組合混聯(lián)式充電電源及其功率均分策略研究

為適應(yīng)大容量和模塊化充電電源發(fā)展的需求，提出一種基于串并混聯(lián)結(jié)構(gòu)的充電電源，它由4個改進(jìn)的移相全橋電路模塊構(gòu)成。該充電電源采用先恒流后恒壓的兩段式充電方法，控制器則采用電流環(huán)和電壓環(huán)并聯(lián)切換的結(jié)構(gòu)，同時引入一種外環(huán)控制加平均電流的功率均分策略，并根據(jù)頻域分析法設(shè)計了均流和均壓控制器。最后，設(shè)計了一套2并2串的實驗樣機(jī)。實驗結(jié)果表明，采用該充電電路拓?fù)浜涂刂撇呗裕敵鲭娏骱碗妷旱牟痪舛染∮?％，很好地驗證了分析及設(shè)計的正確性。


1引言

開關(guān)電源系統(tǒng)采用串并混聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有可靠性高，冗余配置，模塊特性好等特點，便于系統(tǒng)管理和維護(hù)。但混聯(lián)結(jié)構(gòu)的電源模塊之間需采取均流、均壓措施，以保證輸出電流和電壓在各模塊之間均衡分配。均流技術(shù)分為下垂法和有源均流法，有無均流母線是兩者的根本區(qū)別下垂法僅適合小功率應(yīng)用。而有源均流策略實際上包含控制方法和均流母線的形成方法?？刂品椒ㄓ型猸h(huán)控制（OLR）、內(nèi)環(huán)控制和雙環(huán)控制；均流母線的形成方法包括平均電流（BAP）法和主從（MS）法。其中MS法包括指定主模塊法和自動選主法。在此設(shè)計的充電電源系統(tǒng)采用改進(jìn)的移相全橋變換器及OLR+BAP法的功率均分策略，有效解決了電源模塊的功率均分問題。

2串并混聯(lián)式充電電源拓?fù)?/p>

介紹四模塊串并混聯(lián)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。先將模塊1～4分別串聯(lián)，然后再將兩串支路并聯(lián)組成四模塊的混聯(lián)結(jié)構(gòu)。

單模塊電路如圖2所示，其主電路在傳統(tǒng)移相全橋ZVS變換器的變壓器初級加了兩個箝位二極管VD7和VD8，可有效抑制變壓器次級整流二極管的高頻振蕩，減小電壓反向恢復(fù)尖峰。

3外環(huán)控制加平均電流功率均分策略

3.1均流策略

采用OLR+BAP法的功率均分策略，其控制電路如圖3所示。當(dāng)UI=Ub時，R兩端電壓Uab=0，則Uc=0，實現(xiàn)均流。當(dāng)有均流誤差時，U1≠Ub.Uab≠0，則均流調(diào)節(jié)器輸出Uc≠0，其通過控制電壓誤差放大器控制功率級的輸出電流，最終實現(xiàn)均流。

3.2控制器的設(shè)計

主電路參數(shù)為：輸入電壓Uin=520 V，輸出電壓Uo=80 V，變壓器初、次級匝比n=7：7：24，諧振電感Lr=20μH，輸出濾波電感Lf=100μH輸出濾波電容G=30μF，開關(guān)頻率fs=50 kHz，電壓采樣系數(shù)Fv=0.037 5，電流采樣系數(shù)Fi=0.087 5. 3.2.1電壓環(huán)的設(shè)計在設(shè)計電壓環(huán)時，不考慮均流環(huán)對電壓環(huán)的影響，只要均流環(huán)的截止頻率遠(yuǎn)離電壓環(huán)的截止頻率，均流環(huán)對電壓環(huán)的影響很小，就可將其影響忽略。電壓閉環(huán)控制框圖如圖4所示。

移相全橋電路占空比對輸出電壓傳遞函數(shù)：

圖5為電壓環(huán)校正前后波特圖。系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖如圖5虛線所示，可知系統(tǒng)存在很大穩(wěn)態(tài)誤差，需引入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，在此選擇PI控制器。

由式（2）可見，被控對象是一個二階系統(tǒng)。濾波器的轉(zhuǎn)折頻率。在設(shè)計PI控制器的參數(shù)時，將PI控制器的零點設(shè)置在濾波器的轉(zhuǎn)折頻率處，有；fz=Ki1/（2πKp1）=fn=2.91 kHz，Kp1，Ki1分別為PI控制器的比例和積分系數(shù)。在確定補(bǔ)償后的穿越頻率fc時，應(yīng)在系統(tǒng)穩(wěn)定性與系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)間進(jìn)行折中處理。在此選擇fc=fn/10=291 Hz.補(bǔ)償后電壓環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

根據(jù)所設(shè)計的PI控制器，可得到圖5中實線所示系統(tǒng)校正后的波特圖。由圖可見，校正后系統(tǒng)的相位裕度為90.3°，fc=292Hz，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性得到明顯改善。


3.2.2均流環(huán)的設(shè)計

根據(jù)圖4可構(gòu)建圖6所示用OLR+BAP法的控制框圖。由圖可得均流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

圖7為均流環(huán)校正前后波特圖。系統(tǒng)被控對象的波特圖如圖7中虛線所示。由圖可知，系統(tǒng)存在較大的穩(wěn)態(tài)誤差，且響應(yīng)速度較慢，需設(shè)計校正環(huán)節(jié)。為了盡量減小均流環(huán)對先前設(shè)計好的電壓環(huán)的影響，同時由于對均流環(huán)一般動態(tài)響應(yīng)要求不高，取電流環(huán)穿越頻率ωc‘=12.6 rad.s-1.為滿足電流環(huán)對直流母線低頻干擾的抑制，PI校正環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率ωm’=126 rad.s-1，則有：

代入已知參數(shù)，得Kp2=0.0857，Ki2=37.28，有：

由圖7中實線可知，均流環(huán)的穿越頻率為43.7 rad.-1，兩環(huán)之間不會相互影響。相位裕度為94.5°。說明均流環(huán)是穩(wěn)定的。

串聯(lián)為并聯(lián)的對偶問題，其均壓策略與并聯(lián)均流策略相同。采用與均流控制器相同的設(shè)計方法可獲得均壓控制器，其電流和均壓補(bǔ)償器分別為：

4實驗結(jié)果

該系統(tǒng)采用狀態(tài)總線對串并混聯(lián)各模塊的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行同步。充電電源采用電壓緩起，當(dāng)輸出電壓達(dá)到蓄電池初始端電壓時，系統(tǒng)對蓄電池進(jìn)行充電電流緩起，電流升至設(shè)定值后進(jìn)行恒流充電。當(dāng)系統(tǒng)檢測到輸出電壓達(dá)到設(shè)定的充電截止電壓時，狀態(tài)總線強(qiáng)制各模塊同步轉(zhuǎn)為恒壓充電。在恒流充電過程中，均壓控制器對兩組串聯(lián)模塊進(jìn)行均壓控制；在恒壓充電過程中，均流控制器對各并聯(lián)支路進(jìn)行均流控制，從而保證在充電過程中各充電電源模塊功率均分。

圖8示出四模塊串并混聯(lián)充電電源帶電池負(fù)載的輸出電流和輸出電壓穩(wěn)態(tài)波形。由圖8a可知，兩并聯(lián)支路輸出電流大小分別為16.1 A和15.5 A，電流不平衡度為3.8％；由圖8b可知，串聯(lián)模塊輸出電壓大小分別為43.6 V和42 V，電壓不平衡度為3.7％。

5結(jié)論

在此提出一種基于串并混聯(lián)結(jié)構(gòu)的充電電源。該系統(tǒng)采用了改進(jìn)的移相全橋電路和外環(huán)控制加平均電流法的功率均分策略，從而保證了輸出功率在各模塊之間均衡分配。實驗結(jié)果證明了分析及設(shè)計的正確性，電流和電壓不平衡度均小于5％，滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

..............................................

與非深度解讀系列:

半導(dǎo)體公司“大學(xué)計劃”的追問和真相

大環(huán)境的不景氣是就業(yè)環(huán)境惡化的元兇，但是也讓我們不禁追問半導(dǎo)體公司的大學(xué)計劃對于學(xué)子們的真正意義。廠商們的大學(xué)計劃都在做些什么？那么多的聯(lián)合實驗室有得到充分利用嗎？大學(xué)計劃的直接體驗者--老師和學(xué)生們是否真正從中受益…….【專欄作者：高揚(yáng)】

本土IC公司調(diào)查筆記

全球經(jīng)濟(jì)不景氣的大環(huán)境下一些本土IC公司的創(chuàng)新能力、管理能力、抗風(fēng)險能力、盈利能力，甚至公司創(chuàng)立的動機(jī)都受到一些質(zhì)疑。一方面官方的消息總是告訴我們中國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)得到了長足的進(jìn)步；而街巷小道中又不絕流傳多少本土IC公司倒閉，多少公司靠欺騙，根本沒有核心競爭力….真相只有一個，也許會隨《本土IC公司調(diào)查筆記》慢慢開啟…【專欄作者：岳浩】

電子屌絲的技術(shù)人生系列

在這個系列里，每個故事都會向你展示一個普通工程師的經(jīng)歷，他們的青蔥歲月和技術(shù)年華，和我們每個人的的生活都有交集。對自己、對公司、對產(chǎn)業(yè)、對現(xiàn)在、對未來、對技術(shù)、對市場、對產(chǎn)品、對管理的看法，以及他們的經(jīng)歷或正在經(jīng)歷的事情，我們可以看到自己的影子，也看清未來的樣子……【專欄作者：任亞運(yùn)】

細(xì)說電子分銷江湖的那些事

對于從事電子分銷行業(yè)的同仁們來說這是一個最壞的年代，也是一個最好的年代，我們即面臨國際分銷巨頭在管理、資金、貨源等方面對我們造成的沖擊，又迎來本土集成電路的崛起，個性化服務(wù)盛行的機(jī)遇，通過這個系列，我想以“第一現(xiàn)場”的經(jīng)歷帶大家一起了解國內(nèi)集成電路分銷的那些年、那些事，以及哪些感慨…..【專欄作者：張立恒】