基于交错并联控制的Boost电路的优化方法
楼平;王晓坤;汤啸洲
【摘要】文章主要提出了一种交错并联Boost电路的设计方法,包括了电流采样电路的设计,均流电路的设计,Interleave相位的锁相控制,建立功率转换系统Boost变换器状态空间方程,求得小信号模型和电压电流开环传递函数,设计合理的补偿环节,获得良好的稳态和动态性能;并进行了实验验证;文章的设计方法能够有效减小boost模块的输出电流纹波和开关管的电流应力,提高了系统的稳定性和可靠性,而且系统动态性能得到很好的改善.
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2015(023)009
【总页数】4页(P3199-3201,3206)
【关键词】Boost;交错并联;电流采样;均流;锁相
【作者】楼平;王晓坤;汤啸洲
【作者单位】嘉兴职业技术学院,浙江嘉兴314036;矽力杰半导体技术有限公司,杭州 310012;杭州市特种设备检测研究所,杭州 310003
【正文语种】中文
【中图分类】TM464
在新能源领域，常需要大容量直流环节，和更好的谐波畸变率THD、提高系统效率、使系统具有更好的散热性能和更高的功率密度。

因此当功率等级需求较高的情况下，单个DC/DC模块无法满足实际需求，通常需要采用多个小容量模块组成大
容量的DC/DC环节［1-2］。

几个Boost电路交错运行，它在未增加开关损耗和元器件应力的条件下降低了总的输入输出电流纹波值，提高了纹波的频率，从而减小了总的输入、输出滤波器的体积，提高了变换器的功率密度，并且减小了EMI问题，改善了输出电压品质［3-4］。

因而交错并联技术在大功率DC/DC变换器中具有很高的应用价值［5-6］。

Boost电路的电感电流采样如图所示，开关管SW1，SW2代表了同步升压型Boost变换器中充当了主电路开关管和续流二极管的作用。

L是输入电感，R1是电感L的直流导通阻抗。

而Cout是输出电容，RESR是输出电容Cout的串联等效电阻。

采用电感DCR采样，并联在输入电感L上的R2和C1串联电路是电流传感电路。

R3在电流信号缩小时，或者进行温度补偿是需要加上，其他时候是可以省略的。

从图1可以得到，输入电感的时间常数为τL=L/R1。

而当没有R3时，电容C1的时间常数为τC1=C1·R2，而测试电阻R3的时间常数为τC1=C1·（R2·R3）/（R2+R3）。

当电路中没有R3时，τL=τC1，这种检测电流的方法是最常用的方法。

如图2所示。

从图2可得，方程1到6描述了VR1（s）和VC1（s）
因为τL=τC1，上式可以简化得到为VR1（s）=VC1（s）。

当τL=τC1时，电容C1的电压就是直流导通阻抗R1上的电压。

电容C1上的电压VR1（s）和电阻
R1上的电压VC1（t）如图3所示。

可以得到VR1（s）=VC1（s），电容C1上的电压，反映了电感电流的大小。

平均电流法和峰值电流法图被用于均流电路［7］。

图4所示的就是平均电流法，各个模块的输出电流通过均流线相连，均流线上是平均电流信号，每个模块通过电流误差信号来调整电压设定的基准，这样能调节外特性，使每个模块在工作点处的
输出电压与电流点重合，从而实现了均流控制。

为了得到纹波更小的输出电压，电路必须工作在最好的相位交错并联的状态，采用恒定频率控制，我们需要把相位锁定在互差180°的交错并联状态［8］。

从图5所示，电路初始时钟频率为200 k Hz，用分频电路可以得到两路互差180°频率为100 k Hz的交错信号，clk1，clk2，并把它们作为两个通道的锁相环电路。

从图7可知，clk1是从分频电路中得到的参考时钟信号，set1是开关管开通的信号，通过控制开关管导通时间TON来调整boost开关频率，使boost开关频率跟踪上参考时钟信号频率。

工作原理，当参考时钟信号clk1先于set1，Q2输出高电平给Zs电路放电，直到set1信号使Q1置高，积分信号Vcont1减小，Mosfet开通时间Ton1变短，开关频率提高，下一个周期的信号set1会更早到达，Δφ减小，直到set1信号与clk1信号保持一致；当set1信号先于参考时钟信号clk1，Q1输出高电平给Zs 电路充电，知道clk1信号使Q2置高，积分信号Vcont1增大，Mosfet开通时间TON变长，开关频率减小，下个周期的信号set1会更晚到达，从而使set1信号与clk1信号保持一致。

由交错开关信号来控制功率转换系统Boost变换器，交错开关信号有相同的频率和相位偏移。

通过建立交错并联Boost的状态空间方程，求得小信号模型和电压电流开环传递函数，设计合理的补偿环节，获得良好的稳态和动态性能。

开关管S1和S2各有两个开关状态，工作在CCM状态时，电路由4种工作状态如8～11图所示。

由上图的状态可得，为了获得较高的功率因数，提高输出的精度和动态特性，设计双环控制结构，并且需要对电流闭环设计良好的补偿网络。

可得电压开环传递函数：
功率级别的传递函数为
采用考虑了斜波补偿的峰值电流控制来设计电流环
式中，Ma为斜波补偿电流斜率；Ts为开关周期，Rf斜波补偿信号转换电阻。

和电压环开环传递函数相比，电流环开环传递函数存在一个系统零点，导致系统开环增益较小，系统稳态性能较差。

未加补偿之前，电流开环传递函数为：
其中：Kr为原始增益函数
为此，需加补偿环节，改善系统性能，补偿之后系统传递函数为
加入补偿后电流环系统如图12～13所示。

从图12～13可以看出，系统开环增益增大，在增益交越频率处的斜率为-20
dB/dec，有65°的相位裕量，系统瞬态性能和稳态精度得到改善。

对两个交错并联Boost电路组成的功率变换系统进行仿真分析，系统主要参数如
表1。

电路各个变量的稳态波形如下图14～16所示（图下方所示为示波器通道口名称）。

当输出电流Iout为12A时，其中如图所示波形中通道CH2为输出电压V out，
通道CH3为电感L1的电流IL1的波形，通道CH4为电感L2的电流IL2的波形，如图14所示。

当输出电流Iout为6 A时，其中如图所示波形中通道CH1为开关管SW1的波形，通道CH2为开关管SW2的波形，通道CH3为电感L1的电流IL1的波形，通道CH4为电感L2的电流IL2的波形。