毕业设计（论文）说明书：DC-DC电源模块并联均流控制技术研究.doc

1、 安徽工业大学 毕业 设计（论文）说明书 共 43 页 第 1 页 装 订 线 安徽工业大学 毕业设计 (论文 )任务书 课题名称 DC-DC电源 模块 并联均流控制 技术研究 学 校 安徽工业大学 学 院 电气信息学院 专业班级 姓 名 学 号 毕业设计 (论文 )的主要内容及要求 ： 主要内容 ： (1) 常用的均流方法介绍 (2) Buck 电路的拓扑、工作原理，主要波形、参数计算及设计 (3) Buck 电路的小信号分析，电路仿真及补偿 (4) 平均电流自动均流法改进型的介绍及仿真 课题要求 : (1) 阅读与毕业设计相关的中、英文参考文献（ 8篇以上，至少 2篇英文）。 (2) 熟练

2、地应用计算机，包括上网查找中、英文参考资料等。 (3) 翻译 一 篇与本课题有关的英文资料 。 起止时间： 2012 R年 3 月 1 日 至 2012 年 6 月 12 日共 15 周 指导教师 签 字 系 主 任 签 字 院 长 签 字 安徽工业大学 毕业 设计（论文）说明书 共 43 页 第 2 页 装 订 线 摘 要 随着大功率负载和大电流负载的需求，电源模块并联控制技术研究的越来越重要，而如何很好的实现并联电源模块间输出电 流的平均分配成为并联技术的核心。针对这个问题，本文介绍了在并联变换器模块的简化、近似线性化的小信号数学模型下的均流方法。 论文简要介绍了常用的均流方法及其优缺点，

3、对 Buck变换器的基本电路结构和工作原理作了说明，给出了主电路的主要点的电压电流波形、主要关系式，然后计算出了各元件的参数，并基于这些参数建立了小信号模型，做了一个 Buck变换器仿真对结论进行了验证以及补偿的设计。对平均电流自动均流法改进型及其优缺点，最后在 matlab上进行了验证性仿真。 关键词：并联 DC/DC 变换器均流控制； 小信号分析； 平均电流自动均流法 安徽工业大学 毕业 设计（论文）说明书 共 43 页 第 3 页 装 订 线 RESEARCH ON THE CONTROL TECHNOLOGY OF THE PARALLELED DC/DC CONVERTER MODU

4、LES Abstract With the increasing demand of large power load and large current load， the important of research on paralleled power supply modules is increasing， while how to achieve the equilibration of output currents is the key technology of marking the modules work in parallel.as for the question,

5、a method of current-sharing control is introduced ， which is in condition that the approximate linearization small-signal models. First of all, this paper briefly introduces some common methods of current-sharing control and their advantages and disadvantages, detailed introduces the basic circuit ，

6、 structure and working principle of buck converter, and gives the waveform, main expression of the main circuit, parameter calculation, small signal model, made a buck converter to verify the conclusion and compensation design.Second,detailed introduces the improving average current sharing control

7、methods and their advantages and disadvantages , and the last in the matlab simulation on the verification. Key words： paralleled DC/DC converters ； current-sharing control； Small-signal model ； the average current sharing controls. 安徽工业大学 毕业 设计（论文）说明书 共 43 页 第 4 页 装 订 线 目录 第一章 绪论 . 5 1.1 课题的研究背景和意义

8、 . 5 1.2 并联均流控制 . 6 1.2.1 均流控制的必要性 . 6 1.2.2 交错并联运行 . 7 1.3 常用的并联均流控制方法 . 7 1.3.1 输出阻抗法 . 7 1.3.2 主从设置法 . 8 1.3.3 平均电流自动均流法 . 9 1.3.4 自动主从控制法 . 10 1.3.5 外加均流控制器均流法 . 12 1.4 并联均流控制方法的扩展 . 13 1.5 本课题的目的和主要研究内容 . 14 第 2 章 DC/DC 变换器主电路的设计 . 15 2.1 Buck 变换器 . 15 2.2 Buck 电路的数学模型 . 22 2.3 具体 Buck 变换器主电路参数

9、设计 . 24 2.3.1 占空比 D . 24 2.3.2 滤波电容 L . 24 2.3.3 滤波电容 C . 25 2.4 Buck 电路的 Matlab/simulink 闭环系统仿真 . 25 2.5 小结 . 30 第 3 章 平均电流自动均流法 . 31 3.1 DC/DC 并联变换器不均流分析 . 31 3.2 改进的平均电流自动均流法 . 34 3.2.1 电压型均流控制 . 34 3.2.2 改进型一 平均电流型均流控制 1 . 34 3.2.3 改进型二 平均电流型均流控制 2 . 35 3.3 仿真 . 37 3.4 小结 . 41 结 论 . 42 致 谢 . 43

10、参考文献 . 44 安徽工业大学 毕业 设计（论文）说明书 共 43 页 第 5 页 装 订 线 第一章 绪论 1.1 课题的研究背景和意义 随着科技的发展 ， 电子设备往往需要大容量的直流电源供电 ， 例如 ： 巨型计算机系统需要 5V、几百安培的电源供电 ： 通讯用电源系统需要 50V/2400A的电源供电 ； 固态雷达发射机需要 40V/1000A的稳定度高、纹波低且噪声小的电源供电 ； 下一代的微处理器需要 1.1V-1.8V/30A-50A的特种电源一电压调整模块供电等等。由于单个电源组件的功率容量毕竟是有限的 ， 在需大 容量供电的情况下 ， 如果采用单个电源供电 ，该变换器势必要

11、处理巨大的功率 ， 电应力大 ， 给功率器件的选择、开关频率和功率密度的提高带来困难。并且一旦单个电源发生故障 ， 则导致整个系统崩溃。而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新方向。并联电源系统中每个电源模块只处理较小的功率 ， 解决了上述单个电源遇到的问题 ， 而且还可以应用冗余技术 ， 提高系统的可靠性。 近年来 ， 分布式电源供电方式成为电力电子学新的研究热点。相对于传统的集中式供电 ， 分布式电源利用多个中、小功率的电源模块并联来组建积木式的大功率电源系统。在空间上各模块接近负载 ， 供电质量高 ， 通过改变并联模块的数量来满足不同功率的负载 ， 设计灵活

12、 ， 每个模块承受较小的电应力 ， 开关频率可以达到兆赫级 ， 从而提高了系统的功率密度 ， 分布式电源系统可方便地实现冗余 ， 减少产品种类 ， 便于标准化。 总而言之 ， 大功率负载需求和分布式电源系统的发展 ， 使得开关电源并联控制技术研究的重要性日益增加。较之传统的单电源供电而言 ， 并联电源系统具有很多优点 ，例如 ： 可实现大电流、高效率 ， 能够保证较高的可靠性 ， 能够根据需要配置成冗余系统 ， 能够实现电源容量的可扩充性 ， 能够降低成本投入等等。然而 ， 由于工艺水平的限制和误差的不可避免性 ， 实际系统中参与并联的各个模块 ， 它们彼此之间的参数或多或少都会有差异 ， 这

13、种差异只可以尽量缩小 ， 却难以完全避免。此外 ， 各个模块的参数还会随着时间和温度等外界因素的变化而发生变化 ， 而这种由于外界因素而产生的各模块参数的差别可能要比模块本身固有的差别还要大的多。鉴于系统中参与并联的各个电源模块的特性无法做到完全一致 ， 如果将各电源模块直接并联的话 ， 势必很难保证各电源模块均匀分担负载电流 ， 严重影响系统的稳定性和可靠性。因此 ， 并联均流技术成为电源模块并联运行的一个研究热点与难点。 安徽工业大学 毕业 设计（论文）说明书 共 43 页 第 6 页 装 订 线 1.2 并联均流控制 1.2.1 均流控制的必要性 DC/DC并联电源稳态输出直流电压 ，

14、则单个模块的输出电流将直接决定于该模块的等效空载电压和输出电阻的大小 ， 如此一来 ， 参与并联的每个模块都可以等效为一个电压源（代表空载电压）和一个电阻 （ 代表输出电阻 ） 的串联 ， 这种等效的方法可以为下面进一步研究 DC/DC变换器并联时的电流分布情况提供便利。 图 1-1是两个模块并联时输出电流与输出电压的关系曲线。图 1-1(a)是两个模块的输出阻抗相等 (输出特性曲线的斜率相等 ),但空载输出电压不相等时的情况 ,图1.1(b)是两个模 块的空载输出电压相等 ,但输出阻抗不相等 (输出特性曲线的斜率不相等 )时的情况。 图 1-1(a)中两个模块的输出特性分别为： 1 01 1

15、 0V =V -I R (1.1) 2 o2 1 0V =V -I R (1.2) 输出电流差异为 ： 02 01210V -VI=I -I = R (1.3) 图 1-1(b)中两个模块的输出特性分别为： 1 0 1 01V =V -I R 2 0 2 02V =V -I R (1.4) 输出电流差异为 ： 0 0 1 0 221L 0 1 0 2V ( R -R )I= I -I R ( R + R ) (1.5) 这只是针对两个模块并联的情况，且要么空载电压存在差别，要么输出电阻存在差别，而非两者同时存在差别。更一般的，如果不是两个模块而是多个模块并联，如果各模块的空载电压和输出电阻都存

16、在差别，那么，输出电流的情况就可想而知了。 因此，在采用并联技术实现分布式电源的同时，必须采取一定的措施来保证每个模块分担相同的电流，只有这样，才能保证系统稳定可靠的工作，充分发挥并联电源的优点。 安徽工业大学 毕业 设计（论文）说明书 共 43 页 第 7 页 装 订 线 (a)空载电压不同，输出阻抗相等 (b)空载电压相等，输出阻抗不同 图 1-1 两个模块并联运行时输出电流与输出电压的关系 1.2.2 交错并联运行 交错并联运行其实也是并联方式的一种 ， N个模块并联交错运行是指各个并联模块的开关频率相同 ， 但起始导通时刻彼此依次错开 1/N个开关周期。 DC/DC变换器并联运行时 ，

17、 如果能够实现并联模块的交错运行 ， 那么除具有普通并联的一系列优点外 ， 还具有一些特有的优点 :首先 ， 并联交错运行能够降低输出 电流、电压的纹波幅值 ， 提高输出电压、电流纹波频率。对于一台 N模块并联交错运行的变换器来说 ， 其输出电流和电压的纹波峰值要比单 独一台子模块电源的小 ,较之同样的 N个模块并联同步运行的变换器更是大为减小。 其次 ,并联交错运行可以减小输出滤波器的体积和重量 ,同时不增加开关频率、开关损耗和器件应力 ； 改善输入电流波形 ,减小输入电容的容量和体积 ； 提高输入端功率因素 ， 减小输入端 EMI； 提高系统效率和功率密度等等。 1.3 常用的并联均流控制

18、方法 从目前国内外对均流控制技术的研究来看 ,常用的并联均流方法有 :输出阻抗法、主从 设置法、平均电流自动均流法、自动主从控制法、外加均流控制器均流法等 。 1.3.1 输出阻抗法 输出阻抗法在有的文献里也称为电压调整率法或下垂法 ， 是一种通过改变并联模块的外特性斜率来实现均流的一种方法。图 1-2为输出阻抗法实现近似均流的一个实例。图中 ， Rs为检测模块输出电流的采样电阻。采样所得到的电流信号经过电流放大器处理得到 1V ， 与模块输出的反馈电压 Vf共同加到电压放大器的输入端。这个综合的安徽工业大学 毕业 设计（论文）说明书 共 43 页 第 8 页 装 订 线 信号与电压基准信号

19、Vr比较后 ， 所得误差经过放大得到 Ve， 控制 PWM调制器和驱动器 ，进而自动调节模块的输出电压。当某个模块电流增加得多时 ， 1V 上升 ， Ve下降 ， 于是模块的输出电压随着下降 ， 即外特性向下倾斜 ， 接近其他模块的外特性 ， 使其他模块电流增大 ， 实现近似均流 ， 但同时 ， 该模块的电压调整率却变差了。 -R sV 11 0 0 RRV eV f电 流 放 大电 压 放 大V rI o图 1-2 输入阻抗法原理图 模 块 1模 块 2+- -V s+V s- -R 1R 2R LI 1I 2I o 图 1-3 并联示意图 输出阻抗法 是一种最 简单 的自 动 均流方法 ,

20、不需要模 块 之 间 的控制 线 ,模 块 化特性好 ,它依靠自己内部的 输 出阻抗 ,或者外加的阻抗来保 证 模 块间负载电 流的相 对 均分 。 由于它 实际 上是一种自身 调节 的控制技 术 ， 因此不会存在 稳 定性的 问题 。然而 这种方法的主要缺点是 ： 当均流性能要求很高 时 ， 负载调 整率比 较 差 ， 当模 块 的 电压稳定性要求很高 时 ， 均流性能比 较 差。因此 ， 由于上述 这 些特点 ， 使得下垂法不适合 应用在高功率、高性能的 场 合 ， 但是由于其 简单 性 ， 该 方法在小功率 场 合被广泛 应 用。 1.3.2 主从设置 法 这种方法适用于电流型控制 (即

21、有电压环和电流环双环控制 )的并联电源系统。主安徽工业大学 毕业 设计（论文）说明书 共 43 页 第 9 页 装 订 线 从设置法是在并联的 N个变流器模块中 ,人为的指定其中一个为主模块 ,而其余的各个模块为从模块 ,从模块电流是跟随主模块电流进行分配的。如图 1-4所示 ,图中每个模块都是双环控制系统 ,设模块 1为主模块 ,按电压控制规律工作 ,模块 2为从模块 ,按电流控制方式工作。 Vr为主模块的基准电压 , Vf为输出电压反馈信号 ,通过电压误差放大 器得 到误差信号 Ve,它是主模块的电流基准 ,与 VI1比较后产生控制电压 Vc,控制脉宽调制器和驱动器工作。于是主模块电流将按

22、照 电流基准 Ve调制 ,即主模块电流近似与 Ve成正比。各个从模块的电压误差放大器接成跟随器的形式 ,主模块的电压误差 Ve输入跟随器 ,于是跟随器输出 Ve,成为从模块的电流基准 ,因此 ,从模块也是按照 Ve进行调制的 ,从而各个模块实现了均流。 P W M主 功 率P W M主 功 率P W M主 功 率V I 1V I 2V I 3V fV r主 模 块从 模 块从 模 块V e图 1-4 主从设置法均流控制原理图 该均流法要求主从模块间必须有通讯联系，所以整个系统比较复杂。且如果主模块失效，则整个电源系统不能工作， 因此可靠性取决于主模块，只能均流，不适用于构成冗余并联系统。电压环

23、的工作频带宽，容易受外部噪声干扰。 1.3.3 平均电流自动均流法 这种方法要求并联的各个模块的电流放大器输出端各自通过一个相同阻值的电阻接到一条公用母线上 ， 该母线称为均流母线 ， 如图 1-5所示 安徽工业大学 毕业 设计（论文）说明书 共 43 页 第 10 页 装 订 线 主 电 路电 流 放 大负 载 电 流电 压 放 大+V rV fV r *V eV 1abR均流母线V bV c图 1-5 平均电流自动均流法控制电路原理图 图中电压放大器输入为 *rV ，反馈电压为 Vf ， *rV 是基准电压 Vr和均流控制电压Vc的综合，它与 Vf进行比较放大后，产生电压误差 Ve，控制调

24、制器和驱动器。 V1为电流放大器的输出信号，与模块的负载电流信号成比例， Vb为母线电压。当 n=2，即两个模块并联时， 1V 和 2V 为模块 1和模块 2的电流信号，都经过阻值相同的电阻 R接到母线上，因此当流入母线的电流为零时 12( ) ( ) 0bbV V R V V R (1.6) 12( ) 2bV V V (1.7) 即母线电压 Vb是 1V 和 2V 的平均值，也代表了模块 1和模块 2输出电流的平均值。1V ,2V 与 Vb之差为均流误差，通过调整放大器输出一个调整用电压 Vc。当 1 bVV 时，电阻 R上的电压为零， 0cV ，表明已经实现了均流。当 R上电压不为零，表

25、明模块间电流分配不均匀， 1 bVV ，此时基准电压 *rV rcVV将按进行修正，即通过调整放大器改变 *rV ， 以达到均流目的。 平均 电 流自 动 均流法的均流效果 较 好 ,易 实现 准确均流 ,为 了使系 统 在 动态调节过程中始终稳定 ,通常要限制最大调节范围 ,要将所有电压调节到电压捕捉范围以内 ,如果有一个模块的均流线短路 ,则系统无法均流 ,单个模块限流也可能引起系统不稳定 ,在大系统中 ,系统稳定性与负载均流瞬态响应的矛盾很难解决。 1.3.4 自动主从控制法 与主从设置法不同，该均流法由系统自动设定主模块和从模块。在 n个并联的模块中，输出电流最大的模块，将自动成为主模块，其余的模块则为从模块，它们的误差电压依次被整定，以校正负载电流分配不 均衡。在 n个并联的模块中事先未人为设定哪个模块为主模块，而是按电流大小排序，电流大的模块自动成为主模块。因此，