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输入串联输出并联容错电路拓扑及控制方法
模块化DC-DC转换器
Vijay Choudhary，学生会员，IEEE，Enrique Ledezma，学生会员，IEEE，Raja Ayyanar，高级会员，IEEE和Robert M.Button
摘要-本文提出了一种模块化、容错的dc-dc变换器拓扑结构，该拓扑结构采用公共占空比控制，以保证输入-串联-输出并联结构中输入电压和输出电流的平均分配。输入串联允许使用低压场效应管的优化非常低，从而降低传导损耗。公共占空比方案不需要专用的控制回路来实现输入电压或输出电流的共享。容错保护和控制方案可适应一个或多个模块的故障，并确保重新维护的健康模块之间的输入电压和负载电流共享。提出了一种新的故障检测传感方案。文中给出了拓扑分析和基本原理。分析了单台变换器发生故障时，电源峰值电流与保护开关峰值电流的关系，讨论了各种设计折衷问题。通过仿真和实验验证了理论预测的正确性。该方法简单，对输入、负载和故障时的变化具有良好的动态响应。这种拓扑结构特别适合空间应用，在空间应用中，通过设计冗余可以实现高水平的容错。
索引项自主控制、公共占空比、容错、输入串联和输出并联（ISOP）、输入串联连接、输入电压共享、负载电流共享、模块化dc-dc转换器。
一、 导言
在一个完全模块化的电力系统架构中，低功耗、低电压（输入和输出）的构建块dc–dc转换器可以在输出端和输入端以任何组合串联或并联方式连接，以实现任何输入输出规格。模块化架构的优点包括：由于设计冗余而提高了可靠性，缩短了设计和生产周期（因为只需要设计一个转换器），以及通过交错减少了滤波器，导致更高的功率密度。
2007年3月2日收到原稿；2007年6月6日修订。这项工作得到了美国宇航局格伦研究中心（授予NNC04GB40G）和海军研究办公室（授予N00014-05-1-0622）的支持。建议由J.Pomilio出版。
V. Choudhary、E.Ledezma和R.Ayanar在亚利桑那州立大学电气工程系工作，地址：美国亚利桑那州坦佩市，邮编：85287-5706（电子邮件：vijay.Choudhary@asu.edu；enrique.Ledezma@asu.edu；R Ayyanar@asu.edu）。
R、 M.Button是美国宇航局格伦研究中心的成员，地址：俄亥俄州克利夫兰市，邮编：44135（电子邮件：robert.Button@grc.NASA.gov）。
本文中一个或多个图形的彩色版本可在http://ieeexplore.ieee.org上在线获取。
数字对象标识符10.1109/TPEL.2007.911845
变换器的输入并联和输出并联（IPOP）连接提供了提高功率处理能力和可靠性的优点，并得到了广泛的研究[1]-[17]。已经开发了多种复杂度和性能不同的控制技术，以确保模块之间的负载均衡[1]-[17]。在IPOP系统中通过冗余来提高可靠性的描述见[18]-[20]。输入串联连接有助于使用低压场效应管，对于单个转换器，具有非常低且最佳的转换比，从而提高效率[21]–[26]。在输入-串联-输出-串联（ISOS）和输入-串联-输出-并联（ISOP）连接中，所面临的挑战是确保在稳态和瞬态下总输入电压的平均分配[22]–[26]。由于dc–dc转换器的负电阻特性，没有输入电压控制器的标准转换器的连接会导致不稳定，导致整个输入电压出现在一个转换器上[22]，[26]。输出串联[27]，[28]连接可以提供高输出电压，同时允许使用低压二极管，这些二极管在较短的恢复时间内得到更好的优化，并且接近一匝比，从而提供中等低的泄漏和绕组间电容。
在[22]中演示的ISOP配置使用三个控制回路：提供电流参考的公共输出电压回路；调节独立输出电感电流的独立内部电流回路；以及单独的输入电压回路，其适当地调整给每个转换器的电流基准，以确保输入电压共享。输入电压环的参考值是通过平均所有转换器的输入电压来获得的。文[24]通过输入电压分布控制，实现了等参比变换器的均匀电压分布。[25]提出了一种用于等参比变换器的无传感器方案，该方案在稳态和瞬态期间产生匹配的负载电流。
在[26]中研究了另一种方案，称为公共占空比方案，该方案利用了当模块以相同占空比运行时ISOP配置的固有自校正机制。主转换器根据输出电压控制产生占空比，该占空比提供给所有其他转换器。
在大多数以前的方法中，控制方案都有一个输出电压回路，这是所有转换器的共同点。因此，单个转换器模块不是自包含的，也不是相同的，或者使用多个控制回路来实现输出负载和输入电压共享[24]。单一中央控制器的存在会降低整体系统。本文提出了一种基于公共占空比的等值线控制方案，该方案是真正模块化的，即无中央控制器，能够适应一个或多个模块的故障。第二节阐述了基于共占空比控制的无主等参方案的发展。第三节介绍了保护电路的容错特性、影响保护电路选择的因素、保护电路的位置和保护装置的类型。第四节讨论了一种新的故障检测传感方案，并给出了其优点和仿真结果。第五节给出了无主等参方案的仿真和实验结果。第六节给出了容错等参系统的仿真和实验结果。第七节讨论了故障时的输出电压响应和在故障期间缓解输出电压大过冲的潜在解决方案。第八节对本文进行了总结，并对本文进行了讨论和总结。
二．一种无主控容错ISOP系统的开发
模块化电源环境下的容错意味着在一个或多个模块发生故障时，系统仍应能够在不中断的情况下为负载供电。这通常是通过在系统中提供一些冗余来实现的，即通过合并比提供负载所需的更多的模块来实现。在正常情况下，模块将在低于额定功率水平的情况下运行。与冗余模块相关的额外成本必须与系统故障的影响进行权衡，以确定容错系统的经济可行性。模块化转换器中的冗余通常用“n k”表示其中是满足负载要求所需的模块数，是提高可靠性的附加模块数[19]，[20]。
除了冗余外，模块化容错dc-dc变换器系统的开发还必须满足一些基本要求。首先，变换器模块应该彼此相同，并且当连接在一起时（在ISOP系统的情况下），应该在它们之间平等地共享输入电压和输出电流。其次，独立转换器应该能够独立工作。这是为了确保即使一个或多个转换器发生故障，剩余的正常模块也应通过重新排列负载来继续工作。这意味着它们应该有独立的控制循环。第三个要求是故障模块必须快速与系统隔离。
图1中的示意图显示了新的自动主从方案，其中所有模块都是相同的，每个模块都有自己的输出电压回路和作为主转换器的能力。对公共占空比方案[26]进行了改进，使该方案与IPOP[19]中的自动主从方案类似。在公共占空比方案中，所有的等参比变换器都有相同的控制电压或占空比。在稳态运行时，每个变换器的输入电流和输出电压是相同的。当占空比相等时，三个变换器具有相同的输入电压，并且来自功率平衡的负载电流相同。文献[26]表明，共占空比使暂态稳定运行
图1.公共占空比，具有独立输入串联模块和输出并联模块的自动主从控制方案。
图2.产生公共占空比信号的不同方案。
然而，在[26]提出的方案中，控制电压由专用主转换器提供。在图1中，控制电压可以来自任何转换器。所有的转换器都接收相同的控制电压，这是由占空比总线上的电压决定的。每个转换器都有一个单独的输出电压控制器，通过二极管连接到占空比总线。占空比母线上的电压对应于输出电压控制器的最大控制电压的转换器。在占空比母线处产生电压的其它方案也可以，如图2所示。
每个模块的控制级和功率级设计得尽可能相似。然而，由于控制器参数的小失配，不同变换器的输出电压回路可能产生不同的控制信号，而产生最高控制电压的变换器成为自动主控器。随着操作条件的变化，可能会有不同的转换器成为主转换器。
如果变换器相同，则公共占空比控制中变换器的各个输入电压相同。实际上，由于功率变换器的匝数和场效应管特性的不同，各个功率级之间的差别很小。这种差异将反映在输入电压共享上。电源变压器匝数比的2%不匹配将导致相应的2%输入电压失配。不过，这次行动将是稳定的。更精密的制作
图3.故障电流计算用等效电路的研制。
电力变压器的程序匝数比失配很可能很小。
冗余和无主操作本身不会导致容错系统。如果某个模块出现故障，则需要将其与系统的其他部分隔离。在输入-并联-输出并联（IPOP）系统中，使用运算二极管在输出端隔离并关闭故障模块的PWM电路足以防止任何转换器输出端短路。对于因开关故障导致的输入侧断路，保护是IPOP系统固有的。在ISOP系统中，故障模块的隔离要稍微复杂一些。对于所有类型的故障，即输入开路、输出开路、输入短路、输出短路故障，需要在输出端打开故障转换器并在输入端短路。在输出端，保护类似于IPOP。对于转换器上的输入短路故障，保护是自动的。然而，当输入侧的场效应管失效或输出电容失效时，最终会导致故障转换器的输入端开路。这意味着转换器需要在输入端短路（连同它对占空比总线的贡献），以便系统的其余部分可以共享总输入电压（每个转换器）和负载电流
对输出端短路的检测和故障模块的门极驱动失效是许多商用dc-dc变换器的标准特性，因此本文只关注输入端失效变换器的隔离问题。如图1所示，所提议的系统在每个转换器的输入端使用开关，使得当检测到转换器故障时，通过打开开关使其输入端短路。然后，该开关为系统的输入电流提供路径。虽然在概念上很简单，但在实现这一功能方面有许多实际挑战。失效功率场效应管的开路使失效模块的输入电容充满电。短路开关除了提供输入电流流动的替代路径外，还应能够耗散储存在转换器输入电容器中的能量。从稳定性的角度来看，一个变换器输入端的短路相当于在剩余的模块上施加一个大的阶跃输入电压。对于这种大的瞬态，转换器控制应该是稳定的。换言之，保护方案对稳态和动态的影响需要分析输出电压控制回路的性能。
输入电容器的旁路导致通过开关的高瞬时电流。可控硅（SCR）被认为是最适合这种应用的开关有两个原因。首先，晶闸管有大的浪涌电流，这允许选择一个小晶闸管。这一点特别重要，因为保护电路可能很少使用，而且应具有最小的面积和成本开销。其次，开关磁阻电机的点火方案简单，不需要连续的驱动电流。
放置可控硅的两个替代位置是可行的。第一种是将可控硅直接置于输入电容器上，第二种是置于输入端子上（图1）。当转换器输入短路时，通过晶闸管的峰值电流是由输入电容放电和输入到正常模块的阶跃变化引起的。将晶闸管直接置于输入电容器上，由于晶闸管和晶闸管形成的回路电阻很小，因此通过晶闸管的暂态电流非常大。与晶闸管串联增加外部阻抗可以限制电流，但在晶闸管导通时会导致静态功耗，这是不可取的。将开关直接连接到转换器的输入端子上可显著降低电容放电电流–（事实上）形成了一个回路。通过比较两种情况下的模拟结果，发现第二种配置（晶闸管直接穿过输入端子）更为合适，因为它导致晶闸管的额定电流明显较低。它的另一个优点是通过短路一对电感和电容来保持输入滤波器的动态不变。
三、 输入电流和可控硅电流依赖于转换器数量
如前一节所述，高暂态电流流过输入源–过滤器，以及在变频器故障时用于保护的可控硅。在选择故障保护电路和输入滤波器元件时，需要对该暂态电流进行估计。相反地，在给定输入滤波器元件额定值和保护电路额定值的情况下，可能需要选择转换器的数量，以提供所需的性能和所需的冗余度。
本节的分析旨在为实现这一目标提供一些指导。
图3（a）示出了连接短路时的等效电路，对输入电流和可控硅电流的分析有效。对于故障后的暂态过程，假定换流器电流变化不大，因此可以用电流源进行建模。输入电流可以被修正为输入侧负载电流对输入侧的反射值和输入侧电压阶跃变化的贡献的叠加。故障时的输入电流可以写为
元件流经由健康转换器的输入滤波器形成的LC网络。通常
在故障期间，可忽略和的实际值，因此可简化转换器电路以进行故障电流计算，如图3（b）所示。
假设和
当转换器“n”出现故障时，其余转换器将经历以下步骤 等于故障发生前-变频器系统中一个变频器的标称输入电压。如果在出现任何明显的过电压之前，能够足够快地检测到故障，则该假设是有效的。使用的快速感应电路（其细节在下一节中进行了说明）使得这一点成为可能，并且可以从第六节中给出的仿真和实验结果中验证该假设的有效性。对于输入电流计算，可以表明图3（b）电路的输入故障电流仅取决于施加在由1个电容器和电感组成的LC组合上(n-1)的阶跃输入电压。这使得我们可以考虑在所有电感电流和电容电压为零的情况下，电路的初始静止状态，并计算对阶跃输入的响应。在这种假设下，为了向图3（c）的电路输入故障电流计算，可以进一步简化图3（b）的电路。
输入电流的峰值忽略了电容器和电感的ESR
这个近似表达式表明，故障时的输入峰值电流与变换器数目成反比。当每个输入组合的阶跃输入电压随着滤波器数量的增加而有效降低时，这是直观的。因此，随着模块数量的增加，故障电流降低到一个更可容忍的水平。考虑电容器ESR和电感串联电阻的输入故障表达式电流可以写为
图4.输入电流，电容放电电流，以及故障期间的可控硅电流，从方程（3）中得出。
在阻尼不足的情况下。图4示出了在时域中绘制的输入电流。输入电流波形与实际等值线变换器的仿真结果非常相似，实验结果如第六节所示。
估计流过旁路开关的电流是有意义的。当旁路开关闭合时，电容器通过旁路开关和的串联电阻形成的电路放电，该电流由
图4所示为（4）中放电电流的n图。通过旁路开关的总电流是（1）的和并由（1）给出，如图4所示。
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