緩解并聯(lián)DC-DC轉(zhuǎn)換器陣列中不需要的輸入拍頻

當(dāng)一系列開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器并聯(lián)以獲得更高的功率輸出時(shí)，工作頻率的差異會(huì)導(dǎo)致公共輸入總線上出現(xiàn)不需要的拍頻。結(jié)果是轉(zhuǎn)換器輸入部分循環(huán)的交流紋波電流意外增加。通過(guò)使用簡(jiǎn)單的輸入濾波，可以顯著降低交流輸入紋波電流。具有較高基波開(kāi)關(guān)頻率（》1 MHz）的DC-DC轉(zhuǎn)換器允許使用較小的濾波元件，適合整體空間和重量非常寶貴的系統(tǒng)。

雖然單個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器通常是一種更可取的解決方案，但在許多情況下，需要兩個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換器來(lái)滿足軍用系統(tǒng)的功率容量要求。在此類應(yīng)用中，可以并聯(lián)連接兩個(gè)或多個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器陣列以產(chǎn)生所需的功率 - 并且在應(yīng)用需要魯棒性，容錯(cuò)或N + 1冗余電源的其他情況下，使用N + 1冗余電源來(lái)滿足容量要求。

在電源故障可能是災(zāi)難性的關(guān)鍵軍事應(yīng)用中，容錯(cuò)電源使用N+ 1類似的轉(zhuǎn)換器來(lái)提供非常高的可靠性。通過(guò)冗余，容錯(cuò)系統(tǒng)確保在轉(zhuǎn)換器發(fā)生故障時(shí)，至少比承載負(fù)載所需的最小模塊多一個(gè)模塊。

如果陣列中的DC-DC轉(zhuǎn)換器采用相同的饋電供電工作，則它們通常并置以獲得共享熱和屏蔽功能的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)節(jié)省空間。雖然這些轉(zhuǎn)換器可能屬于同一類型，但除非所選的DC-DC轉(zhuǎn)換器允許同步，否則會(huì)發(fā)生開(kāi)關(guān)頻率不匹配。

由于在相同輸入總線電壓下并聯(lián)運(yùn)行的非同步DC-DC轉(zhuǎn)換器存在細(xì)微變化或不匹配，因此這些轉(zhuǎn)換器的工作頻率存在很小的差異。轉(zhuǎn)換器工作頻率的這種差異導(dǎo)致陣列輸入電流中存在不需要的拍頻。結(jié)果，在轉(zhuǎn)換器的輸入部分循環(huán)的交流紋波電流增加。雖然提供同步方法的轉(zhuǎn)換器確實(shí)避免了拍頻，因?yàn)闆](méi)有工作頻率不匹配，但選擇現(xiàn)成的轉(zhuǎn)換器的選擇受到限制，這可能導(dǎo)致整體系統(tǒng)效率和功率密度降低。通過(guò)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的輸入濾波器，可以輕松顯著抑制一系列非同步轉(zhuǎn)換器的輸入紋波電流以及拍頻分量，從而可以考慮非同步轉(zhuǎn)換器。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器并聯(lián)陣列中的拍頻

為了演示這個(gè)問(wèn)題以及輸入濾波的影響，讓我們來(lái)看看需要大量功率的軍用電源系統(tǒng)，例如RF發(fā)射器或微波無(wú)線電鏈路。例如，需要MIL-STD-704E電源輸出功率為2.1 kW的系統(tǒng)并聯(lián)連接八個(gè)270 W總線轉(zhuǎn)換器，以形成高功率DC-DC陣列。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，將使用縮小版本（兩個(gè)并聯(lián)的高輸入電壓 270 W 正弦波幅總線轉(zhuǎn)換器陣列，總輸出功率為 540 W）進(jìn)行測(cè)量（圖 1）。

圖 1：由兩個(gè)高輸入電壓 270 W DC-DC 轉(zhuǎn)換器組成的陣列，與隨后的輸入濾波電感器 L1 和 L2 并聯(lián)，以綠色顯示。

（單擊圖形可縮放 1.9 倍）

盡管正弦波幅度總線轉(zhuǎn)換器以固定的多MHz頻率開(kāi)關(guān)，但該系列成員的器件間差異會(huì)導(dǎo)致陣列中的每個(gè)轉(zhuǎn)換器以略微不同的開(kāi)關(guān)頻率工作。陣列中每個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)噪聲之間的相互作用會(huì)產(chǎn)生不需要的拍頻，其倍數(shù)是轉(zhuǎn)換器工作頻率之間差異的倍數(shù)。

不需要的拍頻的影響在陣列的DC-DC轉(zhuǎn)換器之間循環(huán)的紋波電流中最為明顯。開(kāi)關(guān)頻率的紋波電流加起來(lái)，對(duì)轉(zhuǎn)換器的整體紋波電流包絡(luò)產(chǎn)生幅度調(diào)制。例如，在前面描述的并聯(lián)DC-DC轉(zhuǎn)換器陣列和圖1所示的測(cè)試設(shè)置中，一對(duì)標(biāo)稱開(kāi)關(guān)頻率為1.7 MHz的互連總線轉(zhuǎn)換器可能具有f1= 1700 kHz和f2 = 1702.7 kHz的實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率。兩者之間的2.7 kHz差值意味著總輸入電流對(duì)視在紋波的頻率分量要低得多。

在紋波幅度最高的時(shí)間內(nèi)，所討論的兩個(gè)轉(zhuǎn)換器之間的互連布線中的銅損高于其需要：直流DC未使用循環(huán)交流紋波電流，但它仍然流過(guò)具有有限電阻的導(dǎo)體。高附加紋波電流也會(huì)對(duì)輸入旁路電容器施加壓力，并且系統(tǒng)噪聲可能會(huì)增加，具體取決于電路板布局。在某些情況下，這些環(huán)流會(huì)建設(shè)性地干擾足夠的振幅，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器本身的不可預(yù)測(cè)行為，例如，錯(cuò)誤地檢測(cè)到模塊內(nèi)的過(guò)流情況。

為了實(shí)際證明輸入紋波電流增加和產(chǎn)生低拍頻分量的問(wèn)題，一對(duì)高壓270 W BCM總線轉(zhuǎn)換器作為一個(gè)簡(jiǎn)單的并聯(lián)陣列連接，如圖2所示。對(duì)于初始測(cè)量，輸入電感L1和L2不包括在內(nèi)，并且除了輸入旁路電容C1和C2之外沒(méi)有輸入濾波。由于陣列中兩個(gè)模塊的異步切換，交流輸入紋波電流頻率也不同。在公共輸入且無(wú)電感濾波的情況下，交流紋波電流混合并產(chǎn)生基于較低拍頻的調(diào)制幅度的紋波，如前所述。

該陣列由兩個(gè)工作在 270 VIN 和 45 VOUT 的總線轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。該轉(zhuǎn)換器型號(hào)的標(biāo)稱基波工作頻率為1.7 MHz，同樣，圖1所示的濾波電感不在電路中。測(cè)量了其中一個(gè)模塊的輸入紋波電流，如圖1所示。所得到的性能的時(shí)域圖如圖2（a）所示。對(duì)于本測(cè)量中使用的總線轉(zhuǎn)換器陣列，滿載工作時(shí)的總輸入電流約為2.1 ADC。

圖 2：時(shí)域示波器圖（2a）顯示，沒(méi)有濾波電感器的紋波電流很高（峰峰值為844 mA）。圖（2b）顯示，使用濾波電感時(shí)紋波電流大幅降低（峰峰值為143 mA）。

（單擊圖形可縮放 1.9 倍）

抑制節(jié)拍

通過(guò)相當(dāng)簡(jiǎn)單的輸入濾波，可以很容易地控制陣列中非同步轉(zhuǎn)換器之間循環(huán)的不需要的交流紋波電流。輸入電感器（圖1中標(biāo)記為L(zhǎng)1和L2）用作附加輸入濾波器。在該實(shí)驗(yàn)裝置中，電感為0.4 μH，并與陣列中每個(gè)總線轉(zhuǎn)換器的+In支路串聯(lián)。輸入電感器在開(kāi)關(guān)頻率下增加一個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸入級(jí)與陣列中其他轉(zhuǎn)換器之間的阻抗。在這種情況下，在總線轉(zhuǎn)換器的1.7 MHz基波開(kāi)關(guān)頻率下，電感器的阻抗約為4 Ω。這種阻抗降低了系統(tǒng)中的高頻交流環(huán)流。

添加輸入電感后的性能如圖2（b）所示。

整體紋波幅度顯著減小，紋波電流包絡(luò)的較低頻率調(diào)制也相應(yīng)減小。因此，使用輸入濾波電感器時(shí)，輸入紋波電流的幅度從844 mA峰峰值降至143 mA峰峰值以下。

因此，觀察到，如果在該并聯(lián)轉(zhuǎn)換器陣列的公共輸入總線上不使用濾波，則非同步DC-DC轉(zhuǎn)換器陣列輸入端的循環(huán)交流紋波電流可能會(huì)高得多。事實(shí)上，與直流輸入電流相比，交流紋波電流可能很大。然而，通過(guò)使用簡(jiǎn)單的輸入濾波，可以顯著降低交流輸入紋波。由于本例中使用的V?IChip轉(zhuǎn)換器工作在較高的基波開(kāi)關(guān)頻率（》1 MHz），因此與較低開(kāi)關(guān)頻率轉(zhuǎn)換器所需的濾波元件相比，采用了具有較低損耗的較小濾波元件。這對(duì)于整體空間、重量和效率都非常寶貴的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是有利的。

輸入濾波可抑制交流輸入紋波電流

從圖2所示的結(jié)果可以看出，輸入濾波在顯著抑制并聯(lián)開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器陣列中拍頻的影響方面發(fā)揮著重要作用。使用簡(jiǎn)單的輸入濾波電感器可以看出，其中一個(gè)總線轉(zhuǎn)換器模塊（在兩個(gè)高輸入電壓270 W DC-DC總線轉(zhuǎn)換器的陣列中）的交流輸入紋波電流的幅度降低了80%以上。

審核編輯：郭婷