并联DC-DC变换器无线数字通信技术

张 瑞，汪 健，陈宗祥，葛芦生

（安徽工业大学电气与信息工程学院，马鞍山243000）

为了满足大功率负载的应用要求，电源系统广泛采用分布式电源系统结构，即通过小功率DC-DC变换器并联组成电源系统[1]。其中均流技术是实现DC-DC变换器模块并联运行的关键技术之一，即实现并联系统中各个模块电流均分的控制技术[2-5]。但是，功率变换器并联系统的主从模块间需要物理连线来实现信息的传递。复杂的物理连线容易引入噪声与干扰，从而降低系统性能，限制变换器的放置地点[6-8]，以及降低系统的可维护性[9-10]。而且物理连线作为一种单点失败源，任何损坏点都会导致整个系统的崩溃。因此，需要一种无线技术来传递均流信息。

目前，已有专家学者对并联变换器无线控制进行了相关研究。文献[11]提出一种基于频域编码的分发均流信息方法来实现并联系统的均流；文献[6]提出一种信号注入技术来实现强制均流；文献[7,10]提出一种无线PWM技术以实现并联DC-DC变换器均流控制。另外，以无线方式构建分布式电源的研究中，文献[12-13]分别提出利用 FSK（frequency shift keying）方式进行电力电子信号的传输，两者分别采用载波916 MHz和914.5 MHz、开关频率20 kHz和10 kHz的放大传输模块；文献[7]进一步提出一种采用射频无线技术来控制使用SiC器件的DC-DC并联系统。

本文在文献[1]的基础上进行系统优化，采用微处理器全数字控制，以主从均流法为结构基础，对主模块传输给从模块的电流参考信号进行数字化。无线模块对该数字信号进行二进制相移键控BPSK（binary phase shift keying），保持发射端与接收端的码速率和载波频率同步，实现各模块以同一电流参考值进行调节，并在各自内部微处理器的控制下生成相应的DPWM，分别调节输出电流，实现系统均流。综合国内外的研究成果，由于无线并联模块存在延时等问题，使得系统开关频率最高在20 kHz左右，在上述研究基础上提出了DSP+FPGA构架并使开关频率可以达到200 kHz。

1 实验装置

本文提出的基于DSP+FPGA构架的并联高频DC-DC变换器无线通信研究系统结构如图1所示，其中图（a）是系统结构框图，图（b）是并联 Buck变换器系统的电路控制框图。

图1 系统结构Fig.1 System structure

采用BPSK进行实验，其通信平台组成框图如图2所示。图2中发射端，由信源输出的二进制数据，进入基带信号处理模块，经过组帧处理、BPSK调制以及成形滤波后以数字量形式经A/D模块产生中频模拟信号，最后经射频前端模块发射出去，此方案能有效克服零中频架构射频前端的弊端，最大程度发挥其抗干扰优势。接收端，由射频前端接收到的数据经D/A转换处理送入基带信号处理模块，先后经过匹配滤波、BPSK解调以及解帧处理后产生二进制数据。

图2 BPSK平台组成框图Fig.2 Block diagram of BPSK platform

BPSK方式一般是键控的载波相位基带脉冲序列的规律而改变的数字调制方式，即二进制的数字基带信号0与1分别用相关调制载波的180°与0°相位波形来表示。BPSK调制和解调的原理如图3所示。

图3 BPSK调制与解调原理Fig.3 Priciples of BPSK modulation and demodulation

本文使用2个DC-DC变换器模块并联进行实验验证。DC-DC变换器主电路采用Buck电路，设定其中一个为主模块，另一个为从模块，如图1所示。主模块控制环包括电压环和电流环，电压环输出值作为电流环的参考值；从模块控制环只有电流环，接收主模块发来的电流参考值。主模块中微处理器对输出电压和输出电流进行采样编码。在电压外环中输出电压与给定的电压基准值比较，经过一个数字PI调节得到电流内环的基准值。同时，主模块将该电流基准值通过无线模块发送至从模块。两个模块分别采样编码得到其输出电流，并与此基准值比较，再经过数字PI调节，得到各自的控制量，以调节各自DPWM的占空比，控制开关器件的通断，均匀两个模块的输出电流。

2 实验验证

图4为本文设计的实验验证平台。无线发送和接收模块采用上海宇志通信技术有限公司的双通道一体化及待处理射频发送板MSS1832和接收板MSR1842。Buck电路、控制器和无线收发装置的相关参数如表1所示，主、从模块的参数完全一致。

图4 实验平台Fig.4 Experimental platform

并联Buck变换器系统的稳态性能波形如图5所示。由图可以看出，系统的输出电压稳定在系统要求的2.4 V，且主、从模块的电感电流平均值基本相同，实现了均流。主从模块的门极信号（由主模块PWM通道采集）与其对应的电感电流即输出电流的变化保持一致，且从模块跟随主模块变化。

图5 并联Buck变换器的稳态性能波形Fig.5 Steady state performance of parallel Buck converter

图6所示是并联Buck变换器在负载变化时的暂态性能波形。其中，图（a）是双闭环PI调节下负载从1 A加载到5 A时的性能，图（b）是双闭环PI调节下负载从5 A减载到1 A时的性能。为了满足负载变化的要求，本文使用MOSFET对变量负载支路进行投切。由图6中波形可以看出，从模块的电感电流跟随主模块的电感电流的变化；输出电压的波动均在0.8 V左右，在要求范围内，能够稳定在系统要求的电压，瞬态性能良好。

图6 并联Buck变换器双环PI负载变化性能Fig.6 Load change performance of double loop PI in parallel Buck converter

由于系统采用的优化策略，不但使系统开关频率达到200 kHz，而且使得由于无线传输存在的系统延时缩短为12 μs，在精度要求不甚高的情况下延时可以忽略。

表1 并联变换器的实验参数Tab.1 Experimental parameters of parallel converter

3 结语

针对现有相关研究资料结果中，系统开关频率只能达到20 kHz或无线延迟时间太长的不足，本文提出了基于DSP+FPGA构架的无线通信控制的高频DC-DC变换器的并联系统，使得系统开关频率达到200 kHz，并采用BPSK通信平台进行实验，提出的方法能够保证并联系统有良好的均流效果，并且使无线传输过程出现的延时减小到12 μs，对系统的稳定性影响很小。在实验过程中，当负载变化时延时效果对系统影响可以忽略。本文提出的方法虽然在实验中只采用了两个Buck变换器并联，但是具有良好的通用性，对于更多变换器并联同样适用。

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