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1、西安科技大学 硕士学位论文 智能并联均流的DC-DC 变换器研究 姓名：贾淑文 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：程红丽；刘健 2011 论文题目：智能并联均流的 DC-DC 变换器研究 专 业：电路与系统 硕 士 生：贾淑文 （签名） 指导老师：程红丽 （签名） 刘 健 （签名） 摘 要 为了更好的实现并联均流，提出了一种基于电流跟踪控制方法的智能并联均流控制 策略，主控制器根据输出电流和输出电压的采样信息，计算出所需要的输出电流，并通 过串口通信将其分配给各支路，从控制器将电感电流控制在所分配电流的一个滞环宽度 之内，使输出电流达到期望值。本文详细分析了负载突变和启动过程中输
2、出电压的动态 响应，以及基于温度的电流分配策略，给出了参数选择和设计依据。在 Simulink 环境下 以一组并联的 Buck 变换器为例进行仿真实验，获得仿真数据及仿真波形等仿真结果。 最后以 ARMLPC2138 作为控制平台，制作了一组基于电流跟踪数字控制的智能并联 均流的 buck DC-DC 变换器，并进行了实验研究。实验结果表明所提出的电流跟踪数字 控制方法是可行性、所进行的理论分析是正确的，以及电流分配策略的灵活性，并且表 明所提出的方法具有动态响应速度快的特点。 关 键 词：DC-DC 变换器；智能并联均流；电流跟踪控制；智能控制；动态特性 研究类型：应用研究 Subject
3、：DC-DC Converter Group with Large Output Current Based on Digital Control Specialty ：Circuit and System Name ：Jia Shuwen (Signature) Instructor：Chong Hongli (Signature) Liu Jian (Signature) ABSTRACT To benefit the parallel current balancing, a current following digital control approach based on micr
4、o-processor is put forward. The main controller collect the output voltage and the output current in the real time, based on which, the desired output current for each DC-DC converter is worked out and transferred to the corresponding sub-controller by serial comunications. The sub-controller regula
5、tes the inductor current to make the output voltage to be the desired value is calculated and is controlled to a narrow range around it. The dynamic performance in case of the load changing, the starting period is analyzed and the strategy for current division. The design considerations are given. T
6、aking a group of Buck converter as an example, the Simulink simulation results are obtained. Finally a buck DC-DC converter based on current following digital control has been implanted by ARMLPC2138 and the experiments are made, the results of which show that the proposed approach is feasible, the
7、analysis is correct and the proposed method is with fast responding speed. Key words: DC-DC converters Parrallel currrnt balancing Current following control Digital control Dynamic behaviour Thesis : Application Research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景和研究意义 1.1.1 开关电源技术的产生 开关电源就是电路中的电力电子器件工作在开关状态，是利用现代电力电子技术，
8、控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种直流电源，开关电源 一般由脉冲宽度调制（PWM）控制 IC 和 MOSFET 构成。 同时具备三个条件的电源可称之为开关电源：开关（电路中的电力电子器件工作在 开关状态而不是线性状态） 、高频（电路中的电力电子器件工作在高频而不是接近工频 的低频）和直流（电源输出是直流而不是交流）1。 开关电源是 60 年代发展起来的一种稳压电源，它和线性稳压电源相比，最大的优 点在于效率高、体积小、重量轻及对工作电压和负载变化适应性强。开关电源是作为线 性电源的一种替代物出现的，开关电源和线性电源在内部结构上是完全不一样的。线性 电源通过在输入和输出
9、之间串联一个晶体管来实现电压调整，该串联晶体管工作在其电 压-电流特性曲线的线性去，起可变电阻的作用，承受输出不需要的过剩电压。线性稳 压电源虽然可以满足所需直流电压的高低和供电质量（精度、纹波）的要求，但有两个 严重的缺点：一是调整管工作在线性放大状态，损耗很大，因而使整个电源效率很低， 一般只有 45左右；二是需要一个工频变压器，使得电源体积大、重量重。开关电源就 是为了解决线性电源的缺点而出现的。与线性电源不同的是，PWM 开关电源是让功率 晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是 很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小） ，功率器件
10、上的伏安 乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。这使得现代开关电源效率可达到 90%以上， 甚至 95%以上。其次，开关电源中的电力电子器件总是工作在高频开关状态，由于工作 频率高， 滤波器的体积大大减小， 从而使得整个电源的体积大为缩小。 与线性电源相比， 开关电源一方面减少了变压器的体积重量，另一方面提高了电源效率。由于计算机等电 子装置的集成度不断增加，功能越来越强，它们的体积却越来越小。因此，迫切需要体 积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源，这就成了开关电源技术发展的强大动力1。 开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电 压。这种方法称为“时间比率控制
11、” （TimeRatioControl，缩写为 TRC） 。 按 TRC 控制 原理，有三种方式： 一、脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，缩写为 PWM） 开关 周期恒定 ， 通过改变脉 冲宽度来改变占 空比的方式 。 二 、 脉冲频率调制 西安科技大学硕士学位论文 2 （PulseFrequencyModulation，缩写为 PFM） 导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频 率来改变占空比的方式。 三、混合调制 导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此 都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。以功率晶体管(CTR)为例，当开关管饱和 导通时，集电极和发射极两端的压降接近
12、零；当开关管截止时，其集电极电流为零。所 以其功耗小，效率可高达 7095。而功耗小，散热器也随之减小。开关型稳压电源 直接对电网电压进行整流、滤波、调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压 器。此外，特别是功率 MOS 管、肖特基二极管等新一代高频大功率元件的出现及一些 新颖的电路拓扑和控制技术的采用，开关稳压电源的工作频率可以高达几百千 Hz，甚 至几兆 Hz 2-7。 1955 年美国罗耶（GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是 实现高频转换控制电路的开端，1957 年美国查赛（Jen Sen)发明了自激式推挽双变压器， 1964 年美国科学家们提出取消工
13、频变压器的串联开关电源的设想， 这对电源向体积和重 量的下降获得了一条根本的途径。到了 1969 年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极 管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了 25 千赫的开关电源。 20 世纪 60 年代末，垂直导电的高耐压、大电流的双极型电力晶体管（BJT、GTR） 的出现，是的采用高工作频率的开关电源得以问世，那时确定的开关电源的基本结构一 直沿用至今。20 世纪 70 年代，开关频率终于突破了人耳听觉极限的 20kHz，被称为 “20kHz 革命” 。20 世纪 80 年代 IGBT 的出现使得开关电源的容量不断增大，迅速取代 了相控电源。目前，开关电源以小型、轻
14、量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机 为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发 展不可缺少的一种电源方式。 1.1.2 开关电源并联均流技术 近几年来，各式各样的开关电源以其小巧的体积、较高的功率密度和高效率越来越 得到广泛的应用，随着计算机、通讯、空间站等的广泛应用，要求组建大容量、安全可 靠、不间断供电的电源系统，不但要求电源能够提供足够的功率,而且要很高的可靠性， 由于一台直流稳压电源的输出参数（如电压、电流、功率）不能满足需求，而专门设计 满足这样参数要求的直流稳压电源，就存在重新设计、开发、生产的过程，无疑会加大 电源的成本，延长交货时间，影响
15、工程进度，并且设备冷却麻烦,对元器件要求高,而且 稳定性和可靠性得不到保证8。 大功率电源系统需要若干台开关电源并联，以满足负载功率的要求。例如通信用输 出 48V 的 AC-DC 开关电源（通信工业中习惯称为开关型整流器 Switching Mode Rectifier） 。目前单台最大输出电流可做到 100-200A，对于大型程控交换机等通信设备， 需要 48V/2000A 直流供电系统时，至少需要 10 台以上 48V/200A 的开关型整流器并联 1 绪论 3 才能正常工作。 之所以不采用单路供电电源模块提供低电压大电流的输出，是因为第一，系统稳定 性差，一旦此电源模块出现故障必将导致系统瘫痪；第二，要绕出过大电流且没有磁饱 和的电感有很大难度， 其体积之大也是可想而知的； 第三， 该电源势必处理巨大的功率， 电应力大，给功率器件地选择、开关频率和功率密度的提高带来困难。 于是开关电源发展趋向于并联运行,采用多个电源模块并联运行来提供大功率输出 是电源技术发展的一个方向，解决了单台电源遇到的问题，其系统中每个模块处理较小 功率，承受较小的电应力，使得电源保持较高的效率和较快的动态响应。且多台开关电 源的并联系统的输出功率具有可扩展性，可以通过改变并联模块的数量来满足不同功率 的负载，还可以应用冗余技术，提高系统可靠
