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目前，交錯并聯(lián)DC-DC變換器因具有功率密度大、瞬態(tài)響應快以及電流紋波小等優(yōu)點，已廣泛應用于電動汽車、光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)等領域。然而在實際系統(tǒng)中，由于功率半導體器件、電感、驅(qū)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(tǒng)的可靠性。因此，為了保證多相交錯并聯(lián)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(nèi)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(diào)節(jié)輸出阻抗實現(xiàn)均流，該方法易于實現(xiàn)，但由于每相間彼此獨立，致使電壓調(diào)整率較差。

主從均流法中主動相電流由電壓外環(huán)控制，其他相電流由電壓外環(huán)和均流環(huán)共同控制，可獲得較好的電壓調(diào)整率和均流特性。但該方法中包含多個控制環(huán)路，控制器參數(shù)設計復雜，容易引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。然而平均均流法是將電壓外環(huán)輸出控制量均分作為各相電流內(nèi)環(huán)的給定值，再通過PI控制器實現(xiàn)均流控制。

上述三種方法均需要獲取各相電流值，傳感器數(shù)量較多，導致系統(tǒng)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(diào)節(jié)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(shù)來實現(xiàn)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(xiàn)較為簡單，但其動態(tài)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(lián)網(wǎng)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(tǒng)均流控制策略相比，簡化了系統(tǒng)電路，降低了成本；而與無電流傳感器策略相比，改善了動態(tài)均流及過電流保護能力。

研究人員首先根據(jù)變換器工作模態(tài)建立全息數(shù)學模型，推導出穩(wěn)態(tài)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(xiàn)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(huán)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(huán)恒定占空比交替測試法估算各相寄生電阻，并根據(jù)所建立的穩(wěn)態(tài)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(tǒng)小信號模型，利用頻域法對控制環(huán)路進行分析，優(yōu)化配置控制器零點位置與環(huán)路增益，并引入前饋補償環(huán)路有效改善系統(tǒng)動態(tài)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(xiàn)，使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

研究人員最后得到以下結(jié)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(fā)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(tǒng)雙閉環(huán)控制策略，可提高系統(tǒng)功率密度及節(jié)約成本，而相較于無電流傳感控制策略，具有動態(tài)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(lián)DC-DC變換器單電流傳感器控制策略”，作者為郭強、李山 等。