源和開(kāi)關(guān)脈沖寬度的函數(shù)。由于任意兩個(gè)相鄰開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)的特性非常接近，則導(dǎo)通時(shí)平衡電感連續(xù)地處于短路狀態(tài)，因而平衡6電感電流滿足圖2中給出的表達(dá)式，也就是說(shuō)穩(wěn)態(tài)時(shí)并聯(lián)單元平均分配了導(dǎo)通電流。動(dòng)態(tài)時(shí),如果其中一個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)有延

5、遲，平衡電感將阻止其電流流向其他開(kāi)關(guān)，以保證各個(gè)開(kāi)關(guān)均不會(huì)過(guò)載。對(duì)照?qǐng)D1，穩(wěn)態(tài)時(shí)L1處于短路狀態(tài)，這樣L1上的電流恰好是輸入電流的一半，所以可將L1看為圖1雙單元PFCBoost變換器Fig.1Multi-cellPFCBoostconverter圖2小電感平衡均流法Fig.2SmallinductancebalancecurrentsharingS1，…，Sn為MOSFET；D1，…，Dn為二極管一個(gè)電流值是輸入電流值一半的電流源。動(dòng)態(tài)時(shí)，如果Q1比Q2導(dǎo)通滯后，則有可能兩路電流全都流過(guò)Q2，由于電流的突變使L1產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，使D1繼續(xù)導(dǎo)通來(lái)阻止

6、Q2電流的增大。同樣，如果Q1比Q2關(guān)斷滯后，平衡電感產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)迫使續(xù)流二極管D2導(dǎo)通，防止Q1承擔(dān)全部電流，這樣就達(dá)到了電流的動(dòng)態(tài)平衡。在圖1中，電流控制由UC3854集成電路以平均電流的方式完成。盡管在這兒沒(méi)有給出的值，但可以確定這個(gè)值小到不會(huì)影響裝置的體積、重量以及變換器的動(dòng)態(tài)特性。各個(gè)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻的差異很小,所以各支路的穩(wěn)態(tài)特性也很相近。小電感平衡均流法中，不僅各個(gè)開(kāi)關(guān)器件自然地平均承擔(dān)全部輸入電流，而且更重要的是消除了各開(kāi)關(guān)器件間由于導(dǎo)通和關(guān)斷的不同步所產(chǎn)生的尖峰電流。在圖1中，參考電流模塊提供一個(gè)正弦波形參考信號(hào)，因此這種控制方法強(qiáng)

7、迫的電流跟隨正弦波形，從而擬制諧波，提高功率因數(shù)。2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.1　仿真模型的建立對(duì)于PFC電路，變換器屬于時(shí)變非線性工作系統(tǒng)，很難用拉氏變換等經(jīng)典分析方法進(jìn)行研究。常用的6變換器分析方法有：狀態(tài)空間平均法[3]、電流注入等效電路法[4]和離散時(shí)域法[5]等，本文采用以平均法為基礎(chǔ)的三端開(kāi)關(guān)器件模型法[6]，把變換器的開(kāi)關(guān)管和二極管作為整體看成一個(gè)三端開(kāi)關(guān)器件，用其端口的平均電壓、電流的關(guān)系來(lái)表征，然后把它們適當(dāng)?shù)那度氲揭懻摰淖儞Q器中，變成平均等效電路。圖3是圖1線性輸出PWM開(kāi)關(guān)模式的等效圖[6]。在這個(gè)圖中，整流橋被認(rèn)為是一個(gè)電壓源，所有

8、開(kāi)關(guān)器件都由電阻R來(lái)表示,電阻R是開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的平均等效電阻。為了便于分析，一些無(wú)源器件的寄生電阻等參數(shù)被忽略。在開(kāi)