多相交错并联Buck变换器抗开关噪声干扰的电流采样方法

本发明属于直流-直流变换器的数字控制，特别是涉及一种多相交错并联buck变换器抗开关噪声干扰的电流采样方法。

背景技术：

1、近年来，因电能设备具备维护简单、成本低、体积重量小等优点，使得现代航空领域向着多电化、全电化大力迈进。多电飞机电源系统多采用270v高压直流电气架构，而dc-dc变换器是机载直流电气架构中极为重要的一环，例如储能单元(蓄电池组)与270v直流母线之间需要双向dc-dc变换器进行高效电能变换；高功率半导体激光器作为核心的机载激光设备，需要合适的dc-dc变换器作为其驱动电源以保证稳定工作。

2、多相交错并联buck变换器各相为并联关系，可以平均承担总功率，减小器件的电流应力，利于散热设计，提高变换器可靠性。此外，通过交错的驱动信号叠加各相电感电流，可以使总输出电流稳定，降低电流纹波，且无需在输出侧设置用于滤除电流纹波的大滤波电容，在变换器体积重量上具有优势，能够满足机载电源高功率密度的要求，故适合作为半导体激光器的驱动电源。

3、对多相交错并联buck变换器的电感电流进行精确采样，是实现变换器控制的重要前提。然而，随着碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体器件的应用，电力电子变换器在开关时刻产生的高电压变化率(dv/dt)极易对采样信号造成干扰。传统的单相buck变换器在驱动信号正负占空比的一半处进行采样，可以规避开关管动作产生的噪声，采集到较为准确的电感电流平均值。但是，多相交错buck变换器由于具有多个桥臂，且相邻桥臂间具有相位差，导致在一个开关周期内信号采集电路会受到各相多个开关动作产生的噪声干扰，为电感电流采集带来了严峻挑战。目前，关于多相交错并联buck变换器的电感电流抗干扰采集有众多措施，从硬件层面，一种是采用屏蔽线与屏蔽罩对功率部分与信号采集部分进行隔离，增加了变换器整体结构复杂性的同时降低了变换器的集成度；另一种是在开关管两端并联吸收电容用于降低开关动作的高电压变化率(dv/dt)，会增加变换器的损耗，影响变换器效率。从软件层面，在控制芯片中编写卡尔曼滤波等滤波程序，对采集到的信号进行处理，这会消耗大量算力，在高开关频率时易出现控制周期内无法完全执行完滤波程序，造成控制芯片无法跳出中断的情况。

4、综上所述，本发明提出一种多相交错并联buck变换器抗开关噪声干扰的电流采样方法，实现多相交错并联buck变换器在宽占空比情况下对电感电流平均值的准确采样，从而为多相交错并联buck变换器的高动态、高精度闭环反馈控制奠定基础。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种多相交错并联buck变换器抗开关噪声干扰的电流采样方法。

2、本发明解决所述技术问题采用的技术方案如下：

3、一种多相交错并联buck变换器抗开关噪声干扰的电流采样方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

4、第一步：确定不同占空比下多相交错并联buck变换器在开关周期内的干扰点位置，参见下表；

5、

6、表中，d是占空比，tsw是开关周期，n是多相交错并联buck变换器的相数，i＝0,1,2,...,n-1；

7、第二步：根据下述四个约束条件获取不同占空比下开关周期内所有的采样点对；根据不同占空比下各采样点对的位置，得到不同占空比对应的采样系数；

8、约束条件1：采样点对中的一个采样点的电感电流处于上升阶段，另一个采样点的电感电流处于下降阶段，且两个采样点的电感电流平均测量值等于电感电流实际平均值；

9、约束条件2：采样点位于间隔距离大于0.1tsw的两个干扰点之间；

10、约束条件3：采样点与前一相邻干扰点的距离大于干扰持续时间；

11、约束条件4：采样点与下一相邻干扰点的距离大于adc采样时间；

12、第三步：将开关周期内的占空比以一定间隔离散为多个点，每个占空比对应多个采样系数；以采样系数最少的两个占空比为分界点，将开关周期内的占空比划分为三个区间，并将每个占空比区间内的所有采样系数取交集得到采样系数集合，选取采样系数集合中居中的采样系数作为相应占空比区间通用的采样系数，进而得到各占空比区间通用的采样系数；

13、将各占空比区间通用的采样系数分别代入式(2)计算各占空比区间对应的采样点对的定时器触发值；根据采样点对的定时器触发值采样一对电感电流值，将该对电感电流值求平均，得到电感电流平均值；

14、

15、式中，ttrig1、ttrig2是采样点对的定时器触发值，ttimer是定时器单增计数方式下的周期值，ksampling是采样系数。

16、进一步的，采样点对的两个采样点的电感电流值与电感电流实际平均值之间均存在一个电流差值δi，表达式为：

17、δi＝(0.5d·ttimer-ttrig1)·k1＝(0.5-ksampling)imax(4)

18、式中，k1是电感电流上升阶段的斜率，imax为电感电流最大值。

19、进一步的，第三步中，离散占空比时的间隔为0.05或0.1。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

21、(1)本发明采用动态调整采样点位置的方式对开关动作产生的高电压变化率造成的噪声干扰进行规避，无需引入额外吸收电路对高电压变化率进行抑制，也没有引入多余辅助电路来降低开关动作产生的高电压变化率，不会增加多相交错并联buck变换器的损耗。本发明的电流采样方法无需额外使用屏蔽措施对功率部分与信号采集部分进行隔离，不会增加多相交错并联buck变换器结构的复杂性。

22、(2)本发明所提出的采样方法在数字控制器中的具体实施措施是改变当前占空比所对应的触发adc采样的定时器触发值，在程序中易于实现，无需消耗大量数字控制器的算力。

技术特征：

1.一种多相交错并联buck变换器抗开关噪声干扰的电流采样方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的多相交错并联buck变换器抗开关噪声干扰的电流采样方法，其特征在于，采样点对的两个采样点的电感电流值与电感电流实际平均值之间均存在一个电流差值δi，表达式为：

3.根据权利要求1或2所述的多相交错并联buck变换器抗开关噪声干扰的电流采样方法，其特征在于，第三步中，离散占空比时的间隔为0.05或0.1。

技术总结
本发明公开了一种多相交错并联Buck变换器抗开关噪声干扰的电流采样方法，首先确定不同占空比下多相交错并联Buck变换器在开关周期内的干扰点位置；然后，根据约束条件获取获取不同占空比下开关周期内所有的采样点对；根据不同占空比下各采样点对的位置，得到不同占空比对应的采样系数；最后，将开关周期内的占空比以一定间隔离散为多个点，每个占空比对应多个采样系数；以采样系数最少的两个占空比为分界点，将开关周期内的占空比划分为三个区间，并将每个占空比区间内的所有采样系数取交集得到采样系数集合，选取采样系数集合中居中的采样系数作为相应占空比区间通用的采样系数，进而得到各占空比区间通用的采样系数；再根据采样系数得到采样点对的定时器触发值，采样得到一对电感电流值，求平均得到电感电流平均值。该方法通过动态调整采样点位置的方式规避开关噪声干扰，无需引入额外的辅助手段。

技术研发人员：田雨,韩伟健
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10