基于dsPIC30F的交错并联Buck变换器研究

周　香，刘　闯，左月飞(南京航空航天大学自动化学院，江苏南京210016)

基于dsPIC30F的交错并联Buck变换器研究

周香，刘闯，左月飞
(南京航空航天大学自动化学院，江苏南京210016)

针对高速永磁发电系统对功率变换器宽输入范围、高功率密度、高效率等要求，设计并研制了与之匹配的交错并联Buck变换器。分析了交错并联Buck变换器的工作原理，提出了采用专用电源和电机数字控制芯片dsPIC30F2023实现逐周期限流控制的方案，解决了并联变换器的均流问题。实验结果表明，变换器具有较好的输入、输出性能，系统的安全性、可靠性以及集成性等得到提升，满足设计要求。

高速永磁发电系统；交错并联；dsPIC30F；均流；逐周期限流控制

高速永磁发电机因其功率密度高、噪音小、动态响应较快等优点而被广泛应用，但永磁同步发电机从外部调节磁场变化极为困难，导致不能直接调节电压。为使高速永磁发电系统输出28.5 V恒定直流电压，需要设计与之匹配的功率变换器，满足宽输入电压范围、高功率密度、高效率、高可靠性等要求[1]。

近年来随着变换器功率等级增大及复杂程度提高，交错并联技术得到了快速的发展。在相同输出条件下，交错并联技术在各支路中进行合理的热损耗分配，提高系统可靠性，提高变换器的功率等级，降低变换器中开关管的应力，提高效率，减小输出纹波[2]。针对高速永磁发电系统对功率变换器的性能要求及技术指标要求，本文选用交错并联Buck变换器。

目前，交错并联式变换器控制多采用模拟芯片 (如UC3842、UCC28070)实现，电路设计复杂、通用性不好、功能不易扩展。本文采用数字控制芯片dsPIC30F2023实现交错并联Buck变换器的数字控制，硬件电路的设计，提高了抗干扰能力，可实现开关电源智能化。本文研究了交错并联Buck变换器的工作原理及数字控制方案，提出采用数字控制芯片dsPIC30F2023实现逐周期限流控制，解决并联变换器的均流

1 电路拓扑结构和工作原理

图1是由两路Buck电路并联组成的功率变换器拓扑，主要由三相整流桥、电流互感器CT1和CT2、电感L1和L2、电容Ci和Co、开关管Q1和Q2，以及续流二极管D7、D8组成。PWM1和PWM2为两路开关管的交错控制信号，移相角α=180°。

图1　交错并联Buck变换器拓扑

变换器驱动波形及电感电流波形、输出电流波形如图2所示。

假设电感电流连续，由Buck电路工作过程可知，单路Buck变换器电感电流变化量为：

图2　交错并联Buck变换器电流纹波

为求两路并联后总的电流变化量，首先将两电感电流IL1、IL2迭加，迭加后得：

为使其有意义，需要1－2D≥0，则D≤0.5。当占空比D≤0.5时，变换器输出电流纹波较单路减小许多，纹波频率是单路的两倍。当0.5＆lt;D≤1的时候，分析情况类似，这里不再详述。

在理想情况下，两路交错并联Buck变换器在占空比D=0.5时纹波输出为零。当占空比D很小(接近于0)或者很大(接近于1)的时候，交错并联带来的降低纹波幅值的效果不明显[3]。在同等输出条件下，交错并联电路各支路电感L1、L2 及MOSFET上承受的电流为单路Buck电路的一半，降低了单个MOSFET的导通损耗，提高了变换器的效率和功率密度。

2 交错并联Buck变换器的控制

2.1均流问题

并联电源系统具有大容量、高效率、高可靠性、冗余特性等优点。然而在实际应用中，各个模块的参数不可能完全一致，使得各个模块承担的输出功率不均匀。如不采取措施，可能会导致某个或某些模块承受较大的电流应力，降低了可靠性。因此，并联的变换器模块间需采用均流措施[4]。

本文通过电流互感器采样各支路开关管电流实现峰值电流模式控制的逐周期限流，自动实现并联均流。

2.2逐周限流控制

采用数字控制方法实现峰值电流模式时，电压环的PI调节可通过编程方便灵活地实现，但电流信号一般需采用模数转换器(ADC)模块进行采样。数字控制芯片需及时精确地测量电流，以捕捉电流到达期望值的瞬时。为了实现高分辨率，需要控制芯片有很高的采样速率和处理能力。

dsPIC30F2023内部集成了带10位参考数模转换器(DAC)的高速模拟比较器，可监视相对ADC来说可能过快而无法捕捉的电流瞬态变化。利用DAC为模拟比较器提供可编程的阈值，软件可以随时更新参考DAC的值以设定峰值电流限制，实现逐周限流控制，其原理如图3(a)所示。dsPIC30F2023内部PWM模块设置两支路PWM信号交错180°，占空比均为最大占空比Dmax，频率相等。采样输出电压Uo，通过ADC采样后与参考值Uref比较，经过数字PI调节后，得到的输出变量作为电流环的给定值。将电流互感器采样的开关管电流经过调整后，和电压环得到的预置阀值相比较，向PWM模块提供一个关闭信号，此信号与占空比计数器的输出一起对PWM信号进行门控。如果电感电流先达到期望值，比较器将截断PWM脉冲，电感开始向输出电容放电。如果PWM计数器先达到设定的最大占空比，比较器也将终止PWM脉冲。该方法可以得到一个不需要高速处理器的快速电流模式反馈，及时关闭本周的PWM，而不影响下个PWM周期的操作，使系统的调整率得到很好的改善，并在系统过载或短路时，有效保护开关管等功率器件。逐周期限流控制的PWM模式如图3(b)所示。

图3　　逐周期限流控制

3 实验结果及分析

对上述设计进行实验调试，变换器主要参数：输入电压范围Ui=36～70 V DC，输出功率为400 W，输出电压Uo=28.5 V，各支路开关频率为80 kHz。三相整流桥由6个肖特基二极管V12P10组成，输入滤波电容选用四个47 μF/100 V电解电容并联。主电路控制MOSFET选用IRFS4115-7PPbF，续流二极管选用STPS40170CG，电流互感器采用PA1005.100NL。主电感L1=L2=22 μH，输出电容由四个100 μF/35 V电解电容并联。

部分实验波形如图4所示。图4(a)是在额定负载下的驱动波形ugs1、ugs2及输出电压Uo，输入、输出电压关系为Uo=DUi。Uo平均值为28.5 V，纹波大小在设计要求范围内。图4(b)是稳态工作时两路开关管电流波形，其峰值可代表电感峰值电流，经过滤波后送入控制芯片的模拟比较器模块，实现逐周期限流控制。图4(c)对交错并联式、单支路Buck变换器纹波进行了比较，可以看出，交错并联Buck变换器输出纹波减小，频率为单支路Buck变换器的两倍，与理论分析一致。

图4　交错并联Buck变换器稳态工作波形

图5给出了Ui=45 V下两相交错并联、单相Buck变换器在不同功率点下效率曲线对比，反映了交错并联技术对变换器效率和功率等级的提高。在轻载和重载时，变换器的效率较低。这是由于轻载时，变换器本身存在固有损耗，所占比例较大，因此效率较低。在重载时，输入输出电流明显增大，开关管导通损耗、二极管导通损耗、电感的铜损等都相应增大，变换器效率略低。

图5　交错并联与单支路Buck变换器效率曲线对比

4 结论

本文为高速永磁发电系统研制了匹配的交错并联Buck变换器，分析了交错并联Buck变换器的工作原理，以dsPIC30F2023为控制芯片实现了变换器的逐周期限流控制，并对电路进行了实验验证。通过分析和实验证明，采用交错并联技术，降低了变换器对电路中器件如开关管、电感、电容的要求，降低了输出总电流纹波，提高了纹波频率，提高了变换器功率密度。逐周期限流控制解决了数字控制中无法在期望点及时精确测量电流的问题及交错并联电路的均流问题，系统瞬态响应速度快，提高了变换器的性能。

[1]王维俊.高速发电机系统理论与技术[M].北京：科学出版社，2010.

[2]王蕊，杨玉岗，李娜.交错并联Buck变换器本质安全的研究[J].电力电子技术，2011，45(7)：117-120.

[3]吴松荣，许建平，郭世明.开关电源交错拓扑输出电流纹波的数学分析[J].电源技术学报，2003，1(4)：15-19.

[4]ABU-QAHOUQ J,HONG M.Multiphase voltage-mode hysteretic controlled DC-DC converter with novel current sharing[J].IEEE Trans on Power Electronics,2004,19(6):1397-1407.

Research of interleaved Buck converter based on dsPIC30F

ZHOU Xiang,LIU Chuang,ZUO Yue-fei
(Automation Institute，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing Jiangsu 210016,China)

Based on the power converter's requirements of wide input range,high power density,high efficiency,a interleaved Buck converter for high-speed permanent magnet generating system was designed and developed.The interleaved Buck converter was analyzed and the cycle-by-cycle current-limit control scheme based on the special digital control chip dsPIC30F2023 for power supply and motor was proposed to achieve current sharing.The results of experiment show that the interleaved Buck converter has better input and output performance and the performances of system such as safety,reliability and integration are promoted.The results of experiment meet the requirements of system.

high-speed permanent magnet generating system;interleaving;dsPIC30F;current sharing;cycleby-cycle current-limit control

TM 313

A

1002-087 X(2016)01-0192-03

2015-06-03

国防基础科研项目(A2520×××236)

周香(1988—)，女，江苏省人，硕士，主要研究方向为功率变换技术。问题，通过实验验证了变换器设计满足高速永磁发电系统的要求。