本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種隔離型和非隔離型DC-DC變換器輸入串聯(lián)/輸出并聯(lián)的控制控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

DC-DC變換器是一種將直流電能轉(zhuǎn)換為有效輸出固定電壓的電能變換裝置，按變換器輸入端和輸出端是否電氣隔離，可分為非隔離型DC-DC變換器和隔離型DC-DC變換器，它們在各個領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，用電設(shè)備的增加，對電源的可靠性的要求也越來越高，單個電源供電由于受到功率開關(guān)器件電壓和電流應(yīng)力的限制不能滿足輸入高壓、高功率的場合，需要多個變換器以輸入串聯(lián)/輸出并聯(lián)的方式連接，從而使輸入電壓和輸出功率平均分配到每個變換器中，降低了功率器件的電壓和電流應(yīng)力，提高了系統(tǒng)的可靠性。

傳統(tǒng)DC-DC變換器輸入串聯(lián)/輸出并聯(lián)方法分為三環(huán)控制和相同占空比的控制策略。三環(huán)控制策略需要總輸入電壓采樣，并將其加入控制環(huán)節(jié)，故需要多個輸入串聯(lián)/輸出并聯(lián)變換器之間的通信連接，此外在隔離型DC-DC變換器中，總輸入電壓采樣還需隔離處理之后才能加入控制環(huán)節(jié)，這增加了控制的復(fù)雜程度，降低了系統(tǒng)的可靠性。相同占空比控制策略需要將一個DC-DC變換器的驅(qū)動信號傳遞給剩余的變換器，同樣需要多個輸入串聯(lián)/輸出并聯(lián)變換器之間的通信連接，降低了系統(tǒng)的可靠性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有輸入串聯(lián)/輸出并聯(lián)系統(tǒng)控制復(fù)雜、可靠性差等不足，提供了一種新的輸入串聯(lián)/輸出并聯(lián)無線電壓前饋控制系統(tǒng)及方法。本發(fā)明不僅能實現(xiàn)各模塊間輸入電壓和輸出功率的均分，此外，各輸入串聯(lián)/輸出并聯(lián)變換器間無需任何通信連接，控制方法簡單，容易實現(xiàn)，可靠性高。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種適用于輸入串聯(lián)/輸出并聯(lián)系統(tǒng)的無線電壓前饋控制系統(tǒng)，所述輸入串聯(lián)/輸出并聯(lián)系統(tǒng)包括N個變換器，N為大于等于2的正整數(shù)；所述N個變換器的輸入端串聯(lián)、輸出端并聯(lián)。其特征在于，所述無線電壓前饋控制系統(tǒng)包括N個控制支路，每個控制支路匹配一變換器；每個控制支路包括加法器、電流采樣單元、比較器、驅(qū)動器、兩個比例放大器和兩個傳遞單元等。第一比例放大器的輸入端與變換器的輸入端連接，第一比例放大器的輸出端與加法器的一個輸入端相連，加法器的另一輸入端輸入?yún)⒖茧娖絍_ref，加法器的輸出端連接第一傳遞單元的正輸入端；第二比例放大器的輸入端與變換器的輸出端相連，第二比例放大器的輸出端與第一傳遞單元的負輸入端相連；第一傳遞單元的輸出端連接第二傳遞單元的正輸入端；電流采樣單元的輸出端與第二傳遞單元的負輸入端相連，第二傳遞單元的輸出端連接比較器的正輸入端，比較器的負輸入端輸入載頻為f的三角波信號，比較器的輸出端連接驅(qū)動器；驅(qū)動器驅(qū)動變換器的功率開關(guān)器件。

進一步地，所述第一比例放大器和第二比例放大器結(jié)構(gòu)相同，均包括電阻R₁、電阻R₂和電容C₁等，電阻R₂的一端與變換器的輸入端連接，電阻R₂的另一端連接電阻R₁和電容C₁，電阻R₁和電容C₁的另一端均接地，電阻R₂的另一端為比例放大器的輸入端，輸出端電阻R₁、電阻R₂和電容C₁相連接的端口為比例放大器的輸出端。

進一步地，所述第一傳遞單元和第二傳遞單元結(jié)構(gòu)相同，均包括三個電阻R₃、R₄、R₅、四個電容C₂、C₃、C₄、C₅和第一運算放大器等。電阻R₃的一端和電阻R₅的一端相連，連接處為傳遞單元的負輸入端；電阻R₅的另一端連接電容C₄的一端，電容C₄的另一端、電阻R₃的另一端、電容C₂的一端、電容C₃的一端均與第一運算放大器的負輸入端相連，第一運算放大器的正輸入端為傳遞單元的正輸入端，電容C₂的另一端連接電阻R₄，電容C₃的另一端、電阻R₄的另一端均與第一運算放大器的輸出端相連，連接處為傳遞單元的輸出端。第一運算放大器的接地端接地，電源輸入端接5V電源；電容C₅的一端接第一運算放大器的電源輸入端，另一端接地。

進一步地，所述電流采樣單元包括采樣電阻、第二運算放大器、兩個電容C₆、C₇和四個電阻R₆、R₇、R₈、R₉等。采樣電阻的正端與電阻R₇相連，電阻R₇的另一端分別連接電阻R₈、電容C₇和第二運算放大器的負輸入端，電阻R₈的另一端和電容C₇的另一端均接地；采樣電阻的負端與電阻R₆相連，電阻R₆的另一端分別連接電阻R₉和第二運算放大器的負輸入端；電阻R₉的另一端與第二運算放大器的輸出端相連，連接處為電流采樣單元的輸出端。第二運算放大器的接地端接地，電源輸入端接5V電源；電容C₆的一端接第二運算放大器的電源輸入端，另一端接地。

一種適用于輸入串聯(lián)/輸出并聯(lián)系統(tǒng)的無線電壓前饋控制方法，包括以下步驟：

(1)變換器的輸入電壓信號V_in經(jīng)第一比例放大器，通過電阻R₁和電阻R₂分壓后，產(chǎn)生輸入電壓采樣信號V_{in_sample}＝R₁V_in/(R₁+R₂)，該輸入電壓采樣信號與參考電平V_ref經(jīng)加法器相加后產(chǎn)生調(diào)整參考電平V^*_ref＝V_ref+V_{in_sample}。

(2)變換器的輸出電壓信號V_out經(jīng)第二比例放大器，通過電阻R₁和電阻R₂分壓后，產(chǎn)生輸出電壓采樣信號V_{out_sample}＝R₁V_out/(R₁+R₂)，該輸出電壓采樣信號與步驟1得到的調(diào)整參考電平由第一傳遞單元處理產(chǎn)生電流基準信號I_ref。

(3)電流采樣單元采集變換器的電流信號，輸出電流采樣信號I_{out_sample}：

I_{out_sample}＝(V₊-V_-)·R₈/R₆

其中，V₊和V_-分別為采樣電阻的正端電壓和負端電壓，電阻大小滿足R₆＝R₇，R₈＝R₉。

(4)步驟2得到的電流基準信號和步驟3得到的輸出電流采樣信號經(jīng)第二傳遞單元處理產(chǎn)生電流誤差放大信號。

(5)步驟4產(chǎn)生的電流誤差放大信號與載頻為f的三角波由比較器比較產(chǎn)生SPWM控制信號。當電流誤差放大信號幅值大于三角波幅值時，比較器輸出為正電平；反之，當電流誤差放大信號幅值小于三角波幅值時，比較器輸出為負電平。該SPWM控制信號經(jīng)驅(qū)動功率放大后，驅(qū)動變換器的功率開關(guān)器件。實現(xiàn)輸入串聯(lián)/輸出并聯(lián)系統(tǒng)的無線電壓前饋控制，確保輸入串聯(lián)/輸出并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

本發(fā)明所達到的有益效果：本發(fā)明采用輸入串聯(lián)結(jié)構(gòu)，使各變換器的的輸入電壓僅為總輸入電壓的1/N(N為輸入串聯(lián)/輸出并聯(lián)系統(tǒng)中變換器個數(shù))，這使電源變換器可以工作在更高輸入電壓的場合，降低了變換器中功率器件的電壓應(yīng)力；本發(fā)明采用輸出并聯(lián)結(jié)構(gòu)，使各變換器的輸出功率僅為總輸出功率的1/N，這使電源變換器可以工作在更大功率的場合，降低了變換器中功率器件的電流應(yīng)力；本發(fā)明采用無線電壓前饋控制方法，各輸入串聯(lián)/輸出并聯(lián)變換器僅需將自身輸入電壓加入電壓前饋控制環(huán)節(jié)，避免了各變換器間的通信連接，增強了系統(tǒng)的可靠性；本發(fā)明采用的輸入電壓前饋控制未改變變換器的閉環(huán)系統(tǒng)特性，避免了變換器閉環(huán)系統(tǒng)的重新設(shè)計，降低了設(shè)計的復(fù)雜性。

附圖說明

圖1是多個輸入串聯(lián)/輸出并聯(lián)變換器的連接圖；

圖2是比例放大器的電路圖；

圖3是傳遞單元的電路圖；

圖4是電流采樣單元的電路圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種適用于輸入串聯(lián)/輸出并聯(lián)系統(tǒng)的無線電壓前饋控制系統(tǒng)，所述輸入串聯(lián)/輸出并聯(lián)系統(tǒng)包括N個變換器，N為大于等于2的正整數(shù)；所述N個變換器的輸入端串聯(lián)、輸出端并聯(lián)。所述無線電壓前饋控制系統(tǒng)包括N個控制支路，每個控制支路匹配一變換器；每個控制支路包括加法器、電流采樣單元、比較器、驅(qū)動器、兩個比例放大器和兩個傳遞單元。第一比例放大器的輸入端與變換器的輸入端連接，第一比例放大器的輸出端與加法器的一個輸入端相連，加法器的另一輸入端輸入?yún)⒖茧娖絍_ref，加法器的輸出端連接第一傳遞單元的正輸入端；第二比例放大器的輸入端與變換器的輸出端相連，第二比例放大器的輸出端與第一傳遞單元的負輸入端相連；第一傳遞單元的輸出端連接第二傳遞單元的正輸入端；電流采樣單元的輸出端與第二傳遞單元的負輸入端相連，第二傳遞單元的輸出端連接比較器的正輸入端，比較器的負輸入端輸入載頻為f的三角波信號，比較器的輸出端連接驅(qū)動器；驅(qū)動器驅(qū)動變換器的功率開關(guān)器件。

變換器的輸入電壓信號V_in經(jīng)第一比例放大器作用后，產(chǎn)生輸入電壓采樣信號V_{in_sample}，該輸入電壓采樣信號與參考電平V_ref經(jīng)加法器相加后得到調(diào)整參考電平V^*_ref；變換器的輸出電壓V_out經(jīng)第二比例放大器作用后，產(chǎn)生輸出電壓采樣信號V_{out_sample}，該輸出電壓采樣信號與調(diào)整參考電平V^*_ref經(jīng)第一傳遞單元處理產(chǎn)生電流基準信號I_ref；電流采樣單元采集變換器的輸出電流值，產(chǎn)生輸出電流采樣信號I_{out_sample}；電流基準信號I_ref與輸出電流采樣信號I_{out_sample}經(jīng)第二傳遞單元處理產(chǎn)生電流誤差放大信號；電流誤差放大信號與載頻為f的三角波比較，產(chǎn)生SPWM控制信號，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動功率放大后，驅(qū)動變換器的功率開關(guān)器件。

圖1中變換器的結(jié)構(gòu)為Buck變換器，但本發(fā)明不限于此。實際上，本發(fā)明中，變換器可以采用任意隔離型DC-DC變換器，例如半橋變換器、全橋變換器、反激變換器、正激變換器等，也可以采用任意非隔離型DC-DC變換器，例如Buck變換器、Boost變換器、Buck-boost變換器等。

如圖2所示，所述第一比例放大器和第二比例放大器結(jié)構(gòu)相同，均包括電阻R₁、電阻R₂和電容C₁，電阻R₂的一端與變換器的輸入端連接，電阻R₂的另一端連接電阻R₁和電容C₁，電阻R₁和電容C₁的另一端均接地，電阻R₂的另一端為比例放大器的輸入端，輸出端電阻R₁、電阻R₂和電容C₁相連接的端口為比例放大器的輸出端。

如圖3所示，所述第一傳遞單元和第二傳遞單元結(jié)構(gòu)相同，均包括三個電阻R₃、R₄、R₅、四個電容C₂、C₃、C₄、C₅和第一運算放大器。電阻R₃的一端和電阻R₅的一端相連，連接處為傳遞單元的負輸入端；電阻R₅的另一端連接電容C₄的一端，電容C₄的另一端、電阻R₃的另一端、電容C₂的一端、電容C₃的一端均與第一運算放大器的負輸入端相連，第一運算放大器的正輸入端為傳遞單元的正輸入端，電容C₂的另一端連接電阻R₄，電容C₃的另一端、電阻R₄的另一端均與第一運算放大器的輸出端相連，連接處為傳遞單元的輸出端。第一運算放大器的接地端接地，電源輸入端接5V電源；電容C₅的一端接第一運算放大器的電源輸入端，另一端接地。

所述第一傳遞單元和第二傳遞單元為PID控制電路，第一傳遞單元可以減小輸出電壓誤差信號，實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定輸出。第二傳遞單元可以防止變換器瞬間電流過大，以保護整個變換器系統(tǒng)的安全；

如圖4所示，所述電流采樣單元為差分采樣電路，包括采樣電阻、第二運算放大器、兩個電容C₆、C₇和四個電阻R₆、R₇、R₈、R₉。采樣電阻的正端與電阻R₇相連，電阻R₇的另一端分別連接電阻R₈、電容C₇和第二運算放大器的負輸入端，電阻R₈的另一端和電容C₇的另一端均接地；采樣電阻的負端與電阻R₆相連，電阻R₆的另一端分別連接電阻R₉和第二運算放大器的負輸入端；電阻R₉的另一端與第二運算放大器的輸出端相連，連接處為電流采樣單元的輸出端。第二運算放大器的接地端接地，電源輸入端接5V電源；電容C₆的一端接第二運算放大器的電源輸入端，另一端接地。

本發(fā)明適用于輸入串聯(lián)/輸出并聯(lián)系統(tǒng)的無線電壓前饋控制方法，包括以下步驟：

1.變換器的輸入電壓信號V_in經(jīng)第一比例放大器，通過電阻R₁和電阻R₂分壓后，產(chǎn)生輸入電壓采樣信號V_{in_sample}＝R₁V_in/(R₁+R₂)，該輸入電壓采樣信號與參考電平V_ref經(jīng)加法器相加后產(chǎn)生調(diào)整參考電平V^*_ref＝V_ref+V_{in_sample}。

2.變換器的輸出電壓信號V_out經(jīng)第二比例放大器，通過電阻R₁和電阻R₂分壓后，產(chǎn)生輸出電壓采樣信號V_{out_sample}＝R₁V_out/(R₁+R₂)，該輸出電壓采樣信號與步驟1得到的調(diào)整參考電平由第一傳遞單元處理產(chǎn)生電流基準信號I_ref。

3.電流采樣單元采集變換器的電流信號，輸出電流采樣信號I_{out_sample}：

I_{out_sample}＝(V₊-V_-)·R₈/R₆

其中，V₊和V_-分別為采樣電阻的正端電壓和負端電壓，電阻大小滿足R₆＝R₇，R₈＝R₉。

4.步驟2得到的電流基準信號和步驟3得到的輸出電流采樣信號經(jīng)第二傳遞單元處理產(chǎn)生電流誤差放大信號，其中第二減法器和第二傳遞單元由三個電阻(R₁₀、R₁₁、R₁₂)、三個電容(C₇、C₈、C₉)和運算放大器組成PID控制電路，可以防止變換器瞬間電流過大，以保護整個變換器系統(tǒng)的安全。

5.步驟4產(chǎn)生的電流誤差放大信號與載頻為f的三角波由比較器比較產(chǎn)生SPWM控制信號。當電流誤差放大信號幅值大于三角波幅值時，比較器輸出為正電平；反之，當電流誤差放大信號幅值小于三角波幅值時，比較器輸出為負電平。該SPWM控制信號經(jīng)驅(qū)動功率放大后，驅(qū)動變換器的功率開關(guān)器件。實現(xiàn)輸入串聯(lián)/輸出并聯(lián)系統(tǒng)的無線電壓前饋控制，確保輸入串聯(lián)/輸出并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。