Active Current Balancing for the Current-Sensorless Interleaved Boost Converter Under Severe Branch Asymmetries

在现代电子世界中，电力通常由被称为“转换器”的设备进行管理，它们充当着高效翻译的角色，将来自电源的电力调整为设备运行所需的精确电压。一种被称为“交错式升压转换器”的流行设计，通过将这项繁重工作的压力分配到两条并行的路径或分支上，从而实现负载分担。想象一下两名搬运工共同抬着重物：如果他们平分重量，就能移动得更快，且身体承受的压力更小。在这些电路中，这种平等的分配减少了组件的发热和损耗。然而，在现实世界中，没有哪两个分支是完全相同的。用于制造每个分支内电感器和电阻器的材料之间存在的微小差异，会导致其中一侧承担远多于另一侧的电流。这种不平衡就像一名搬运工在重压之下挣扎，而另一名则几乎未出力，这会导致过热并可能导致失效。传统上，工程师通过在每个分支上安装传感器来直接测量电流来解决这个问题，但这些传感器增加了系统的成本、复杂性和故障点。

因此，挑战在于如何在不需要这些额外传感器的情况下，让两个分支保持和谐运作。北伊利诺伊大学的一位研究人员提出了一种新方法，通过仅观察转换器的最终输出电压来实现这种平衡。其核心理念依赖于一个细微的细节：即使系统运行平稳，输出电压也不是完全稳定的。它会以一种快速、高频的模式上升和下降，产生波动。由于两个分支的开启和关闭时间略有不同，这些波动会在电压波形中产生微小且独特的峰值。研究人员发现，如果两个分支的电流不相等，这些峰值的高度就会有所不同。通过仔细测量输出电压并使用数学滤波器重建电路的内部行为，系统可以检测出这些峰值的差异。一个简单的控制回路随后会进行微调：它会稍微增加较弱分支的“开启”时间，并减少较强分支的“开启”时间。这种微妙的推动迫使电流趋于相等，而无需测量电流本身。

为了测试这个想法，研究人员对一个在困难条件下运行的两相转换器进行了详细的计算机模拟。该设置旨在模拟一种极端工业场景，其中两个分支中的组件存在显著的不匹配，其电气特性的差异高达百分之二十。模拟涵盖了广泛的工作条件，测试了当占空比（开关开启时间与关闭时间的比例）在低值到高值之间变化时，系统的表现如何。在每一个分支不平衡的场景中，未使用这种新平衡方法的系统都显示出严重的失衡，其中一个分支承担的电流几乎比另一个多出百分之四十。这种程度的不平衡通常会导致显著的效率低下和热量积聚。

当启用这种新的主动平衡方法时，结果发生了戏剧性的变化。在大多数测试的操作范围内，特别是当占空比在 0.45 到 0.60 之间时，系统成功地将电流失衡降低到了百分之一以下。在这些情况下，尽管底层硬件存在差异，两个分支几乎完美地分担了负载。该系统还对输出电容特性的变化具有鲁棒性，即使在电容内阻发生变化时也能保持平衡。至关重要的是，该方法在实现这种平衡的同时，保持了输出电压的稳定，确保了为设备供电的电力供应是持续稳定的。

然而，模拟也揭示了这种技术所能达到的极限。当占空比降至 程度 0.40 以下时，该方法的有效性开始减弱。在这些较低的范围内，电压波动变得如此之小，以至于被其他电噪声和组件的固有电阻所掩盖。峰值高度的差异不再能提供关于电流不平衡的清晰信号，失衡误差回升到了百分之十二到百分之二十三左右。这表明，虽然该方法对于广泛的标准操作非常有效，但它并不是适用于所有可能设置的通用解决方案。研究结果表明，对于这种特定类型的转换器，存在一个大约在占空比 0.40 左右的实际下限，低于此值，电压峰值与电流平衡之间的关系就会失效。

研究结论指出，只要系统在确定的边界内运行，这种基于输出电压的方法为实现无传感器电流平衡提供了一条可行的途径。该研究证实，利用输出端可获得的信息来纠正严重的硬件不对称是可能的。虽然目前的结果基于计算机模拟，但它们为未来的工作奠定了坚实的基础。接下来的逻辑步骤是构建一个物理原型，以观察该方法在面对现实世界的噪声和测量误差时的表现，并探索该技术是否可以扩展到具有多于两个并行分支的转换器。就目前而言，这项工作展示了一种清晰且优雅的方式，可以在无需额外硬件的情况下保持电气系统的平衡，将一个复杂的控制问题转化为通过仔细倾听电压本身来获取信息的过程。