（电力电子与电力传动专业论文）中小功率dcdc模块并联均流方案的优选及实现的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s ”a c i a b s tr a c t w h e nc o n s i d e r i n gp o w e re l e c 订o n i c ss y s t e mi n t e g r a t i o n ( p e s i ) ，w eh a v et od e a l w i t hp m l l e lo p e r a t i o no ft h ec o n v e r t e r s t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yf o c u s e so ns o m e k e yi s s u e si np a r a i l e lo p e r a t i o no fd c 仍cm o d u l e s i nl o wp o w e r l e v e la p p l i c a t i o n s ， t l l ed r o o pm e m o di sp o p u l a ru s e d b a s e do nt h ec o m p l e x i 吼m ec o s t ，n l em o d u l a r i 吼 t 1 1 er e l i a b i l i 吼a n dt h ec u r r e n t s h a r m gp e r f o m l a n c ee t c ad e t a i l e dc o m p a r i s o no n v a r i o u sc u r r e n t - s h a r i n gm e t l l o d si sp r c s e m e di nt h ed i s s e r t a t i o n i nt h em i d d l ep o w c r l e v e l a p p l i c “0 n s ， a c t h ec u r r e m s h a r i n gm 砒o di sd o m i n a t e d o u t e rl o o p r e g u l a t i o np l u sb a s i ca v e r a g ep r o g r a mm e t l l o d ，a sw o n a so u t e rl o o pr e g u l a t i o n p l u sa u t o m a t i cm a s t e rm e t h o d ，a r c 铆ow e l l - s e l e c t e dm e t h o d sf o rm i d d l ep o w e r1 e v e l a p p l i c a t i o n s i nt h i sd i s s e n a t i o n ，t i l es m a l i - s i g n a lm o d e la b o u tt l l e s et 、 l r om e t h o d si s p r e s e n t e d ，a 1 1 a l y s i so fc u r r e n t - s h a r i n ge r r o ra i l dv o l t a g er e g u l a t i o np e r f b m a n c e si s a l s od i s c u s s e d 皿es i m u l a t i o na n de x p e 血1 e n t a lr e s u l t sv e r 坶t h et h e o r e t i c a l a i l a l y s i s a t1 a s t ，1 a r g e - s i g n a ls 诅b i l 时a n a l y s i so fp a r a l l e l e dd c 仍cc o n v e 他r si s 晰e n yd e s c r i b e d k e y w o r d s ：p a r a l l e l ，c u r r e n ts h a r i n 舀d r o o pm e t h o d ，a c t i v ec u r r e n ts h 撕n gm e t h o d ， s t a b i l 埘 2 浙江大学硕士学位论文 第一章 第一章绪论 第一节课题研究的背景 现今的电力电子装置都是建立在分立的功率开关器件，控制电路，保护电路， 传感器咀及大型变压器，电抗器和大容量电容器基础上的，并且都是按照用户不 同的需求和用途来进行设计的，所以，一个装置的研制周期往往很长，成本高， 使用不灵活，同时耗费大量的手工劳动。这种电力电子行业的现状，决定了如果 不产生一种变革，很难达到为工业生产自动化提供便捷、高效、优质的电能转换 装置的目标。而电力电子系统集成带来了这样一场变革，通过系统集成，扩大电 力电子的应用场合，产生大量的新的应用领域。 电力电子系统集成应包含两个层次的集成：一个是模块级的集成，即电力电 子子系统集成，也就是将功率器件、电路元件、控制器、传感器及动作开关等集 成为一个完整的智能的电力电子子系统；另一个是系统级的集成，即电力电子实 际应用系统的集成，也就是通过串联、级联、并联将标准模块组成实际的电力电 子应用系统。图1 1 是一个典型的基于集成电力电子子系统的集成电力电子应用 系统的示意图”j 。图中的滤波器、a c d c 整流器、逆变器、d c d c 变流器均为智 能化、标准化的集成电力电子标准化模块，或基于电力电子标准模块的集成系统， 它们作为图1 1 所示的应用系统的子系统，再集成更高层次的应用系统。 圈1 1 基于集成电力电子子系统的集成电力电子应用系统的示意图 在系统级的集成时，需要考虑以下几个方面： 浙江大学硕士学位论文第一章 1 ) 标准模块的串联和并联技术。根据标准模块的输入、输出特性，研究多模块 的负载匹配或负载适应性以及系统的稳定性。 2 ) 软件集成技术。建立一套适合于电力电子系统的高速通讯总线、通讯协议和 能量传输母线技术。 3 ) 应用系统级的建模和仿真技术，可以预测、分析集成应用系统的性能。 4 ) 应用系统的电磁兼容设计，分析多模块系统的电磁兼容特性。 因此，当考虑到系统级的集成时，实际系统的搭建必然离不开模块间的并联。 与单个电源供电系统相比，并联电源供电系统有更多的优点，比如能够使系 统保持较高的可靠性，能够根据需要配置成冗余系统，能够实现电源容量的可扩 充性、实现大容量，能够实现高效、降低成本，能够实现电源的标准化和模块化 等等。具体而言： 高可靠性是指并联电源供电的系统可靠性要比采用单个大功率电源供电的 系统要高。如果采用单一电源供电，当该电源出现故障时，整个系统不能正常工 作。而在并联电源系统中，当一部分出现故障时，可以设法将故障部分隔离，使 其他部分仍然正常工作，这样就提高了系统整体的可靠性。 冗余性是指设n + n 台交流器模块并联，其中n 台用以供给负载所需电流，n 台为后备( 或称为冗余) 模块，当正在工作的模块出现故障时，除了可以将故障 部分隔离外，还可以将后备模块投入运行，这样正在工作的n 台模块中即使有n 台同时发生故障，电源系统也仍然能够保证提供1 0 0 的负载电流。除了使系统 增加容错冗余功率外，采用冗余技术，还可以实现热插拔( h o tp l u g i n ) ，即在 保证系统不间断供电情况下，更换系统的失效模块。 大容量是指输出采用并联的形式，用小功率电源模块构建大功率电源系统。 由于系统中每个电源模块只分担总的电源容量的一小部分，实现起来比较容易。 高效率包含两个方面的内容：一方面是，由于电源的效率通常是在最大功率 输出时最大，而在小功率输出时的效率较低，如果采用一个大功率电源，其在小 功率输出时的效率就比较低，但是如果采用并联电源供电系统时，可以在系统输 出小功率时，只让其中一部分模块工作，将其他的模块从系统中切除，不参与工 作，这样，工作的模块仍然具有较高的工作效率，这就可以使得并联电源系统从 小功率输出到大功率输出范围内都可以保持较高的工作效率；另一方面是，小功 率电源模块的开关管的损耗比较小，磁性元件的损耗也比较小，从整体上看，较 小的功率模块的整体效率比大功率的同类电源模块要高。综上所述，并联系统具 有较高的效率。 模块化是指把子模块进行标准化设计后，如果需要设计大功率输出的电源系 统，只需要把子模块进行并联，而不需要重新设计，针对不同的输出功率，采用 不同数量的模块进行并联，像搭积木一样根据电源的功率等要求进行组合，组成 浙江大学硕士学位论文 第一章 “积木式”智能化大功率供电系统，如图1 2 所示。 牵寓隆孛审审 图1 2 “积木式”供电系统示意图 第二节并联均流技术的概述 一、并联均流技术的提出及基本概念 虽然并联电源供电系统与传统的单一电源供电系统相比有很多明显的优势， 但是如果将各个模块直接并联的话，会存在一些问题，这些问题主要是用于并联 的各个模块外特性很难做到完全一致造成的。 由于误差的不可避免性和工艺水平的限制等因数，实际系统中参与并联的各 个模块，他们彼此的参数都会有些差别，这种差别只可能尽量缩小，却不可能完 全避免，另外，各个模块的参数还会随着时间和温度等外界因数的变化而发生变 化，这种外界因数导致的模块间参数的差别可能比模块本身固有的差别要大的 多。于是，如果将模块直接并联，由于各个模块外特性不一致，电压调整率小的、 外特性好的模块，承担电流较多，甚至过载；而某些外特性差的模块运行于轻载， 甚至基本上是空载。其结果势必是分担电流过多的模块，热应力变大，损坏的机 率上升，可靠性降低。例如，当电子元件温度从2 5 度上升到5 0 度时，其寿命将 大为降低，仅为2 5 度时的1 6 ，因此热应力大，寿命就要下降。当系统工作在 大负载情况下，如果各个模块输出电流不一致，则必然会导致其中输出电流最大 的模块首先达到模块的最大电流限制，引起系统的保护工作，进而导致系统不能 正常工作，影响了系统的可靠性。此外，在动态过程中，模块之间会出现更大的 输出电流不均衡现象，严重时甚至导致系统无法稳定工作。 因此，在多模块并联运行的系统中必须引入有效的负载电流均分策略和机 制，用以保证模块间电流应力和热应力的均匀分配，防止一台或多台电源模块运 行在电流极限值( 限流) 状态。 浙江太学硕士学位论文 第一章 一个实际应用系统可能需要两个或是多个模块并联工作才能完成输出功率 上的要求，需要各个模块能够根据各自的功率等级平均分担负载电流，通俗的 说，就是使每台电源的输出电流按功率份额均摊，即均流。 均流性能一般用不平衡度这个指标来衡量，不平衡度越小，均流性能越好， 即各个模块实际输出电流值距系统要求值的偏离点和离散性越小。国家有关标 准和信息产业部入网要求其均分负载不平衡度不大于输出额定电流值的5 。按 照通信用半导体摧流设备标准中描述的不平衡度，计算方法如下： 点= ( 墨一足) l o o 疋= ( 墨一臣) x l o o 最= ( k 一置) 1 0 0 k = i 陧i h k l = i | i h l 鞋= i l | i h l k 。= j ， i h ， 式中，、l 厶表示各整流模块所分担的输出电流值； ，、：i 。表示各整流模块额定输出的电流值； ，表示n 台整流模块输出电流总和； 表示n 台整流模块输出电流额定值总和。 对于两个模块并联的简单系统，采用下面的均流误差的概念脚： ：型1 0 0 l i + k 式中，l 。、l ：表示两个模块的输出电流。 对于多个模块并联的应用系统，基本要求是： 1 ) 各个模块承受的电流能自动平衡，实现均流； 2 ) 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； 3 ) 当负载电流变化时，应保持系统稳定，这种稳定包含两个方面，一个是电压 环的稳定，即输出电压不振荡；另一个是均流环的稳定，即每个模块的输出 浙江大学硕士学位论文 第一章 电流不振荡； 4 ) 对于有均流母线的均流方案，其均流环带宽不能设计得太大，应考虑噪声干 扰问题； 5 ) 对寄生参数敏感度低。 总结起来可以概括成两个主要方面：一是均流效果好，包括稳态效果和瞬 态效果；二是并联系统要稳定，包括电压环稳定和均流环稳定。 二、现有的并联均流控制方法 从目前国内外对均流技术的研究看，在并联系统中，实现均流控制常用的几 种并联均流技术有：输出阻抗法、主从设置法、平均电流自动均流法、自动主从 控制法、热应力自动控制法和外加均流控制器均流法【3 _ 1 7 】。 1 、输出阻抗法 输出阻抗法在有的文献里也称为电压调整率法，是一种通过改变并联模块的 外特性斜率来实现均流的一种方法。图1 3 为输出阻抗法实现近似均流的一个实 例。图中，足为检测模块输出电流的采样电阻。采样所得的电流信号经过电流 放大器处理得到k ，与模块输出的反馈电压一共同加到电压放大器的输入端。 这个综合的信号与电鹾基准电压砟比较后，所得误差经过放大得到t ，控制p 删 调制器和驱动器，进而自动调节模块的输出电压。当某个模块电流增加得多，k 上升，k 下降，于是模块的输出电压随着下降，即外特性向下倾斜，接近其他模 块的外特性，使其他模块电流增大，实现近似均流，但同时，该模块的电压调整 率却变差了。 圈1 3 输出阻抗法示意图 2 、主从设置法 这种方法适用于电流型控制( 即有电压环和电流环双环控制) 的并联开关 浙江大学硕士学位论文 第一章 电源系统中。 主从设置法是在并联的n 个变流器模块中，人为的指定其中一个为主模块， 而其余的各个模块为从模块，从模块电流是跟随主模块电流进行分配的。如图 1 4 所示。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，模块2 为从模块，按电流控制方式工作。e 为主模块的基准电压，以 为输出电压反馈信号，通过电压误差放大器得到误差信号e ，他是主模块的电流 基准，与k ，比较后，进而产生控制电压k ，于是主模块电流将按照电流基准e 调制，即模块电流近似与矿成正比。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t 输入跟随器，于是跟随器输出e ，成为从模块的电 流基准，因此，从模块也是按照e 进行调制的，从而各个模块实现了均流。 图1 4 主从设置法示意图 燕摸块 从模虢 3 、平均电流自动均流法 这种方法要求并联的各个模块的电流放大器输出端各自通过一个相同阻值 的电阻接到一条公用母线上，该母线称为均流母线( c u r r e n ts h a r i n gb u s ) ，如 图1 5 所示。图中，电压放大器输入为和反馈电压，巧是基准电压一和均 流控制电压k 的综合，它与进行比较放大后，产生误差电压k ，k 为电流放 大器的输出信号，圪为均流母线电压。k 与k 之间的差别就是均流误差，通过 调节放大器输出一个调整用的电压k ，这是基准电压被吒修正成新的基准r 从而达到均流。 浙江大学硕士学位论文 第一章 图1 5 平均电流自动均流法示意图 4 、自动主从控制法 这种方法又称为最大电流法自动均流。是一种自动设定主模块和从模块的方 法，即并联运行的模块中，输出电流最大的模块自动成为主模块，其他模块成为 从模块，只要将图1 5 中电阻r 换成一个二极管就可以实现自动主从控制了。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，均流母线上电流和主 模块电流一致。模块之间的电压误差依次被整定，从而校正负载电流的不均匀分 配现象。 5 、热应力自动控制法 这种方法按每个模块的电流和温度( 即热应力) 自动均流，模块负载电流经 过检测处理后，输出一个低带宽电压k ，且满足式子：k = 加w ，其中k ，q 为 常数，t 与模块运行温度成正比，i 为模块平均输出电流。因此每个模块的电流 和温度决定了模块闯的均流程度。电源系统中各个并联模块在系统中位置不同， 散热情况不一样，结果有的模块温度比较高，有的模块温度比较低，按热应力自 动控制法设计均流电路时，不需要考虑模块在系统的布置情况。另外，因为回路 频带较窄，对噪声敏感度比较低，所以设计时也无需考虑电源对噪声的屏蔽问题。 6 、外加均流控制器均流法 这种方法应该在每个模块的控制电路中都加入一个特殊的均流控制器，如图 1 6 所示，s c 就是外加的均流控制器，用来检测并联的各个模块电流不平衡的状 态，输出r 经过电压放大器，控制p w m 及驱动器，从而实现均流。均流控制器的 外加，必然使并联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，将使系统出现不稳定现象，或者使整个系统的动态性能变坏。 浙江大学硕士学位论文第一章 图1 6 外加均流控制器均流法示意图 三、并联均流控制方法小结 对于现有的均流方法，它们都有各自的优缺点，如何选择合适的均流方案必 须系统地对这些方法进行比较分析。根据各个并联模块间是否存在互相联系，可 以将现有的一些均流方法分为两大类：下垂法( d r o o p t h 。d s ) 【1 0 【1 3 和有源法 ( a c t i v ec u r r e n ts h a r i n gm e t h o d s ) 【1 4 】 1 ”。不采用均流母线( c u r r e n ts h a r i n g b u s ) 、模块之间没有联系的均流方法，称之为下垂法，如图1 7 ( a ) 所示，采 用均流母线、模块之间存在相互联系的均流方法，称之为有源法，如图l7 ( b ) 所示。 聪澈母线蠹滚璐线 圈1 7 ( a ) 下垂法示意图( b ) 有源法示意图 1 、下垂法 下垂法的基本出发点是利用输出电压随输出电流的增加而下降的特性，通过 控制和改变输出阻抗，达到均流目的。它是一种最简单的自动均流方法，不需要 模块之间的控制线，模块化特性好，它依靠自己内部的输出阻抗，或者外加的阻 抗来保证模块问负载电流的相对均分，它可以通过多种具体方案来实现【“】i ”】， 比如外接电阻，输出电流反馈，变增益方法等。由于它实际上是一种自身调节的 控制技术，因此不会存在稳定性的问题。这种方法的主要缺点是，当均流性能要 求高时，负载调整率比较差：当模块的电压稳定性要求很高时，均流性能比较差。 因此，由于上述的这些特点，使得下垂法不适合应用在高功率、高性能的场合， 浙江大学硕士学位论文 第一章 但是由于其简单性，该方法在小功率场合被广泛应用。 随着处理器( c p u ) 及数字芯片的快速发展，对给他们供电的v r m ( v 0 1 t a g e r e g u l a t o rm o d u l e ) 性能提出的要求也越来越高。为了达到高可靠性的目的，需 要将多个v 蹦模块并联起来供电，同时为了保证较好的瞬态响应，v r m 模块中d r o o p 法的应用是十分普遍的，这种d r o o p 控制在v 蹦中被称为a v p ( a d a p t i v ev o l t a g e p o s i t i o n i n g ) 方法【1 8 】【2 ”。虽然d r 0 0 p 控制可以达到一定的均流效果，但是仍旧 无法满足v 脚的要求，因此还需要一个特定的均流电路来提高v 州模块间的均流性 能。于是，一种新型的针对v 跳的均流方案被提出来，称为有源d r o o p 法 ”，它 可以看作是下垂法中扩展出来的一种新方案。 2 、有源法 有源法一般由两部分组成，即控制方法和均流母线。并联模块先通过不同的 均流母线形成方法产生均流母线然后用定的控制方法来实现均流。控制方法 主要是用来调节各个模块的输出电压，按照均流环与电压环的相对位置的不同， 可以将控制方法分成四大类，即内环调节( i n n e rl 0 0 pr e g u l a t i o n ) 、外环调节 ( o u t e rl 0 0 pr e g u l a t i o n ) 、双环调节( d u a ll 0 0 pr e g u l a t i o n ) 和外控制器法 ( e x t e r n a lc o n t r o l l e r ) ；均流母线主要是用来获得各个模块之间输出电流的误 差信号，提供各个模块的电流基准，按照从各个模块的输出电流信息中产生均流 母线信号方法的不同，可以将均流母线分成两大类，即平均法( a v e r a g ep r o g r 锄 m e t h o d ) 和主从法( m a s t e rs l a v em e t h o d ) 。图1 8 是一个通用的有源法的原理 方框图，五( j ) ，( j ) 瓦( s ) 代表运放的传递函数，基准电流( “，：0 ) 由各个模块的输出电流通过权系数喁，和届，屈风处理得到。 各个模块的输出电流与基准电流做比较得到各个模块的误差信号，这个误差信号 加入到调整放大器的输入端，放大器的输出( 。，：) 用于调节各 个模块的电压外环参考值或是调节各个模块的电流内环基准值，前者得到外环调 节，后者得到内环调节。如果q ，都相等，且等于1 n ，并且屈，岛 风与各个模块的输出电流能力成正比，那么图1 8 代表的是平均法。如果q ， 中一个为1 ，其余都等于o ，并且届，屈风与各个模块的输出电 流能力成正比，那么图1 8 代表的是主从法。 采用有源法进行均流时，模块之间的电流误差比较小，均流精度比较高，负 载调整率改变不大，但是由于这种方法采用闭环控制技术，因此存在稳定性问题， 同时，由于模块间存在控制线，因此该方法对噪声的敏感度比较高。由于上述的 特点，使得有源法多应用于对均流性能要求较高的中大功率场合。 断汀k 学嗣士学位诧文 图1 8 有源涪壕理圉 第章 下垂法手有源法这两人类还可以根据控钮电路的其体结构和并联模块问连 接方式的不同继续细分，如图19 所示。 目lg 均流万法分娄哐图 在中功率场合，对于大量有源法的均流方案，文献 1 在理论上进行_ r 比较 刊分析。归纳总结如下，如袁1l 所示。其中0 代表外环调节，l l k 代表内环 调节，d i r 代表双环调：饥a m 代表自动法，b a p 代表基本平均法，d m 代袭指定法。 新江大学硕士学位论文第一章 表1 1 有源法的各种均流方案优缺点比较 优点缺点 o l r + a m ( 外环调好的容错性能 主从方式交替的问题 节+ 自动主从法) 好的抗干扰性能 需要偏置电压解决交替问题， 集成的商用芯片引起均流误差 差的动态性能 o l r 十b a p ( 外环调 无主从方式交替问题差的容错性能 节+ 基本平均法)均流精度高 需要额外的开关断开有问题模 块的均流母线 o l r 十d m ( 外环调 无主从方式交替问题差的容错性能 节+ 指定主从法) 简单 方案存在一定的缺陷 l l r + a m ( 内环调 好的容错性能抗干扰能力差 节+ 自动主从法) 均流性能好，尤其在平均电 流模式控制下 i l r + b a p ( 内环调均流精度高 差的负载调整率 节+ 基本平均法)抗干扰能力差 i l r + d m ( 内环调 均流性能与i u t 十a m 一样差的容错性能 节+ 指定主从法) 抗干扰能力差 d l r ( 双环调节法) 可以获得宽的均流环带宽 需要额外的电压调节母线 电压环和均流环节相互独 电压调节母线对噪声敏感，尤 立，方便设计其是电压环带宽比较宽的时候 更好的电压调整特性和好的 均流特性 综上所述，可知，i l r 控制方法更适合用在多相交错并联的系统中，由几个 小功率模块组合成一个大的模块这种场合。d l r 控制方法适合一些需要好的动态 均流特性的场合。这两种控制方法母线容易受到干扰，并且母线中包含了丰富的 电压补偿环节的高频信号，所以不适合通用的场合，特别是各个模块距离较远、 需要连接的母线比较长的场合。而相对来说，0 l r 控制方法在应用上是属于比较 通用的。从表l _ 1 中可知，o l r + b a p 和o l r + a m 的方案又是o l r 控制方法中比较 优选的方案。 鉴于前面的分析，本文在接下来的章节中在小功率场合对下垂法中的几种方 案进行理论分析、仿真计算和实验验证；在中功率场合对有源法中的几种方案进 行理论分析、仿真计算和实验验证。图1 9 中用深色标注的方案将是本文后面章 浙江大学硕士学位论文第一章 节的研究重点，包括外接电阻法、输出电流反馈法、有源d r 。o p 法、0 l r + b a p 法 和o l r + a m 法。 第三节选题的意义及主要研究内容 一、本文选题的意义 根据前面对现今d c d c 模块并联均流技术的回顾，可以知道，要找到适合所 有应用场合的均流方案是不可能的，对一种应用场合总有一个优选的均流方案， 因此，要进行均流方案的优选，必须是在一定条件下进行的，否则进行比较优选 是没有意义的。经过对大部分应用系统进行调查、划分和归纳，确定一定的指标， 然后根据一定的权数来综合评定均流方案的优劣。 这些指标主要是以下几个方面： 1 ) 均流方法的复杂性 2 ) 搭建均流电路的成本 3 ) 模块化程度 4 ) 可靠性 5 ) 均流性能 对于优选出的均流方案，为了可以更好的应用于实际系统中，有必要对它们 进行系统的建模，从理论上对它们的各方面性能进行分析，包括稳定性、均流动 态误差和稳态误差、均流电路的加入对负载调整率的影响等。 二、本文主要研究内容 本文主要围绕d c d c 模块并联均流时出现的一些问题进行分析。首先在小功 率均流方案的优选方面做了初步的分析和实验，其次在文献 1 的理论研究基础 上，对中功率并联均流方案的优选进行实验验证，对优选出的两种均流方案进行 了深入的研究，包括小信号建模、特性分析和稳定性的实验验证。最后对并联系 统大信号稳定性问题做了初步探讨。论文主要包括以下几部分： 第二章主要研究小功率均流方案。对串电阻法，输出电流反馈法，有源d r o o d 法三种比较常用的下垂方法进行理论分析和实验比较。 第三章主要研究中功率均流方案。对0 l r + b a p 和0 l r 圳两种比较优选的方 案进行系统的理论分析和实验验证，包括两种方案的小信号建模、均流动态 误差及稳态误差的理论仿真分析、均流电路的加入对负载调整率的影响分析 和稳定性方法的实验验证。 浙江大学硕士学位论文第一童 第四章对并联系统大信号稳定性问题做了初步探讨。 第五章对已做工作做一个小结，对下一步工作提出展望。 参考文献 1 张军明，中功率d c d c 变流器模块标准化若干关键问题的研究 d ，浙江大学博士学位 论文，2 0 0 4 2 】b r i a l ltl r v 访岛m i l 眦m - j 0 v a i l o v i c ，a n a l y s i s ，d e s i g n ，加dp e r f o r n l a l l c ee v a l u a t i o no f d r o o p c 1 1 r r 髓t - s h a r i n g m e m o d ，m ：p r o c e e d i n g so f m e e - a p e c ，2 0 0 0 ，v 0 1 1 ：2 3 5 - 2 4 1 3 张占松，蔡宣三，开关电源的原理与设计，电子工业出版社，2 0 0 4 4 刘胜利。现代高频开关电源实用技术，电子工业出舨社，2 0 0 1 【5 】s h 咖ol u o ，z h i l l o n gy e ，r a y - l e e 胁，f r e dc l e e ，ac l a s s i f i c a t i o n 柚de v a i u a t i o no f p a m l l e l i n gm e m o d sf 研p o w e rs u p p i ym o d u l e s ，m ：p r o c d i n g so f e e - p e s c ，1 9 9 9 ，v 0 1 2 ： 9 0 l - 9 0 7 嘲c l 珂j 锄e r s o n ，t 0 n yl o n g c h a r i e sm u l l e t ，s e v 饥w a y st op a r a l l e lam a g 吼p ，h ： p r o c e e d i l 】g so f l e e e - a p e c ，1 9 9 3 ，v 0 i 1 ：4 6 9 - 4 7 3 【7 】z y e ，d b o r o y 刚c h ，k x i l l g ，f c l e e d e s 咖o fp 啪l l e ls o u r c e s 血d cd i s 打i b u t e dp o w e r s y s t 哪sb yu s i n gg a i l l s c h e 血h n gt e c h n i q u e i e e ep o w c re l e c 廿o n i c ss p e c i a l i s t sc o n 触n c e ， p p l 6 1 - 1 6 5 【8 】j ，wk j m ，h s c h 吐b _ h c h o an 。v e ld m o pm 咖o df o r 廿1 ec o n v c r t e rp a r a l i e lo p e r a 矗o d ， i e e ea p p l i e dp 0 w e re l e c 竹o n i c e sc 彻f e r e n c ea n de x p o s m o n p p 9 5 9 9 6 4 9 】c _ j a m e r s o n 拙dc m u l i e 牡，p a r a l l e l i l l gg u p p l i e sv i av 盯i o u sd r 0 叩m e t h o d s ，h i g h f r e q u e n c y p o w e rc o n v e r s i o nc 0 n ( 卸即c ) p r o c p p ，6 8 7 6 ，1 9 9 4 1 0 】j o b ns g 1 舔e r ，a i 也1 l rfw h l s k j ，0 u 印u tp i 锄ea n a l y s i s 。fl 0 a d - s h a r i i l gi 1 1 m u n i p l e m o 血l ec o n v e r t e rs y s t e m s ，i e e et 觚o np o w e re l e 咖n i c s ，1 9 9 4 ，9 ( 1 ) ：4 3 - 5 0 【l l 】j i l i l g _ w o nk i m ，h a 弩s e o kc h o i ，b oh y 岫gc h o ，an o v e ld 0 pm e m o df o rc o n v 盯怃r p a r a l l e lo p e r a d o n ，i e e et r a n s o np o w e re l e c t n i c s ，2 0 0 2 ，1 7 ( 1 ) ：2 5 - 3 2 【1 2 】z h l 血o n gy e ，d u s h 勰b r o y e v i c h ，k u nx 缸g ，f r e dc l e e d e s i 盟o fp 盯a u e ls d u r c e si nd c d i s 曲u t e dp o w e rs y s t e m sb yu s 吨g a m - s c h e d u l j n gt e c h n i q u e ，h l ：p r o c e e d 啦so f e e p e s c ， 1 9 9 9 v o l - 1 ：1 6 1 - 1 6 5 【1 3 】z m o u 3 s a o 吐i b 雏鹏e h ，h e l l r y 乙e e ，c h e s t e rk e l l l l e d y ，a o v e r v i e wo f m ec o n t r o ls c h e m e f b rd i s 缸b u t e dp o w e rs y s t e ! 毗s ，i l l ：c o n f e r e n c er e c o r do f e e s o u n l c o n 1 9 9 6 ：5 8 4 5 9 l 1 4 v 沁s e p h 髓o t c i l v e l i l ，g e o 瑁ec v e r g h e s e ，吼j b i l 姆a n a l y s i so f p a m l l l e dd c d cc o n v e n e r s w i ma n i v ec u r r e ms h a r i h 岛i n ：p r o c e e d i n g so f i e e b p e s c ，1 9 9 6 ：1 0 8 0 1 0 8 6 1 5 】yp a l l o v j r a j a g o p a l 锄，r c l e e ，a n a i y s i s 柚dd e s i 印o fnp a 蹦l e ld c - d cc o n v e r c e r s w 油m a s t 盯_ s 1 a v ec u r | 吼t - h 撕gc 0 n 廿o l ，i n ：p r o c e e d i n g so f 哑_ a p e c ，1 9 9 7 ：4 3 6 4 4 2 1 6 】c j 啪e r s o na n dc ，m u u 毗p a r a n 曲gs u p p l i e sv i a 恻0 1 l sd r o 叩m 锄o d s ，h i 咖f r e q u e n c y 1 3 塑兰查兰堡主兰堡笙墨 苎：空 p o w e rc o n v e r s i o nc o n f ( 蜘叩c ) p r o c p p 6 8 - 7 6 ，1 9 9 4 1 7 郭海军，高频开关电源并联均流技术的研究，西南交通大学研究生学位论文，2 0 0 2 【1 8 】m 妇w a l t e r s ，c 肼e n ts h a r i n gt e c h i l i q u ef o rv r m s ，m t e r s i lc 唧。例叻t e c h n i c a lb 打e e t b 3 8 5 1 1 9 】娅p 柚o va 1 1 dm i l a l lm - j o v a n 0 v i c ，s t a b i l 时a n dd y n a m i cp 酬h 瑚a n c eo f c u n p n t - s h a 血g c o n 廿o lf o r 酬】e l e dv o h a g e r e g u l a t o rm o d i l l e s ，i e e e1 h 璐， 。np o w e re l e c 旺o n i c 2 0 0 2 3 ，p p l 7 2 - 1 7 9 【2 0 】r e d l ，r e r i s m a n ，b p z a n s k y z ，o p t h i z i n gt h e 1 0 a dt r 柏s i e n tr e s p o n s eo fm eb u c k c o n v e 眦a p e c l 9 9 8 ，p p l 7 0 1 7 6 口】c h i c k 锄e n a l a l l s a ，m a h a d e v a ns ，s t a n f o r de ，m e r l e yk e f i to f t a 毽e ti m p e d a n c ea n d c o n 打o l l 0 0 pd e s i g n 伽v r ms t a b i l j 劬a p e c 2 0 0 2 ，p p l 9 6 2 0 2 2 2 】w e i l 叩gq j n ；动谢a n gl i 醐g ；p r a c d c a l 如s j g nc o n s i d 盱鲥。珊o f c 哪h ts h 曲gc 伽们jf o r p a r a l l e l u “a p p l i c 蚵0 n g ，a p p l i e dp o w e re l e c t r o n i c sc o n 衔e n c e 柚de x p o s h 2 0 0 5 a p e c 2 0 0 5 t w e n t i e 也a m m a i 正e e v 0 1 1 e1 ，6 1 0 m 锄i c h2 0 0 5p a g e ( s ) ：2 8 1 2 8 6v o i i 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章 第二章小功率d c d c 模块并联均流方案的优选 第一节两模块直接并联的建模 并联是分布式电源系统( d i s t r i b u t e dp o w e rs y s t e m ，d p s ) 子系统集成的 一种基本方式，如图2 1 所示。从理论上说，分布式电源系统的构成可以有串联、 并联以及串联和并联混合等方式，不过实际应用中通常只是对电源的输出电流要 求很高，而对输出电压的要求并不高，因此，相对而言，并联电源系统得到了更 广泛的应用。最简单的并联结构只包含两个子系统，如图2 2 所示，后文的研究 主要针对两个子系统并联的情况。本节将建立并联电源系统小信号模型，并给出 一些常用传递函数的定义。 + 匕 图2 1n 个模块井联框图圉2 22 个模块并联框图 一、单独的d c - d c 变流器小信号模型 d c d c 变流器简化电路框图如图2 3 所示，图中，为输入电压，毛为输入 电流，k 为输出电压，乞为输出电流，d 为占空比信号，为参考电压。电压、 电流和占空比等均可用其稳态分量和交流小信号分量之和来表示： 浙江大学硕士学位论文 第二章 = 。+ i 。，= i 。，+ t 。 k = k + i 。= i ，一i 。 d = d + d = + w 式中，。，厶，圪，。，d ，吒，为稳态分量，也称为稳态工作点， v 口，d ，v 。为交流小信号分量，即扰动量。应用状态空间平均法、电路平 均法等常用的建模方法，可以建立出变流器的小信号模型如图2 4 所示。将， j = ，0 看作输入量，而，_ ；：为输出量。 主电路频域内的小信号模型表示如下： _ ! ：= 2 o 蛩+ 毛蹬+ ? ( 2 _ 1 ) i = 瓦0 ) + 吒0 ) f o + g i ( d d 控制电路模型如下： d = ( 一墨心) 4 0 ) ( 2 2 ) 其中：g 0 ( 0 为输出电压一输入电压开环传递函数 z 。( j ) 为开环输出阻抗 g 0 0 ) 为输出电压一控制传递函数 0 ) 为开环输入导纳 吒( s ) 为输入电流一输出电流传递函数 g 0 ( s ) 为输入电流一控制传递函数 e 为电压检测比例 4 ( s ) 为电压误差放大器传递函数 e 为p w m 传递函数 根据( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可得d c d c 变流器控制框图如图2 5 所示。 浙江大学硕士学位论文第二章 图2 3d c 他变流器简化电路框图图24d c d c 变流器小信号框图 二、并联电源系统小信号模型 对于并联系统，假设输入电压无扰动，且省略( 2 一1 ) 中输入电流的部分 得到单个变流器的小信号模型表示如下： i k = z 此o ) + g 0 ( s ) d 1 含：( 西一茸) 4 ( 曲 于是闭环系统的输出电压挛成：= 墨奄竿若爱案訾 令瓦= g ，。( j ) 一。( s ) - 岸，l ，称为电压环环路增益，则 = 等等_ ；= + 矗去荡。且鲁乎= ( s ) 称为闭环输出阻抗。 图2 5d c d c 变流器小信号原理图 图2 6 两模块直接并联的小信号原理图 1 7 浙江大学硕士学位论文 第二章 于是两个模块不如任何均流措施直接并联的小信号模型如图2 。6 所示；为了 简化表达，后文中的小信号等效图和等式中都省略了括号中的s 。根据文献 1 可知单个变流器主功率部分可以由受控电压源g 。d 和输出电阻瓦串联来等 效，于是图2 6 可以等效成比较直观的小信号原理图2 7 。图2 7 中，g 。d 的 值由参考电压与反馈回来的输出电压来决定，乙是变流器电压环开环时的 输出阻抗，如果是电流模式控制的变流器的话，互，代表的是电流环闭环、电压 环开环的输出阻抗。 图2 7 两模块直接并联的直观的小信号原理图 第二节下垂法原理及实现思路 模块并联需要均流的根本原因是模块参数的不致，每个d c d c 模块都有各 自相应的输出特性曲线，而本质原因是由于d c d c 模块输出是电压源性质，输出 的稍微的一点偏差可以导致输出电流的很大差别。d c d c 模块稳态输出直流电 压，则单个模块的输出电流取决于该模块的等效空载电压和输出电阻的大小，于 是，参与并联的每个模块都可以等效成一个电压源k ，。( 代表空载电压) 和一 个闭环输出阻抗z c 。，的串联，j 乙，为模块并联时输出到负载的连接电缆的电阻。 两个模块并联如图2 8 所示，由图可以得到： 浙江大学硕士学位论文第二章 驴一一警l + 譬p ：咆吲 【v 0 = v 。2 一一( z 2 + 屹6 2 ) - 2 设z 阿= + ，= l ，2 ，为变流器的等效输出阻抗。如果两模块的参 数完全相同，即k t 一= v d ：一，z