- 頭條重慶理工學者提出應用于并聯DC-DC變換器的單電流傳感器控制策略2022-07-10 作者：郭強、李山 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語重慶理工大學重慶市能源互聯網工程技術研究中心的科研人員郭強、李山、謝詩云、楊奕，在2022年第4期《電工技術學報》上撰文，針對多相交錯并聯DC-DC變換器相間均流問題，提出一種具有動態均流能力的單電流傳感器控制策略。
目前，交錯并聯DC-DC變換器因具有功率密度大、瞬態響應快以及電流紋波小等優點，已廣泛應用于電動汽車、光伏發電、儲能系統等領域。然而在實際系統中，由于功率半導體器件、電感、驅動器件等存在的差異性，將引起變換器各相間電流不均衡，造成對應相中熱應力增加及磁飽和，從而影響系統的可靠性。因此，為了保證多相交錯并聯變換器高效運行，每相電流的均流控制顯得極為重要。
為了解決上述問題，近幾年國內外研究人員提出了一些均流控制策略，主要包括下垂均流法、主從均流法和平均均流法。其中，下垂均流法是通過改變各相外特性斜率，即調節輸出阻抗實現均流，該方法易于實現，但由于每相間彼此獨立，致使電壓調整率較差。
主從均流法中主動相電流由電壓外環控制，其他相電流由電壓外環和均流環共同控制，可獲得較好的電壓調整率和均流特性。但該方法中包含多個控制環路，控制器參數設計復雜，容易引起系統不穩定。然而平均均流法是將電壓外環輸出控制量均分作為各相電流內環的給定值，再通過PI控制器實現均流控制。
上述三種方法均需要獲取各相電流值，傳感器數量較多，導致系統成本、體積增加，同時均流控制策略效果易受電流傳感器精度的影響。
為了抑制電流傳感的不利影響，一些無傳感器均流策略被相繼提出。有學者提出一種基于梯度估算的無傳感器均流策略，但在準確估算相電流的過程中要求較大計算量。有學者利用輸入電容電壓紋波的差異代替電流采樣，以減小紋波差異為目標自動調節各相占空比，從而達到均流目的。然而，該方法同樣計算復雜。
有學者提出一種通過改變各相電流分配系數來實現均流的控制方法，但該方法適用于各相電流差異較小的場合。有學者利用各分支電路中寄生電阻對應補償每相中開關的占空比，該方法實現較為簡單，但其動態均流性能受到限制。
在此基礎上，重慶理工大學重慶市能源互聯網工程技術研究中心的科研人員提出一種單電流傳感器均流控制策略，與傳統均流控制策略相比，簡化了系統電路，降低了成本；而與無電流傳感器策略相比，改善了動態均流及過電流保護能力。
研究人員首先根據變換器工作模態建立全息數學模型，推導出穩態下各相電流與寄生電阻、負載電流及占空比解析表達式；其次利用恒定占空比交替測試法估算各相寄生電阻，引入占空比補償因子實現相間電流均衡；然后基于頻域法對控制器進行設計，并增加負載電流前饋補償環路以降低輸出阻抗。
圖1 實驗樣機與測試設備
該方法的主要貢獻包括：①考慮器件實際損耗，利用開環恒定占空比交替測試法估算各相寄生電阻，并根據所建立的穩態電感電流解析表達式，計算出對應相占空比補償分量；②基于系統小信號模型，利用頻域法對控制環路進行分析，優化配置控制器零點位置與環路增益，并引入前饋補償環路有效改善系統動態性能。最后，采用基于模型的設計方法完成對控制策略的功能實現，使系統具有良好的動態和穩態性能。
研究人員最后得到以下結論：
1）本控制策略能有效改善電感電流不均衡問題，保證各相電流不平衡度小于5%；當負載發生階躍變化時，輸出電壓能快速恢復至給定值，各相電流始終均分負載電流。
2）相較于傳統雙閉環控制策略，可提高系統功率密度及節約成本，而相較于無電流傳感控制策略，具有動態均流及短路保護能力，并為實際工程應用提供重要參考。
本文編自2022年第4期《電工技術學報》，論文標題為“多相交錯并聯DC-DC變換器單電流傳感器控制策略”，作者為郭強、李山 等。
