浙江大学电气工程学院的研究人员谷恭山、郑祥杰、高明、蒋天一、石健将，在2019年第15期《电工技术学报》上撰文，针对高电压/宽范围输入、低压大电流输出的应用需求，提出了一种基于两级结构的模块化输入串联输出并联组合DC-DC变换器及其均压控制策略。

模块单元采用开环定频LLC+闭环Buck级联的两级结构拓扑，兼具高性能的同时也便于进行串并联的组合。通过构造均压母线并间接采样模块的输入电压，将信号分别叠加到反馈电压与参考电压上，使得模块单元实现输入均压自调节的同时还能维持良好的输出电压精度。

模块的采样、控制与通信均在后级完成，各自独立工作，简化了电路结构，使系统具有良好的模块化特性。结合系统的小信号模型，对其稳定性进行了理论分析和仿真验证。最后，通过搭建由三个模块构成的ISOP组合变换器实验平台，验证了此均压控制策略的可行性。

受功率器件等方面的制约，针对高电压输入、大电流输出的应用场合而使用的DC-DC变换器在设计上面临诸多困难。传统的电力电子拓扑在该领域内的应用受到诸多限制，在常见的单级结构中，反激式拓扑无法将功率做大且动态响应较慢；正激式拓扑由于硬开关特性无法实现较高的效率；移相全桥工作在轻载时存在占空比丢失的问题；LLC变换器常应用在输入电压变化范围较小的场合。

功率器件的串联虽然可以满足高耐压要求，但是往往需要额外的辅助电路以实现器件均压，增加了电路复杂性。通过改进电路结构的多电平技术也在高压输入场合得到了广泛应用，但仍然存在控制策略较为复杂，灵活性不足等问题。

为此，基于模块化的输入串联输出并联（Input-Series Output-Parallel, ISOP）组合变换器得到了越来越多的重视和研究。对多个独立模块进行输入串联输出并联，不仅减少了单个模块的电压、电流应力，降低了设计难度，而且能够利用各单元的模块化特性，使拓展应用和冗余设计更加简便，增加了设计的灵活性和可靠性。

对于ISOP组合变换器，保证其稳定工作的关键是实现各模块的输入均压和输出均流。

• 有学者指出输出均流不能保证输入均压，而输入均压可以确保输出均流。
• 有学者提出了共占空比法控制策略，该策略仅在各模块参数完全一致时具有较好的均压效果，且各模块共用一个控制环路，系统的可靠性不足。
• 有学者提出了一种三环控制策略，引入输入均压环进行闭环控制，均压效果良好，但是需要采样较多的物理量，尤其是总输入电压的采样将导致电路设计复杂，不利于系统的简化。
• 有学者提出了一种基于输出电压上翘特性的无互联均压策略，实现了模块化设计，但是该策略会导致系统的电压调整率较差，不适用于对输出电压精度要求较高的场合。

针对上述问题，本文提出了一种基于两级结构的模块化ISOP组合DC-DC变换器及其均压控制策略。单个模块由开环定频LLC与闭环Buck前后级联连接。当多个模块输入串联工作时，各模块采样自身输入电压，并通过叠加反馈参考电压进行前馈控制，以实现输入均压。同时通过构造均压母线对各模块因参考电压抬升而造成的输出电压上漂进行补偿，改善输出电压的精度与系统稳定性。

由于工作在定频开环状态下的LLC变换器输出增益固定，输入电压与均压母线的采样环节均可等效地设计在后级Buck电路中，大大简化了系统结构，降低了电路设计的复杂性。本文对该级联结构的工作原理和均压控制策略进行了详细分析，并结合小信号模型分析了该策略下组合变换器的稳定性。最后通过仿真与实验对本文提出的模块化组合变换器及其均压控制策略的有效性和可行性进行验证。

图14 实验样机照片

总结

本文研究分析了一种以两级电路结构为单元组成的模块化ISOP组合DC-DC变换器，首先分别对单模块及组合变换器的工作原理进行分析，重点研究了组合变换器的输入均压控制策略，结合小信号模型对采用该策略的系统进行了稳定性分析，并通过仿真与实验对ISOP组合变换器及其均压控制策略的可行性进行验证。

仿真与实验结果表明，本研究提出的ISOP组合变换器及控制策略具有如下主要特点：

• 1）适用于高电压/宽范围输入，低压大电流输出的应用场合。
• 2）串联模块各自独立，模块化程度高，拓展性好。
• 3）采用输入电压前馈的同时引入均压母线进行补偿，使并联输出电压精度高，调整率好。
• 4）采样、控制与通信均在并联侧完成，无需额外的隔离采样等附加电路，简化了系统结构，具有较好的工程应用价值。