一种多相交错并联Buck变换器的VCC控制方法和装置

本发明属于电力电子，具体涉及一种多相交错并联buck变换器的vcc控制方法和装置。

背景技术：

1、高性能微处理器要求其供电电源具有低压、大电流、高效率的同时，具有快速处理大电流突变的能力。为了满足上述要求，现有技术通常采用多相交错并联buck变换器作为主电路拓扑。多相交错并联buck变换器具有纹波消除效应，有助于最小化输出电容和改善负载瞬态性能。但在实际应用中，需要对多相交错并联buck变换器的负载电流进行均流控制，以减小开关器件的电流应力，提高变流器的效率、瞬态性能和可靠性。

2、目前，针对提高多相交错并联buck变换器的瞬态性能的控制技术主要包括高带宽的线性控制方法、非线性控制方法及最优控制方法。但线性控制方法的瞬态性能始终受限于电压环带宽，通过优化其补偿电路而改善瞬态性能的效果有限。非线性控制方法中的电压滞环控制不受补偿网络超前或滞后的影响，具有非常快的响应速度，但变频控制给滤波电路设计增加了难度，且因为依赖寄生参数，实际应用于多相交错并联变换器设计难度大。也有学者提出采用最优控制，即稳态采用经典线性控制，瞬态利用电荷平衡理论实现对负载瞬态轨迹的最优控制，但该方法应用于多相交错并联buck变换器容易出现瞬态完成后各相电流不平衡的问题，动态均流效果较差。多相电流均流控制通常采用峰值电流控制、平均电流控制等实现。这些控制方法包括基于事件采样的峰值电流控制、直流母线电流重构相电流法、平均电感电流估计法等方法。但存在硬件成本、传感器精度要求较高以及估计结果在高频下准确度低的问题，且难以同时保证快速瞬态响应和较好的均流效果。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种多相交错并联buck变换器控制方法和装置，使之能够同时实现快速瞬态响应速度、低输出电压纹波，并有效实现n相均流。

2、本发明的技术方案为：

3、一种多相交错并联buck变换器的vcc控制方法，包括以下步骤：

4、s1、通过采样获取多相交错并联buck变换器中的每条支路电感电流信号、电压信号和负载电流信号；

5、s2、利用获取的电感电流信号、电压信号和负载电流信号计算得到各相载波信号和峰值调制波信号；

6、s3、根据得到的各相载波信号和峰值调制波信号产生pwm控制信号，通过驱动电路实现对多相交错并联buck变换器的控制。

7、进一步的，所述步骤s2中在计算得到各相载波信号和峰值调制波信号时，除利用电感电流信号、电压信号和负载电流信号外，还需要利用电压峰值因子和电流峰值因子，其中电压峰值因子和电流峰值因子是通过已知电路参数计算得到。

8、进一步的，定义多相交错并联buck变换器共有n相，则计算各相载波信号vck的公式为：

9、

10、其中，kv和ki为电流加权因子，vo为采样得到的电压信号，ilk为采样得到的支路电感电流信号，下标k表示n相交错并联buck变换器中的支路，k＝1,2,…,n；

11、计算峰值调制波信号vp的公式为：

12、

13、其中，vop为电压峰值因子，ilp为电感电流峰值因子，vref为参考电压，iref为参考电流，io为采样电路得到的负载电流信号；

14、电压峰值因子和电感电流峰值因子的计算公式分别为：

15、

16、

17、其中r为电感电流纹波系数，fs为开关频率，co为输出电容。

18、进一步的，所述步骤s3中，产生pwm控制信号的方法是通过将各相载波信号与峰值调制波信号输入比较器，其中各相载波信号为比较器同相端输入，峰值调制波信号为比较器反相端输入，将比较器的输出信号作为rs触发器的r端输入，由rs触发器输出pwm控制信号再经过驱动电路控制多相交错并联buck变换器中的开关管。

19、一种多相交错并联buck变换器的vcc控制装置，包括互相连接的主功率拓扑、采样电路、数字控制系统和驱动电路，所述主功率拓扑为n相交错并联buck变换器，n相交错并联buck变换器的开关器件门极连接驱动电路输出，n相交错并联buck变换器的输出连接采样电路；所述采样电路的输出连接数字控制系统，数字控制系统的输出连接驱动电路的输入；所述数字控制系统包括n路载波信号产生模块、峰值调制波信号产生模块、比较器、rs触发器；所述采样电路用于采集n相交错并联buck变换器中的支路电感电流信号、电压信号和负载电流信号，其中支路电感电流信号和电压信号输入到n路载波信号产生模块，负载电流信号输入到峰值调制波信号产生模块；所述n路载波信号产生模块的输出端连接比较器的正输入端，峰值调制波信号产生模块的输出端连接比较器的负输入端，比较器的输出端连接rs触发器的复位端，rs触发器的置位端连接时钟信号，rs触发器的输出端为数字控制系统的输出端；其中n路载波信号产生模块根据获得的支路电感电流信号和电压信号计算产生各相载波信号，峰值调制波信号产生模块根据获得的负载电流信号计算产生峰值调制波信号。

20、进一步的，所述n路载波信号产生模块计算各相载波信号vck的公式为：

21、

22、其中，kv和ki为电流加权因子，vo为采样电路输出的电压信号，ilk为采样电路输出的支路电感电流信号，下标l表示n相交错并联buck变换器中的支路，k＝1,2,…,n。

23、进一步的，所述峰值调制波信号产生模块计算峰值调制波信号vp的公式为：

24、

25、其中，vop为电压峰值因子，ilp为电感电流峰值因子，vref为参考电压，iref为参考电流，io为采样电路输出的负载电流信号。

26、进一步的，所述电压峰值因子和电感电流峰值因子为根据电路参数的预设值，计算公式分别为：

27、

28、

29、其中r为电感电流纹波系数，fs为开关频率，co为输出电容。

30、进一步的，所述比较器用于在载波信号大于峰值调制波信号是使得rs触发器复位，并且对应的，rs触发器复位后通过驱动电路控制主开关管关断，同步开关管导通。

31、上述控制方法和装置中：

32、在每个开关周期开始时刻，采样n路电感电流il1～n、输出电压vo、负载电流io，各相载波信号vck根据n路电感电流il1～n、输出电压vo计算得到：

33、

34、加权因子kv和ki决定了载波中输出电压和电感电流的比重，需满足kv+ki＝1，在实现均流的前提下，为了更快的响应速度和更小的过冲和跌落，kv应尽可能大；

35、自适应峰值调制波信号vp根据负载电流io、计算得到的峰值因子vop和ilp产生：

36、

37、其中n相交错并联buck变换器的各相时钟信号相差2π/n；n相交错并联buck变换器的每相主开关管和同步开关管的pwm驱动信号相位相错π/2。

38、具体控制工作为：

39、1.启动变换器主功率拓扑，驱动电路为n相交错并联buck变换器的开关管提供固定频率的时钟信号。

40、2.采样电路在每个开关周期开始时刻采样输出电压vo、各相电感电流ilk(k＝1,2,...,n)及输出电流io并送入数字控制系统；

41、3.数字控制系统接收采样信号，载波信号产生模块将输出电压vo、各相电感电流ilk标幺化并加权后产生各相载波信号峰值调制波信号产生模块通过输出电流io、提前计算得到的输出电压峰值因子以及电感电流电流峰值因子产生自适应峰值调制波信号并将各相载波信号vck与峰值调制波信号vp相比较，送入rs触发器复位端，获得各相buck变换器开关管的pwm控制信号，实现快速瞬态响应、低输出电压纹波和多相均流控制。

42、控制过程的要求是：以第一相为例，每个开关周期开始时刻，时钟信号置位rs触发器，主开关管驱动信号vs1为高电平，主开关管导通，同步开关管关断，当第一相载波信号vck1>峰值调制波信号vp时，rs触发器复位，vs1变为低电平，主开关管关断，同步开关管导通，直到下一个时钟信号到来。其余各相时钟信号与第一相时钟信号依次相差2π/n。

43、本发明的有益效果为：

44、1.本发明为n相交错并联buck变换器提供了一种vcc控制装置，基于电压纹波、电感电流纹波信息，实现了基于纹波的均流控制，相比于传统峰值电流控制方法，本发明的控制装置根据负载电流计算得到自适应调节峰值调制波信号，可以有效实现n相均流，在负载跳变时实时调整峰值调制波信号，可以有效减小跳载后的均流调整时间，快速达到稳态。

45、2.相比于传统峰值电流控制方法，本发明中载波信号同时包含输入电压和电感电流信息，且控制环路简单，无需超前或滞后环节，因此可以实现对输入电压和负载电流变化更快的瞬态响应速度。