一种多相交错并联的直流-直流变换器及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及大功率直流输出技术领域，尤其设及一种适用于大功率直流输出的多 相交错并联的直流-直流变换器及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 在许多应用场合中用电负载往往都需要大容量的直流电源进行供电，且对供电电 压的输出精度、纹波通常有很高的要求。由于单个电源功率模块的容量和开关管的应力有 限，因而采用单个电源功率模块无法满足大容量直流供电的需求，而用电系统通常还要求 供电设备具备冗余，W保证支路故障时仍能继续供电，而不至于整个系统擁痕，因而单个电 源功率模块实现大功率直流输出的设计和应用都比较困难。目前获得大功率直流输出的方 法通常即是利用晶闽管单相半控整流模式，其主电路采用晶闽管单相半控桥将单相交流电 变换成直流电，但存在①网侧功率因数低;②输出电压波动大，输出电压不稳定，易导致后 续负载故障或停机;③对输入扰动没能有效控制，且输出电压有波动等问题。
[0003] 为满足大功率直流输出的纹波要求，有从业者提出采用交错并联工作的直流变换 电路，但通常是基于两相交错并联工作的变换电路，如专利申请CN103501115A公开一种交 错并联工作的直流降压电路，该电路包括两路并联BUCK电路，每一路均由两个MOS管、一只 同步脉宽调制BUCK控制器忍片、一只电感及一只电容连接而成，由于基于两相并联的Buck 电路，仅能够实现小功率的直流降压功能，无法解决大功率直流输出的问题，且输出占空比 50%是固定的，其在电压和负载扰动时是不可调节的，同样存在输出电压波动大、输出电压 不稳定的问题。因此，如何在满足大功率直流输出精度、纹波的高要求基础上，同时能够使 得输出电压波动稳定、消除输入直流电压扰动是亟待解决的问题。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一 种结构简单、所需成本低、能够满足大功率直流输出的需求，且电压输出精度高、输出纹波 少，同时输出电压稳定、能够消除输入直流电压抗扰动的多相交错并联的直流-直流变换器 及其控制方法。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
[0006] -种多相交错并联的直流-直流变换器，包括依次连接的变换模块、单周期控制模 块W及用于输出多路相互错相的控制时钟的交错控制模块，所述变换模块包括多路并联连 接的BUCK变换电路，所述单周期控制模块接收所述交错控制模块输出的多路控制时钟，产 生多路单周期控制信号输出给各路BUCK变换电路，W在各路所述控制时钟的控制下按照单 周期控制各路所述BUCK变换电路中开关管的开断。
[0007] 作为本发明变换器的进一步改进:还包括分别与所述变换模块、单周期控制模块 连接的PID调节模块，所述PID调节模块接收所述变换模块中各BUCK变换电路的输出电压 值，分别对参考电压值进行PI调节后作为对应各所述BUCK变换电路的控制目标量输出至所 述单周期控制模块。。
[000引作为本发明变换器的进一步改进:所述PID调节模块包括多个与各脚CK变换电路 对应连接的PID调节电路，所述PID调节电路包括减法器W及PID调节器，所述减法器的一个 输入端连接对应的BUCK变换电路的输出端，另一个输入端接入参考电压值，输出端连接所 述PID调节器的输入端，所述PID调节器的输出端连接所述单周期控制模块的控制目标量输 入端。
[0009] 作为本发明变换器的进一步改进:所述单周期控制模块包括多个分别与各路BUCK 变换电路对应连接的单周期控制电路，所述单周期控制电路包括依次连接的复位开关单 元、积分器单元、比较器单元W及RS触发器单元，所述比较器单元的另一个输入端与PID调 节电路与连接，所述积分器单元的输入端与所述BUCK变换电路中二极管连接，所述RS触发 器单元的一个输出端连接至所述BUCK变换电路中开关管的控制端，另一个输出端连接至所 述复位开关单元的控制端。
[0010] 作为本发明变换器的进一步改进:所述单周期控制模块、PID调节模块为具有单周 期控制W及PID调节单周期控制的控制目标量功能的数字化控制器，所述数字化控制器采 集各路所述BUCK变换电路的输出电压W及接所述BUCK变换电路中二极管的输出电压并进 行AD转换，由所述单周期控制、PID调节单周期控制的控制目标量功能转换为对应各所述 BUCK变换电路的单周期控制信号输出。
[0011] 作为本发明变换器的进一步改进:每路所述BUCK变换电路包括开关管V、二极管D W及电感L，所述开关管V的一端与输入电源Vin的正极连接，另一端分别通过所述二极管D 连接输入电源Vin的负极，W及通过所述电感L连接RC滤波子电路，所述RC滤波子电路包括 并联连接的电容CW及电阻R。
[001 ^ 作为本发明变换器的进一步改进:所述BUCK变换电路为四路，各路所述BUCK变换 电路中开关管V所对应的单周期控制信号的相位依次相错V2。
[0013] 本发明进一步提供利用上述直流-直流变换器的控制方法，步骤包括：
[0014] 1)启动所述变换模块中N路BUCK变换电路，并向所述单周期控制模块输出N路频率 相同、相位差为化/N的控制时钟；
[0015] 2)所述单周期控制模块接收所述控制时钟，并采集各路所述BUCK变换电路中二极 管的输出电压Vs,在所述控制时钟的控制下产生N路相位差为如/N的单周期控制信号，且所 述单周期控制信号使得根据控制目标量控制每个开关周期内二极管的输出电压Vs;
[0016] 3)N路所述BUCK变换电路中开关管分别在所述步骤2)产生的各路所述单周期控制 信号的控制下导通、关断，W执行N路交错并联的所述BUCK变换电路的单周期控制。
[0017] 作为本发明控制方法的进一步改进，所述步骤2)中单路所述单周期控制信号的产 生步骤为：
[0018] 2.1)分别接收参考电压值Vref W及对应的所述BUCK变换电路的输出电压Vo，并将 所述参考电压值Vref与输出电压Vo之间的差值输入至PID调节器进行PI调节，输出电压值Vc 作为控制目标量；
[0019] 2.3)产生控制开关管的导通时间，并使得根据所述步骤2.1)输出的控制目标量控 制每个开关周期内二极管的输出电压Vs的控制脉冲，得到单周期控制信号。
[0020] 作为本发明控制方法的进一步改进，所述步骤2.3)中具体产生使每个开关周期内 二极管的输出电压Vs的积分值等于所述控制目标量的控制脉冲。
[0021] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0022] 1)本发明通过多路并联连接的BUCK变换电路并使得相互错相，实现多相并联错相 直流降压变换，利用多相交错并联技术可W有效减少输出电压和电流的纹波幅值，提高开 关频率，输出高质量的电压和电流，提高了系统效率和功率密度，从而能够满足大功率直流 输出对输出精度W及纹波的要求，同时可W减少输出滤波器的体积和质量，而不会增加开 关损耗和器件应力，有效节约了变换器所需的成本;通过多相并联设置，使得还具备冗余功 能，提高了变换器的稳定、可靠性；
[0023] 2)本发明在采用多相交错并联技术的基础上采用单周期控制，响应速度快、稳定 性好，能够实现输入直流电压的抗扰动控制，在一个开关周期内可W将输入直流电压扰动 消除，使输出电压平直稳定，从而结合多相并联错相W及单周期控制使得满足大功率直流 输出对输出电压精度、纹波要求的同时，还能够解决输入扰动、输出电压波动等问题；
[0024] 3)本发明将参考电压值与BUCK变换电路的输出电压的差值作为PID调节器的输 入，由PID调节结果作为单周期控制的控制目标量，形成PID控制外环，使得控制目标量可W 根据BUCK变换电路的输出电压动态调节