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1、西北大学学报(自然科学网络版)2023 年 6 月，第 2 卷，第 6 期Science Journal of Northwest University OnlineJun. 2023，Vol.2，No. 6多单元并联 Boost 变换器均流技术汪 俊，齐长远，侯云涛，李永平西北大学 电子科学系，陕西 西安 710069摘 要：将 DC-DC 变换器中的小电感平衡均流法应用到 Boost 变换器中，设计实现 3kW 软开关PFC 电路模块，通过计算机仿真和电路测试，验证了该方法的可行性和这种电路均流性能的优越性。该方法在提高输出功率的同时，各单元间的均流性能有了较大提高，而电路的简单程度没有
2、太大增加，同时降低了对功率开关器件性能的要求。关 键 词：Boost 变换器；功率因数校正；多单元并联；小电感平衡均流中图分类号：TM44文献标识码：A文章编号：1000-274X(2023)0075-06在功率因数校正PFC电路中，常常承受多单元并联的方式提高输出功率，但承受这种方法必需解决各并联单元之间的均流问题，尤其是各单元动态特性差异引起的电流严峻不平衡问题。实现均流的方法有多种，如外特性下垂法、主从法、按平均电流自动均流法、按最大电流自动均流法、外加均流掌握器法等1。这些方法电路构造均比较简单，使本钱增加并降低了整个 PFC 电路的牢靠性。文献2以 buck 变换器为例介绍了一种的均
3、流方法(本文称其为“小电感平衡均流法”)。本文尝试将这种方法应用到 Boost 变换器中，并进展了初步的原理分析，在建立数学模型进展计算机电路仿真的根底上，制作了 3kW 软开关 PFC电路模块，通过试验测试进展了验证。1 小电感平衡均流法1.1 电路拓扑使用传统的各单元直接并联方法，即使各开关器件用同一栅极信号驱动，由于器件的技术参数或者驱动电路分布参数存在差异，也会造成各开关器件工作的不同步，进而引发各单元电流严峻不平衡，造成元件损坏而失效。应用这一方法就是为了很好地解决这一问题，具体做法如图所示，用小电感L1将PFC元件Q 、D 和Q 、D 跨接在一起。这样，不仅主电感电流由2个开关管分
4、流，反向恢复电流也是由2个二极1122管平均分担。由于承受这种并联方式的电路，寄生电感和电容的偏差在开关器件转换的时候不会干扰电流的安排过程2，所以在各单元之间有着自然的动态电流平衡，并且对电路板的布局要求不高。1.2 电路原理分析图1电路中的Boost变换器工作原理用图2等效表示。在图2中，假设全部的电感都处于连续电流工作方式下，节点C的电流 i与分支电路的个数、电感的大小和开关时间无关。即电流 i根本上是外部电压源和00开关脉冲宽度的函数。由于任意两个相邻开关器件导通时的特性格外接近，则导通时平衡电感连续地处于短路状态，因而平衡电感电流满足图2中给出的表达式，也就是说稳态时并联单元平均安排
5、了导通电流。收稿日期：2023-12-03基金工程：陕西省科学技术争论进展打算工程资助99K08-G4 审 稿 人：非公开审稿动态时,假设其中一个开关导通或关断时有延迟，平衡电感将阻挡其电流流向其他开关，以保证各个开关均2不会过载。比照图1，稳态时L1处于短路状态，这样L1上的电流恰好是输入电流的一半，所以可将 L 看为1图 1 双单元PFC Boost变换器Fig.1Multi-cell PFC Boost converter图2小电感平衡均流法Fig.2Small inductance balance current sharingS ，S 为MOSFET；D ，D 为二极管1n1n一个电
6、流值是输入电流值一半的电流源。动态时，假设Q 比Q 导通滞后，则有可能两路电流全都流过Q ，122由于电流的突变使L1产生反电动势，使D1连续导通来阻挡Q2电流的增大。同样，假设Q1比Q 关断滞后，平2衡电感产生反电动势迫使续流二极管D 导通，防止Q 担当全部电流，这样就到达了电流的动态平衡。21在图1中，电流掌握由UC3854集成电路以平均电流的方式完成。尽管在这儿没有给出 L f / L1 的值，但可以确定这个值小到不会影响装置的体积、重量以及变换器的动态特性。各个开关的导通电阻的差异很小, 所以各支路的稳态特性也很相近。小电感平衡均流法中，不仅各个开关器件自然地平均担当全部输入电流，而且
7、更重要的是消退了各开关器件间由于导通和关断的不同步所产生的尖峰电流。在图1中，参考电流模块供给一个正弦波形参考信号，因此这种掌握方法强迫 L f 的电流跟随正弦波形，从而拟制谐波，提高功率因数。2 试验结果2.1 仿真模型的建立对于PFC电路，变换器属于时变非线性工作系统，很难用拉氏变换等经典分析方法进展争论。常用的变换器分析方法有：状态空间平均法3、电流注入等效电路法4和离散时域法5等，本文承受以平均法为根底的三端开关器件模型法6，把变换器的开关管和二极管作为整体看成一个三端开关器件，用其端口的平均电压、电流的关系来表征，然后把它们适当的嵌入到要争论的变换器中，变成平均等效电路。图3是图1线
8、性输出 PWM开关模式的等效图6。在这个图中，整流桥被认为是一个电压源，全部开关器件都由电阻R来表示,电阻R是开关处于导通状态时的平均等效电阻。为了便于分析，一些无源器件的寄 生电阻等参数被无视。在开关器件之间没有承受闭环的方法来掌握均流，所以电路要到达动态以及静态的电流平衡只能依靠电路本身，图3可以用来证明这种说法。图3 等效电路图Fig 3Equivalent circuit diagram从图3中可以得到一些主要参数的传递函数。v (s )0( ) =(1 - D )(2 r + L( ) 1S )R(1)e sHsfi (s )(1 +RCs )(2 r + L s )R( ) =(
9、)1(2)e si (s )(1 +HsRCs )r1( ) =( )(3)e sHs在 r R 和 L1Lf的条件下可以推导出H (s )= LfL CRs 3 + L1f(L + 2 rRC )s 2 1+ r 2 RC + L1R (1 - D )2+ 2 Lfr s 2+ 2 Rr (1 - D )2(4)2.2 计算机仿真波形图4、图5给出了根本MOSFET Boost 变换器仿真的相关图形。该变换器的根本参数是：一个200V的阶跃电压输入，开关频率70 kHz，r =0.2 ，D =0.5，Lf =700 H，L1=10 H，C =10 F ，R =25 ，驱动Q2的栅极脉冲比Q1
10、的栅极脉冲延迟40ns，传统的升压变换器的输出电压是400V，输入电流为32A，按以上条件通过计算机仿真来检测这种构造的电路均流性能。从图4可以看到，两单元变换器的静态电流格外接近， 而且在不协调的栅极驱动信号下，电流的尖峰也会小到可以无视的程度。从图5a中可以看到，这种电路构造输出的稳定性很好，超调量和稳态误差都格外小，更重要的是图5c中平衡电感的电流能够动态地跟随图5b中输入电流值，即输入电感电流的一半。因此，这种构造有很好的自然均流特性。图4 静态电流比较Fig. 4Static current comparingaQ1电流 bQ2电流 cD1电流 dD 电流2图5 电压阶跃响应仿真波形
11、和等效模型波形Fig. 5Voltage step response (emulation waveform and equivalent module waveform)a输出电压b输入电感电流c平衡电感电流2.3 电路测试波形为了进一步验证均流的效果，我们依据图1 所示原理搭建电路进展试验：电路输出功率3kW，承受两单元并联的方式，掌握局部由基于 UC3854 集成电路的掌握单元组成；主功率开关管为 IRFP460，电感由EC40 锰锌铁氧体磁芯绕制而成；电路工作在软开关方式下。试验中，我们在每个开关管前串联一个 46m 的电阻，然后用 THS720P 数字存储示波器测量电阻两端电压来观看
12、流过开关管的电流波形。从图 6 可以看出，两路开关管的电流波形格外接近，说明这种均流方法使两路电流跟随得很好，没有消灭两路电流相差很大的状况。图6两路开关管稳态电流比较Fig.6Two switcher steady current comparing3结语通过以上试验测试和计算机仿真结果，可以看出这种小电感平衡均流法能很好地平衡各并联单元的电流，不仅各支路的静态电流几乎一样，更重要的是根本消退了栅极驱动电路差异引起的电流尖峰。从图 6 还可以看到，方波上仍旧叠加着很多高次谐波，这些谐波主要是由驱动电路产生的，其产生气理和消退方法还有待于进一步的探讨。另外，本文中平衡小电感确实定是由阅历所得，
13、对它的定量分析和确定也需要进一步的争论和探讨。综上所述，这种小电感平衡均流法应用在 Boost 变换器中，电路拓扑相对简洁，对器件的性能参数要求不高，具有较好的自然均流特性，可适用于各种中大功率输出的 PFC 模块中，以实现大功率、高密度和高牢靠性。参考文献：1 刘成功. 现代高频开关电源有用技术M. 北京: 电子工业出版社，2023.2 BRAGA H, BARBI I. A new technique for parallel connection of commutation cells: Analysis, design and experimentation J. IEEE PESC
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15、ems, 1981, 17(6): 40-46.5 李永平, 齐长远. PFC 电路的离散时域法仿真J. 西北大学学报(自然科学版), 2023, 32(专辑): 40-43.6 蔡宣三,龚绍文. 高频功率电子学直流-直流变换局部M. 北京: 科学出版社, 1993.7 VORPERIAN V. Simplified analysis of PWM converters using the model of the PWM switch J. IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems, 1990, 26(3): 490-505.8 MATSU
16、I K. A pulse width modulated inverter with parallel-connected transistors by using current sharing reactors J. IEEE LAS Conference Records, 1985, 14(9): 1 015-1 019.编辑 曹大刚Research of current sharing technique on multi-cell parallel Boost converterWANG Jun，QI Chang-yuan，HOU Yun-tao，LI Yong-ping(Depar
17、tment of Electronic Science, Northwest University, Xian 710069, China)Abstract: A new parallel technique of DC-DC converter small inductance balance current sharing technique is applied to the Boost converter. A 3kW Soft-switch PFC circuit module is designed, and through computer simulation and circ
18、uit testing ， the feasibility of this technique and the superiority of its performance have been validated. This technique improves not only output power but also current sharing performance of the cells. It will not increase the complexity of the circuit, and it reduces the requirement of the performance of Power-switch device.Keywords:Boost converter；PFC；Multi-cell parallel；Small inductance balance current sharing作 者 简 介汪 俊，女，湖北十堰人，生于 1979 年 6 月。2023 年 7 月西北大学电子科学系电子信息科学与技术专业本科毕业，同年被免试推举为西北大学电子科学系电路与系统专业硕士争论生，主要从事计算机掌握及智能仪器仪表的争论.