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1、开关电源并联系统的均流技术谢勤岚 陈红(中南民族大学电子信息工程学院 武汉 430074)陶秋生(武汉数字工程研究所 武汉 430074)摘 要针对目前有发展前途的开关电源并联系统,提出了开关电源并联的技术要求,简要分析了实现并联系统均流的基础原理,介绍了几种实现均流技术的方案。关键词 开关电源 电源并联 均流技术1 引言由于大功率负载需求和分布式电源系统的发展,开关电源并联技术的重要性日益增加,并联系统中,每个变换器只处理较小功率,降低了应力;还可以应用冗余技术,提高系统可靠性。但是并联的开关变换器模块间需要采用均流措施,它是实现大功率电源系统的关键。均流措施用以保证模块间电流应力和热应力的
2、均匀分配,防止一台或多台模块运行在电流极限值(限流)状态。因为并联运行的各个模块特性并不一致,外特性好(电压调整率小)的模块,可承担更多的电流,甚至过载,从而使某些外特性较差的模块运行于轻载,甚至基本上是空载运行。其结果必然是分担电流多的模块,热应力大,降低了可靠性。对若干个开关变换器模块并联的电源系统,基本要求是: 各模块承受的电流能自动平衡,实现均流; 为提高系统的可靠性,尽可能不增加外部均流控制的措施,并使均流与冗余技术 结合; 当输入电压和/或负载电流变化时,应 保持输出电压稳定,并且均流的瞬态响应好。2 均流的基本原理与其它电源一样,开关变换器如图1所 示的外特性(或称输出特性) V
3、o=f (Io) ,R为 开关变换器的输出阻抗,其中也包括这个开关变换器模块连接到负载的导线或电缆的电 阻。空载时,模块输出电压为Vomax。当电流 变化量为 I时,负载电压变化量为 V ,故 得该模块的输出电阻为R =V/I. 对模块来说,当电流增加了 I时,其输出电压降落了 V ,因此,此式也代表开关电 源的输出电压调整率。 由图1可见,开关变换器的负载电压V。 与负载电流Io的关系可用下式表达:Vo= Vomax- RIo.572003年第4期 舰 船 电 子 工 程 收稿日期:2002年12月17日,修回日期:2003年3月3日图1 开关变换器的外特性对两台相同容量,具有相同参数的开关
4、 变换器相互并联的情况,如图2 ,则有下式Vol= Vomax- R1Io1,Vo2= Vomax- R2Io2图2 两台并联的开关变换器及外特性R1、R2分别为模块1及模块2的输出阻抗(包括电缆电阻)。设RL为负载电阻,可解得:Io1= R2Vo1+ (Vo1- Vo2) RL/ Rx,Io2= R1Vo2+ (Vo1- Vo2) RL/ Rx.式中RX= R1R2+ RL(R1+ R2) .由图2可见,当负载电流为IL= Io1+ Io2时,负载电压为Vo,按两个模块的外特性斜率(即电压调整率)分配负载电流IL,斜率不相等,电流分配也不相等;当负载电流增大到IL= Io1+ Io2时,负载
5、电压为Vo。显见,模块1外特性斜率小(即输出阻抗小) ,分配电流 的增长量比外特性斜率大的模块2增长量更 大。如果能设法将模块1的外特性斜率(即输出阻抗)调整得接近模块2 ,则可使这两个 模块的电流分配接近均匀。 使模块1和模块2特性接近的方法有: 尽量使用性能和参数一致的器件,并使结 构和安装尽量对称; 使用反馈控制的方式,调整各个模块的外特性,使它们接近一致。 后者就是均流技术的基础。3 常用的均流实现技术通过调整各个并联模块的外特性,来实 现模块均流的技术方案有多种。这些实现包 括直接的和间接的均流方法,如输出阻抗法、 主从设置法、 母线均流法等。3. 1输出阻抗法输出阻抗法也称电压调整
6、率法,是一种 通过调节开关变换器的输出阻抗(即调节外 特性倾斜度) ,达到并联模块接近均流目的的 方法。 图3表示用调节输出阻抗的方法来实现近似均流的一个例子。图中,Rs为模块电流图3 输出阻抗法的一个例子的检测电阻,与负载电阻串联。检测到的电 流信号经过电流放大器输出VI(0 - 5V)电 压,与模块输出的反馈电压Vf综合加到电压 放大器的输入端。这个综合信号电压与基准电压Vr比较后,其误差经过放大,得到Ve, 控制脉宽调制器及驱动器,用以自动调节模 块的输出电压。当某模块电流增加得多,Vs 上升,Ve下降,使该模块的输出电压随着下 降,即外特性向下倾斜(输出阻抗增大) ,接近其它模块的外特
7、性,使其它模块电流增大,实67 舰 船 电 子 工 程 2003年第4期现近似均流。 这个方法是最简单的实现均流的方法, 本质上属于开控制,在小电流时电流分配特 性差,重载时分配特性要好一些,但仍是不均 衡的。在实现近似均流的同时,模块的电压调整率却变差了。3. 2主从设置法 这一方法适用于电流型控制的并联开关 电源系统中。所谓电流型控制是指开关电源 模块中有电压控制和电流控制,形成双闭环系统。电流环是内环,电压环是外环。 主从设置法是在并联的个变换器模块 中,人为指定其中一个为 “主模块”,而其余各 模块跟从主模块分配电流,称为从模块。图4给出2个DC - DC变换器模块并联的主从控制原理示
8、意图。图4 主从模块设置法控制原理示意图图中每个模块都是双环控制系统。设模 块1为主模块,按电压控制规律工作,另一个 模块为从模块,按电流型控制方式工作。Vr 为主模块的基准电压,Vf为输出电压反馈信 号。 经过电压误差放大器,得到误差电压Ve,它是主模块的电流基准,与VI1(反映主模块电流大小)比较后,产生控制电压,控制 脉宽调制器和驱动器工作。于是主模块电流 将按电流基准Ve调制,即模块电流近似与Ve成正比。各个从模块的电压误差放大器接成跟随 器的形式,主模块的电压误差Ve输入各跟随 器,于是跟随器输出均为Ve,它即是从模块 的电流基准,因此各个从模块的电流都按同 一Ve值调制,与主模块电
9、流基本一致,从而实现了均流。3. 3按平均电流值自动均流法 这一方法中,并联各模块的检测到的电 流经放大器输出端(如图中的a点) ,通过一 个电阻R ,接到一条公用母线上,该母线称为均流母线。 图5中画出了n个并联模块中一个模块 按平均电流自动均流的控制电路原理图。图5 平均电流法控制电路原理图图中,电压放大器输入为Vr 和反馈电 压Vf,Vr 是基准电压Vr和均流控制电压Vc 的综合,它与Vf进行比较放大后,产生Ve(电压误差) ,控制PWM及驱动器。VI为电 流放大器的输出信号,和模块的负载电流成 比例,Vb为母线电压。 对两个模块(n = 2)并联的情况,VI1及VI2分别为模块1和2的
10、电流信号,都经过阻值相同的电阻R接到母线b ,因此,当流入母 线的电流为零,可得下式:(VI1- Vb)/ R + (VI2- Vb)/ R = 0 ,或Vb= (VI1+ VI2)/ 2.即母线电压Vb是VI1和VI2的平均值,也代 表了模块1、 模块2输出电流的平均值。VI与Vb之差代表均流误差,通过调整放大器输出一个调整用的电压Vc。当VI=Vb时,电阻R上的电压为零,表明这时已实现了均流;当R上有电压出现,说明模块间电流分配不均匀,VIVb,这时基准电压将按下式修正:Vr= VrVc,相当于通过调整放大器改变Vr,以达到均流的目的。这就是按平均电流(即按)法实现自动均流的原理。3. 4
11、最大电流法自动均流这是一种自动设定主模块和从模块的方77总第136期 谢勤岚等:开关电源并联系统的均流技术 法,即在n个并联的模块中,事先没有人为设 定哪个模块为主模块,而是运行时,输出电流 最大的模块,将自动成为主模块,而其余的模 块则为从模块,它们的电压误差依次被整定, 以校正负载电流分配的不均衡。在图5中,若a、b两点间的电阻用一个 二极管代替(令a点接二极管阳极,b点接阴 极) ,形成如图6所示电路。这时均流母线上 的电压Vb反映的是并联各模块的VI中的 最大值。由于二极管的单向性,只有对电流最大的模块,二极管才导通,a点方能通过它 与均流母线相连。设正常情况下,各模块分 配的电流是均
12、衡的。如果某个模块电流突然 增大,成为n个模块中电流最大的一个,于是VI上升,该模块自动成为主模块,其它各模块为从模块。这时Vb= VImax,而各从模块的VI与Vb(即VImax)比较,通过调整放大器调整基准电压,自动实现均准。图6 最大电流法实现均流的一个例子4 均流实现技术比较上述四种均流技术,各有特点。下面对 它们作简单的比较。 输出电抗法,实现简单,但由于是开环控 制,使得电压调整率下降,为达到均流,每个模块必须个别调整;对于不同额定功率的并 联模块,难以实现均流。 主从设置法均流利用双环控制,提高了 均流效果,主要缺点是: 主从模块间必须有 通讯联系,使系统复杂。 如果主模块失效,
13、则整个电源系统不能工作,因此这个方法不 适用于冗余并联系统。 电压环的带宽大, 容易受外界噪声干扰。 平均电流法可以精确地实现均流,但具 体应用时,会出现一些特殊问题。例如,当均流母线发生短路,或接在母线上的任一个模 块不能工作时,母线电压下降,将促使各模块 电压下调,甚至到达其下限,结果造成故障。 而当某一模块的电流上升到其极限时,该模 块大幅度增大,也会使它的输出电压自动调节到下限。 最大电流法自动均流结合了主从设置法 和平均电流法的特点,但是,由于二极管总有 正向正降,因此,主模块的均流会有误差,而 从模块的均流则是较好的。最后应当指出,均流控制器的引入,将使 并联电源系统的动态过程分析更加复杂,但 如果不注意均流控制环的正确设计,将使系 统不稳定,或者使系统动态性能变坏。参 考 文 献1张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计M.电子工业出版社. 19992陈崇源.高等电路 M.武汉大学出版社.20003赵良炳.现代电力电子技术基础M.清华大学出版社. 199587 舰 船 电 子 工 程 2003年第4期
