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1、直流变换器并联运行时的环流和振荡控制0 引言 多个开关电源模块并联是解决大功率供电系统的关键技术，它的优点是，可以灵活组合成各种功率等级的供电系统、提高了系统的可靠性、通过 N1 冗余获得容错冗余功率、可以热更换、便于维修等。原来应用于开关电源中的整流器二极管，由于效率较低，大部分已经被 MOSFET 代替。这样，在采用高效率 MOSFET 的同时，也产生了一些问题。 在同步整流器中的 MOSFET 相当于一个双向开关，它不仅可以通过正向的电流，也允许反向电流通过。 在同步整流器中，控制 MOSFET 的电路与 MOSFET 导通电路形成了交叉连接（cross-coupled）。这样一种电路的
2、拓扑与晶体管多谐振荡器很相似，也就是说，这种电路本身就可以形成振荡。 所以，模块并联运行时，由于各个模块输出电压之间的差异，会导致输出电压高的模块与输出电压低的模块之间产生环流，形成振荡。这样，输出电压低的模块不仅不对外提供电流，还吸收输出电压高的模块的电流；输出电压高的模块不仅要提供负载电流，还要提供其它模块的电流。因此，输出电压高的模块就会受到大电流的冲击；振荡会产生大的电压冲击；几个模块之间互相干扰，输出电压高的模块会抑制输出电压低的模块。 本文主要针对直流开关电源并联系统，通过对可能产生环流的结构进行理论分析，阐明了产生环流和振荡的原因和过程，并总结出几种有效解决环流的控制方法。 1
3、并联系统产生环流的分析 图 1 为两个采用自驱动同步整流的正激 DC/DC 电源模块的并联系统原理图。 图 1 两个正激电源模块并联系统 图 1 模块 1 中，S 1 是同步整流管，S 2 是续流管，L 1 是滤波电感，C 2 是滤波电容，R 是并联系统的负载。S 3 是 MOSFET 开关，控制变压器原边线圈的导通。C 1 和 D4 构成变压器原边线圈的续流回路。 由于 S1 代替了原来的二极管，使得原本只能单向导通的支路，允许反向电流通过。在并联系统中，当两个模块之间存在差异时，输出电压会有差值，这是导致整流回路出现环流的主要原因。 两个模块的输入电压相同，控制方式都相同，当其中一个模块的
4、参考电压较高时，这里假设模块 2的参考电压较高，就会导致 S7 的导通角要大于 S3，使模块 2 的输出电压较高。 这时，从输出端看，可以将两个模块分别等效为理想电压源与电阻串联的结构。如图 2 所示。 图 2 并联等效电路 从图 2 可以很明显地看出，当 Vout2Vout1 时，极有可能构成回路，产生环流。 2 产生自激振荡时的理论分析1 由于环流现象的存在，使得如图 1 所示的并联运行的电源系统会产生自激振荡现象。 根据开关状态不同，可以分为 4 个时段。 1）状态 1 S3 关断，S 1 关断，S 2 导通 此时模块 1 的等效电路如图 3 所示。图中 Lm 是变压器的励磁电感，C p
5、 是变压器原边等效到副边的电容值，S 1，S 2 和 S3 关断时分别等效成电容 CS1，C S2 和 CS3，V 2 是输出电压。 Cp=n2CS3（1）式中：n 为变压器变比。 图 3 等效电路 1 此时 vS2=0，加在 S1 两端的电压为 vS1=L m （2）iLm=(n2CS3C S1) （3）L 1 =V2（4）由于 S1 由导通到关断，v S1 的初值为零，可以得到 vS1(t)=iLm0Lmsin(t)（5）iLm(t)= vS1dti Lm0（6）iL1(t)= ti L10（7）式中：i L10 和 iLm0 为 iL1 和 iLm 的初始值。 = （8）当 vS1 减小
6、到零时，进入状态 2。 2）状态 2 S3 关断，S 1 导通，S 2 关断此时的等效电路图如图 4 所示。 图 4 等效电路 2 此时有 vS1=0。且 vS2=Lm （9）iLm=i L1(n 2CS3C S2) （10）vS2L 1 =V2（ 11）由于 vS2 的初始值为零，可以得到 vS2(t)= （12）iLm(t)= vS2dti Lm0（13）iL1(t)= vS2dt ti L10（14）式中： A2= （15）= （16）2=arctan （17）其中：i Lm0 和 iL10 为 iL1 和 iLm 在第二阶段的初始值； Ts 为单位时间。 3）状态 3 S3 导通，S
7、1 导通，S 2 关断此时的等效电路图如图 5 所示。 图 5 等效电路 3 V1/n 是变压器副边绕组的电压，此时 iL1 和 iLm 都线性增长。 iL1(t)= ti L10（18）iLm(t)= ti Lm0（19）4）状态 4 S3 关断，S 1 导通，S 2 关断此时的等效电路图和状态 2 是相同的，所有量的时间函数表达式也都相同，只是初始值不同。 3 仿真和实验结果 为了验证上述环流和振荡现象的分析结果，用 Pspice 对图 1 所示的两个自驱动的电源模块系统进行了仿真，并制作了实验模块。 仿真和实验系统的主要参数为：输入电压 60V，输出电压 5V，开关频率为 200kHz。
8、并使模块 2 单独运行时的输出电压略高于模块 1 的输出电压。 图 6 和图 7 分别为仿真结果和实验结果。其中 V1 为模块 1 中整流管 S1 源漏极之间的电压；V 3 为开关管 S3 源漏极之间的电压。 图 6 仿真波形 图 7 实验波形 仿真结果和实验结果表明，由于环流的存在，使得在并联系统中出现了自激振荡现象。 4 解决环流及振荡问题的几种措施 并联运行的电源模块出现环流和振荡后，会影响系统的正常工作。必须采取适当的措施避免环流和振荡现象的产生。可以采取如下措施。 4.1 电阻器法 在产生环流的回路中加入电阻器，这相当于增加了整个环流回路的电阻，可以减小环流。但是，所加入的电阻器在开
9、关电源的输出回路中，必然减小输出电压和电流。只有在对开关电源的输出要求不高时，可以使用本方法。 4.2 采用检测的手段加以控制消除 在各个开关电源模块中加入电流检测器，当某一模块的电流发生非正常变化时，将检测到的信号送到控制器，控制器通过控制电路使该模块恢复正常工作，防止环流现象的发生。 这种方法可以与均流控制相结合，在防止环流产生的同时，使电流在各个模块之间均匀分配。 4.3 改变整流 MOSFET 的驱动 4.3.1 改进自驱动5 图 8 所示为一自驱动同步整流模块。 图 8 自驱动的电源模块 电路在多模块并联运行时，当某一模块因某种原因停止输出电压时，由于其它模块仍在工作，且该模块输出端
10、与其它模块相联，故输出电压 Vout 仍然存在。这时虽然该模块不工作，但是由于结构上的原因，S 1 和 S2 的源极与漏极的电压为 Vds=Vout，栅极与漏极的电压为 Vgs=Vout，因此 S1 和 S2 都导通，从而将 Vout 短路，势必导致环流。 改进后的自驱动模块如图 9 所示。 图 9 改进自驱动的电源模块 S5 和 S6 是 P 沟道 MOSFET。当模块正常工作时，S 5 和 S6 只起驱动电压缓冲作用，不影响 S1 和 S2的驱动电压波形。当模块不工作时，虽然 Vout 仍然存在，但由于 S5 和 S6 的阻断，电压 Vout 不能加到 S1和 S2 的栅极上，而且由于电阻
11、 R5 和 R6，静电不会在栅极上积累，此时 S1 和 S2 的管脚电压为 Vds=Vout及 Vgs=0。因此，S 1 和 S2 都不会导通。这样便有效地改进了自驱动结构。 4.3.2 将自驱动改为他驱动 整流 MOSFET 的驱动不用自驱动，而用他驱动。将前面的单整流 MOSFET 结构按此方法修改后如图 10 所示。整流 MOSFET S1 的栅极接到 PWM 控制电路上，改变了原来的十字交叉（Cross-coupled）结构，避免了环流和振荡的产生。 图 10 他驱动方案 1将有两个整流 MOSFET 的自驱动结构改为他驱动后如图 11 所示。整流 MOSFET S1 和 S2 的驱动
12、信号由 PWM 控制电路提供，同样改变了原来的十字交叉结构，有效地避免了环流和振荡的产生。 图 11 他驱动方案 25 结语 在分析了直流变换器并联系统产生环流和振荡原因的基础上，提出了几种有效解决问题的方法。功率 MOSFET 并联均流问题研究引言随着电力电子技术的迅速发展，功率 MOSFET 以其高频性能好、开关损耗小、输入阻抗高、驱动功率小、驱动电路简单等优点在高频感应加热电源中得到了广泛的应用。但是，功率 MOSFET 容量的有限也成了亟待解决的问题。从理论上讲，功率 MOSFET 的扩容可以通过串联和并联两种方法来实现，实际使用中考虑到其导通电阻 RDS(on)具有正温度系数的特点，
13、多采用多管并联来增加其功率传导能力。1 影响功率 MOSFET 并联均流的因素在功率 MOSFET 多管并联时，器件内部参数的微小差异就会引起并联各支路电流的不平衡而导致单管过流损坏，严重情况下会破坏整个逆变装置。影响并联均流的因素包括内部参数和外围线路参数。1.1 内部参数对并联均流的影响影响功率 MOSFET 并联均流的内部参数主要有阈值电压 VTH、导通电阻 RDS(on)、极间电容、跨导 gm 等。内部参数差异会引起动态和静态不均流。因此，要尽量选取同型号、同批次并且内部参数分散性较小的 MOSFET 加以并联。1.2 外围线路参数对并联特性的影响MOSFET 并联应用时，除内部参数外
14、，电路布局也是一个关键性的问题。在频率高达 MHz 级情况下，线路杂散电感的影响不容忽视，引线所处电路位置的不同以及长度的很小变化都会影响并联开关器件的性能。影响功率 MOSFET 并联均流的外电路2 参数主要包括：栅极去耦电阻 Rg、栅极引线电感Lg、源极引线电感 Ls、漏极引线电感 Ld 等。在多管并联时一定要尽量使并联各支路的 Rg 及对应的各引线长度相同。2 Q 值对并联均流的影响在此引入 Q 轨迹3 把器件内部参数同其外围线路联系起来，分析线路中各种寄生因素对并联均流的影响。当 N 个功率 MOSFET 并联工作时，假设各支路的 Rg 完全相同，栅漏源极连线长度也各自相同。定义 Q
15、值如式（1）。Q=IGLx （1）式中：IG 为工作区内的平均栅极电流；Lx=Lss1Lss2Ld/N 其中 Lss1 及 Lss2 为外围线路电感。2.1 Q 值对器件工作状态的影响不同 Q 值下 IRF150 开通和关断时漏电流 iD 和漏源电压 vDS 曲线如图 1 中实线所示。而在Q=Q2， Ls/Lx 不同时，器件开关时 iD 与 vDS 波形如图 1 中虚线所示。从图 1 中实线可以看出，Q 值越大，换向时间越短，开通损耗越低但关断损耗增大；从图 1 中虚线可以看出在线路中引入源极电感，器件的开关轨迹发生很大变化，开通损耗增加而关断损耗减小。在高频情况下，器件的开关时间和开关损耗对
16、整个系统效率的提高至关重要。从上面的分析可知器件理想的工作条件应该是在相对较高的 Q 值下。以下基于不同 Q 值，通过仿真软件 PSPICE 分析外围线路中各种寄生参数对并联均流的影响。2.2 Q 值对双管并联均流影响的仿真分析图 2双管并联电路如图 2 所示。选用 APT 公司生产的 APT6013LLL 做为开关器件,其最高耐压为 600V，最大连续漏电流为 43A，输入电容 Ciss=5696pF，td(on)=11ns ，tr=14ns，td(off)=27ns ，tf=8ns，阈值电压平均值为 4V；驱动信号 vgs 是幅值为 15V 频率为 1MHz，占空比为 50的方波信号；外接直流电源VDD=100V；负载 R 为 2 的无感电阻；D 为续流二极管；Lg1=Lg2
