（电力电子与电力传动专业论文）基于平均电流模式控制的改进式自主均流法研究.pdf

华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h ed i s t r i b u t e d p o w e rs u p p l ys y s t e m s a n dt h e r e q u i r e m e n to fh i g hp o w e ro u t p u t ，t h er e s e a r c ho np a r a l l e l e dc o n v e r t e rh a sb e c o m e o n eo ft h ef o c u s e si ns m p s t h ea p p l i c a t i o no fp a r a l l e l i n gm o d u l e sa c t u a l l yb r i n g s l o t so fb e n e f i t sl i k em o r ec a p a b i l i t y ，m o r er e l i a b i l i t ya n dm o r ef l e x i b i l i t y a n dt h e c u r r e n ts h a r i n gt e c h n i q u eh a sb e c o m et h ek e yt or e a l i z et h ea d v a n t a g e sf o rp a r a l l e l p o w e rs y s t e m t h ec o n v e n t i o n a la u t o m a t i cc u r r e n ts h a r i n gm e t h o dc a na c h i e v el o a ds h a r i n g a c c u r a t e l y a t s t e a d ys t a t e ，b u td u r i n g t h el o a dt r a n s i e n tt h eo u t p u tc u r r e n t so ft h e m o d u l e sa r en o te q u a l l yd i s t r i b u t e db e c a u s eo ft h el o wb a n d w i d t hv o l t a g el o o p t o a v o i dt h eu n f a v o r a b l es i t u a t i o n w et r yt ou s et h ec u r r e n t m o d ec o n t r o li n s t e a do ft h e c o n v e n t i o n a lv o l t a g e m o d ec o n t r o li nt h em o d u l e a n dd e v e l o pt h es h a r i n gs t r u c t u r e b yi n j e c t i n g t h e c u r r e n t s h a r i n gs i g n a l i n t ot h ei n n e rc u r r e n t l o o p t h u s ，t h e b a n d w i d t ho ft h ec u r r e n t s h a r i n gc o n t r o li sn o tl i m i t e db yt h ev o l t a g el o o p ，a n di t r e d u c e st h ec u r r e n tu n b a l a n c ed u r i n gt h et r a n s i e n ts t a t ea n da v o i d st h ef a u l ta l a r mf o r t h ec u r r e n tl i m i t t h et h e s i si n c l u d e st h r e ep a r t s ： t h ef i r s tp a r tc l a r i f i e sp r i n c i p l ea n da n a l y z e st h e o r y t h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i co f p a r a l l e l c o n v e r t e ri ss t u d i e d v a r i o u sk i n d so fc u r r e n ts h a r i n gm e t h o d sa n dt h e i r c o n t r o ls t r u c t u r ea r ec o m p a r e da n ds u m m a r i z e d t h ed e f e c ti nc o n v e n t i o n a la u t o m a t i c s h a r i n g m e t h o di s e x p l a i n e d a n dan e w s i n g l e - - w i r e a u t o m a t i c c u r r e n t - s h a r i n g t e c h n i q u ei sp r e s e n t e d t h es e c o n dp a r tm o d e l st h ea v e r a g e - c u r r e n t - m o d ec o n t r o l l e dc o n v e r t e rw i t ht h e a u t o m a t i cc u r r e n t s h a r i n g m e t h o da n d d e s i g n s t h e p a r a m e t e r s b a s e d o nt h e p w m s w i t c hm o d e l ，t h em o d e l so fp a r a l l e lc o n v e r t e rp o w e rs t a g ea n dc o n t r o lc i r c u i t a r eb u i l tu p t h et r a n s f e rf u n c t i o n sa n dl o o pg a i n sa r cd e r i v e d ，b a s e do nw h i c ht h e t h r e e l o o pc o n t r o l i s d e s i g n t h ed e s i g ng u i d e l i n e sa r cg i v e n t h ed e s i g np r o c e s s f o c u s e so nt h ec o m p e n s a t i o n t h et h i r dp a r ti sa b o u tt h es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n tf o rt h ed e s i g n e dt h r e e l o o p c o n t r o l l e dp a r a l l e lc o n v e r t e rs y s t e m t h es i m u l a t i o nh a sv e r i f i e dt h er e l a t i v es t a b i l i t y d y n a m i cp e r f o r m a n c e a n da n t i i n t e r f e r e n c ef e a t u r e t h ec l o s e d l o o p s i m u l a t i v e m o d e l sh a v eb e e nb u i l t u pb a s e d o nt h em a t l a b s i m u l i n ka n ds i m e t r i x t h e s i m u l a t i o nf o c u s e so i lt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fc u r r e n ts h a r i n g a tl a s t ，t h r e e p a r a l l e lm o d u l e ss y s t e mw i t ht h ei m p r o v e da u t o m a t i cc u r r e n ts h a r i n gm e t h o di sb u i l d u p t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v ev e r i f i e dt h ep e r f o r m a n c eo fc u r r e n ts h a r i n gi nb o t h s t e a d y s t a t ea n dd y n a m i c s t a t e k e y w o r d s ：p a r a l l e l ；i m p r o v e d a u t o m a t i cc u r r e n t s h a r i n gm e t h o d ；t h r e e l o o p c o n t r o l ；s m a l ls i g n a la n a l y s i s ，a v e r a g e c u r r e n t m o d e i l l 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作 品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：e l 期：狮争年6 月，2e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在幡年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：觚 日期：五巾斗年 6 月j2 日 导师签名； 第一章绪论 第一章绪论 1 1 分布式电源系统的发展 科学技术的突飞猛进，促进了电源技术的迅速发展。而电源技术的任务是安 全、可靠、不间断的供给计算机、通讯等电子设备所需的电能，因而，对于电子 设备而言，电源是电子设备的心脏，它必须自成一个完整的功能体系，即所谓的 “电源系统”。由于电源系统应用领域的日益推广及其负载特性的不断增强，人们 对其基本性能也相应提出了更高的要求，包括全面贯彻电磁兼容各项标准；电气 额定值能更高( 如功率因数) 或更低( 如输出电压) ；更优秀的动态响应性能( 如 计算机系统负载达到5 a n s e c 的变化率) ；能灵活地组建大容量供电系统实现大功 率输出；高度可靠性，更长的无故障运行时间( m t b f ) 甚至不间断供电( u p s ) ： 可以大规模稳定生产或快捷单件特殊生产等。 电源系统的性能和可靠性水平很大程度上取决于其供电方式的选取，随着新 的电子元器件、新的变换技术和新的控制理论在电源系统中的应用，供电方式经 历了集中式供电方式、分布式供电方式和全功能电源供电方式三个阶段。传统的 集中式供电系统有着其固有的缺陷：供电质量差和无冗余性。因而从八十年代起， 以高频化电源变换技术、高功率密度封装技术、电源单元并联技术以及电源模块 化和电源系统智能化技术为研究内容的分布式电源供电技术成为国际电力电子学 的研究热点。所谓分布式供电是相对于集中式供电而言的，它是利用最新电源理 论和技术做成相对较小的电源功率模块来组合成积木式、智能化的大功率电源系 统的供电系统设计方式，具有如下一些主要优点： ( 1 ) 供电质量高。因为各供电单元最接近负载，改善了负载静态和动态响应 特性： ( 2 ) 提高了系统的灵活性，可将模块的开关频率提高到兆赫级，从而提高了 系统的功率密度，使电源系统的体积、重量大为下降： ( 3 ) 减少了产品种类，便于规范化和标准化； ( 4 ) 高效、节能。减小了传输损耗，提高了系统效率。节约了能源； ( 5 ) 可靠性高。各个模块的功率半导体器件的电应力减小，容易组成n + i 冗 余供电系统，提高了系统可靠性； ( 6 ) 易于维护。热插拔技术使维护故障单元方便快捷，而且容易扩展系统功 能。 近几年来，分布式电源系统采用模块化技术并加上冗余不问断供电功能则构 华南理工大学硕士学位论文 成了新型的全功能电源系统供电模式，这种全功能电源系统能克服其他各种供电 模式的缺陷，又能实现电力的冗余，是几乎具备所有电源功能优点的电源系统， 同时它还具有容错功能和网络监控功能，因而使电源系统的可靠性大为提高。 随着大量电子设备，特别是服务器、交换机等计算机系统的投入使用，要求 电源能够提供低电压大电流的输出，而且在数据处理、交换的重要场合必须高度 稳定可靠运行。设计冗余大功率电源有两个途径：一是基于变换器内部元件的冗 余，根据负载功率值专门设计的单个电源模块；二是利用多个小模块并联运行提 高冗余度和大功率输出。前者的单台变换器势必处理巨大的功率，电应力大，给 功率器件的选择、开关频率和功率密度的提高带来困难。并且可靠性不高，一旦 发生故障则可能导致整个系统崩溃，造成不可估量的损失，如1 9 9 6 年美国电源协 会曾公布美国计算机系统中“4 5 以上的数据丢失的起因是电源故障，这一故障 发生率远远高于2 的硬件、软件错误和3 的人为错误；在一个典型的系统中每 月大约出现1 2 0 次电源问题。”后者组建更为灵活，经济效益高。大量相同的电源 模块并联，意味着模块批量生产，降低研发成本和重复投资，每个模块处理较小 功率，解决了上述单台电源遇到的问题。 1 2 并联电源系统的均流技术 模块化分布式电源系统和大功率输出是开关电源发展的趋向之一。为了实现 完全稳定可靠的全冗余电源系统，模块化电源的并联技术则显得尤为重要。并联 运行主要有以下三个好处：第一，可以用来灵活的扩大直流电源系统的容量：第 二，可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性；第三，具有极高的系统可维修 性能，在单变换器出现故障时，可以很方便的进行热插拔更换或维修。因而，这 样的并联运行系统在各种领域得到了广泛的推广和应用。 提高系统可靠性的方法之一就是采用m + n 冗余结构。所谓“冗余”是指：设 m + n 台变换器模块并联，其中m 台用于供给负载所需电流，n 台为后备模块，n 值越大，可靠性越高，系统成本也相应增加。当正在工作的模块出现故障时，后 备模块投入运行，这样即使有n 台同时发生故障，电源系统也仍然能保证提供 1 0 0 的负载电流，并可实现热更换，即在系统输出不间断的情况下更换模块，使 维修大大方便。 可见，并联技术已经成为实现分布式大功率电源系统的关键。但是，一般情 况下不允许模块输出间直接进行并联，由于元件的容差性，即使是同一生产线上 的模块也不能保证它们的输出电压绝对一致，输出特性的细微差异将会引起各输 出电流的巨大差别，因此，在并联运行的电源系统中，必须加均匀分担负载电流 的措施，以下简述“均流”( c u r r e n ts h a r i n g ) ，这也是并联使用的关键和难点。如 2 第一章绪论 果电流不均，并联运行的模块中，输出电压高的可能承受更多的负载甚至过载限 流，而有的模块却可能轻载甚至空载运行，输出电压低的模块不但不为负载供电， 反而成了输出电压高的模块的负载，结果分担电流多的模块热应力大，降低了系 统的可靠性，据专家分析，当电子元件温升从2 5 上升到5 0 时，其寿命将大为 降低，仅为2 5 。c 时的1 6 。热应力大，致使系统无故障运行时间m t b f 大大降低。 而且当冗余运行时，一台正在供电的模块如果突然发生故障，则未投人工作的模 块从空载突然转入重载，导致负载端电压的波动。均流成为并联电源系统的必要 措施。 因此，对n 个模块并联的稳压电源的基本要求是： ( 1 ) 每个模块承受的电流能自动平衡，实现均流。 ( 2 ) 尽可能不用增加外部均流控制的措施，以提高系统可靠性，使均流技术 与冗余技术结合。 ( 3 ) 当输入电压或负载电流变化时，保持输出电压稳定，并且均流的瞬态响 应好。 ( 4 ) 当有公共的均流母线( s c b ) 时，其带宽应小，以降低噪声干扰。 8 0 年代国外就开始研究d c d c 变换器并联运行技术，现己取得实用性的成 果，而新的均流技术、系统稳定性等方面的研究仍在不断深入。根据电源系统的 性能要求以及电源模块的类型( 如d c 模块、d c a c 模块、u p s 模块等) 的不同， 电源模块间实现均流的措旌多种多样，各不相同。一般来讲，常规的均流方法有 以下几种： ( 1 ) 输出阻抗法或称下垂均流法； ( 2 ) 主从均流法： ( 3 ) 平均电流自动均流法； ( 4 ) 最大电流自动均流法： ( 5 ) 外加均流控制器法； ( 6 ) 热应力自动均流法； 这些均流方法已广泛应用于直流模块并联系统和交流u p s 系统中。相比教于 直流电源并联，逆变电源并联需要解决更多的问题，除了幅值相一致外，各台逆 变电源输出电压的频率及相位要严格同步，避免输出电流含有过大的无功环流分 量。在通讯基础开关电源系统里，均流控制单元已经成为必不可少的组成部分。 针对通讯电源制定的“y d t 7 3 l ”标准和“入网检验实施细则”中明确规定，多 台同型号的开关电源整流模块并机工作时，在5 0 1 0 0 的负载范围内，如果 单台最大输出功率小于1 5 0 0 w ，其均分负载的不平衡度不得超过输出电流标称值 的1 0 ，当单台最大输出功率大于1 5 0 0 w ，其均分负载的不平衡度不得超过直 流输出电流标称值的5 。这些规定充分显示了研究并联均流策略的必要性和重 华南理工大学硕士学位论文 要性。 并联均流性能的优劣用均流误差或电流不平衡度来衡量，当系统的总负载比 较轻时，均流指标不做考核，当总的负载很轻时，还有可能关闭一些整流模块， 使他们处于热备份状态。当总的负载达到或超过额定负载的5 0 时，均流指标是 这样考核的： 在5 0 1 0 0 的额定负载范围内，所有模块的均流误差c s e r r o r 不得超过 5 ，均流误差c s e r r o r 由下式给出： c s e r r o 塌= 笔 式中，n 为并联模块的数量：m a x 1 ；一，为所有模块输出电流的最大差异， 罗f 。为电源系统的总负载电流。 目前，世界上许多国家的电源公司在直流变换器及逆变器的并联均流冗余控 制技术方面已经做了大量的研究工作，并有一系列的产品投入了实用。并联均流 技术从原先的低精度电压下垂策略，向着集中控制、主从控制、分散逻辑控制和 无互联线独立控制等多样化控制方式发展，均流性能和负载扰动响应速度不断提 高，并机数目更多，甚至不同容量模块实现并联。伴随控制系统的逐步数字化和 微处理器的成熟，应用如单片机或d s p 全数字化控制方案，采用复杂的算法完成 电源系统的检测、运算和控制，实现均流冗余、故障检测、热拔插维修和模块的 智能管理的目标完全可以实现。 1 3 开关电源的控制方法 开关电源的核心部分是d c d c 变换器，其转换的基本手段是基于脉宽调制 技术( p w m ) ，用半导体功率器件作为开关，使带有滤波器( l 、c ) 的负载线路 与直流电压间导通或断开，从而使负载上得到需要的直流电压。可见，开关电源 工作具有非线性和时变特性，是一个具有滞后特性的强非线性系统，同时也是一 个严重的病态系统( 主电路和控制电路的时间常数相差很大) ，因此功率变换器解 析建模较为困难。设计一个性能优越的控制系统的前提是基于系统的准确数学模 型，这反映出开关电源控制系统设计和分析的难度，对多台变换器并联组成的电 源系统的建模和稳定性分析更是一项艰巨的任务。融合各类方法为变换器建立精 确、全面和完善的模型是一个富有挑战性和必要性的研究课题。 1 9 7 6 年r d m i d d l e k r o o k h 和s l o b o d a nc u k 在前人的基础上提出了状态空间 平均法，较好的解决了p w m 型d c d c 变换器的稳态和动态低频小信号模型。这 种分析方法的思路是在假设系统扰动信号频率比开关频率低得多和扰动信号幅值 远小于直流稳态量的前提下，通过对开关变换器的分段线性状态方程进行状态平 4 第一章绪论 均、小信号扰动和线性化处理，得到系统线性小信号状态空间平均模型。在此基 础上，可以应用经典控制理论中根轨迹、b o d e 图和拉氏变换来分析和设计控制系 统。随后在状态空间平均法的基础上，众多学者发展了各种各样的等效电路模型， 比如三端开关器件模型法、平均开关网络模型法、脉冲波形积分法，等效电源法 等。 p w m 变换器的控制电路在整个系统中起到至关重要的作用，决定着电源性 能的好坏。在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控 制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度使 得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。控制取样信号有输出电压、输 入电压、输出电流、输出电感电流及开关器件峰值电流。由这些信号可以构成单 环、双环或多环反馈系统，实现稳压、稳流或恒定功率的目的。同时可以实现一 些如并联均流、过流保护、抗偏磁等功能。目前主要有五种p w m 反馈控制模式： 电压模式控制、峰值电流模式控制、平均电流模式控制，滞环电流模式控制、相 加模式控制。此外，还有美国l a m b d a 公司推出的电荷控制方案、单周期控制、 磁调节器控制，最近又提出了一种新的控制方式一v 2 控制，对负载的变化具有 超快的响应速度，但需要增加斜坡补偿来消除开环不稳定和次谐波振荡现象。 平均电流模式控制的概念产生于2 0 世纪7 0 年代后期，而一直到9 0 年代初期， u n i t r o d e 公司才推出平均电流模式控制p w m 集成电路u c 3 8 4 8 ，并成熟应用于 9 0 年代后期高速c p u 专用的、具有高d i l d t 动态响应供电能力的低电压大电流开 关电源。相比较于其它控制方式，平均电流模式控制具有更多的优点：更精确的 电流跟踪，更快的闭环响应速度，抗噪声性能优越，无需斜坡补偿，适用于任何 电路拓扑，成为带并联均流功能的电源模块的首选控制方法。 当前，微处理器芯片技术飞速发展，出现了高精度、高速度的微处理器，如 d s p ，实现复杂算法和优良管理策略的数字控制成为可能，并使自适应控制、滑 模变结构控制、最优控制、鲁棒控制等现代控制理论及模糊控制、神经网络控制 等智能控制应用于开关电源系统。 1 4 本文礤究内容 本文将从介绍模块化分布式电源系统发展中的关键技术一一并联均流技术入 手，分析均流的基本原理，总结目前众多均流策略的本质区别和优缺点，并对应 用广泛的自主均流法进行改进，在平均电流模式控制理论的基础上，研究三环控 制回路的建模及参数设计，并在频域和时域内对并联变换器系统做全面的仿真分 析，最后用三台1 2 v 1 0 a 的b u c k 样机并联实验证明多环路设计的正确性和改进 的自主均流法的优越性。以下是本文研究内容的章节安排： 华南理工大学硕士学位论文 第一章综述了模块化分布式电源系统发展状况，指出分布式电源和大功率负 载输出是开关电源发展的趋向之一，而并联均流技术已经成为实现这类完全稳定 可靠全冗余电源系统的关键技术，给出并联变换器的基本要求。同时回顾了开关 电源的各类建模方法和控制技术。 第二章分析并联系统的运行特性，指出均流的实质即是通过反馈控制调节变 换器的输出特性，对当前的均流技术进行详细的分类和总结，得到各自的优缺点 及适用场合。阐述了平均电流模式控制p w m 的原理和特点，表明平均电流型控 制是带并联均流功能的电源模块的首选控制方法。 第三章将对采用自主均流技术的平均电流型b u c k 变换器建立数学模型。首 先对三端开关器件建模并将其应用于b u c k 并联系统中，推导出主电路的小信号 模型，给出具体的传递函数表达式，接着对多环控制电路进行建模，得到相关环 路增益的表达式。 第四章根据第三章所推导得到的数学模型，来设计三环控制回路。阐述设计 多环控制回路所遵循的一般原则，重点研究了调节器补偿网络类型和参数的确定 方法。之前讨论了主电路元件参数的设计及选择，同时给出了相关的外围实现电 路。 第五章对设计的系统进行全面地仿真分析，包括频域仿真和时域仿真两部分， 频域仿真对系统的稳定性和动态性能指标进行分析，时域仿真使用了 m a t l a b s i m u l i n k 和s l m e t r i x 两个仿真软件，分别构建了它们的闭环仿真模型，分 析了仿真结果。 第六章记录了三个b u c k 变换器并联运行的实验结果，并与理论进行比较分 析，表明所提出的自主均流法及多环控制电路的设计的正确性和有效性。 最后本文对采用自主并联均流技术的平均电流型变换器设计取得的成果进行 了总结，同时指出存在的问题，为今后完善并联电路作进一步的工作设想。 1 5 本章小结 本章介绍了模块化分布式电源系统的发展状况，指出了研究并联均流技术的 意义，然后简单概括了开关电源p w m 的控制方式，最后给出整个论文内容的安 排。 6 第二章并联均流的主要技术分析 第二章并联均流的主要技术分析 在实际电源制品中，由于元件的容差性，生产过程的不确定性等因素，即使 是从同一条生产线上出来的模块，它们的输出电压也不能保证绝对一致，从输出 端到并联接点的导线阻抗也不可能完全相等，而模块之间输出特性的细微差异将 会引起各输出电流的巨大差别，因此，在并联运行的电源系统中，必须加均匀分 担负载电流的措施，这是模块并联使用的关键和难点。 根据模块之间有无均流母线，所有的均流策略可归纳为两大类：下垂法和有 源均流法，其中后者又可细分为主从法、平均电流均流法、最大电流均流法、热 应力均流法、外部控制器等方法。 2 1 并联均流基本原理 c c m 工作模式的开关变换器可以等效为个由理想电压源和小阻值电阻串 联而成的高性能电压源。两个c c m 模式的变换器直接并联等效电路图如图2 1 a 所示，其中输出阻抗r 也包括这个变换器连接到负载的导线或电缆的电阻，图2 一l b 为外特性曲线，其斜率即为输出阻抗，也代表变换器的输出电压调整率。 如果两个模块的参数完全相同，即理想电压源和输出电阻都相等，v l 。；= v 2 。，r - = r 2 ，则两条外特性曲线重合，负载电流均匀分配。如果其中一个模块 的电压基准值较高，输出阻抗较小( 外特性斜率小) ，如图2 一l 中的模块1 ，则该 模块将承受大部分负载电流，负载越大或者输出斜率越小，模块1 将运行于满载 或超载限流状态，影响了系统可靠性。 可见，并联电源系统中各模块按照外特性曲线分配负载电流，外特性的差异 是电流难以均分的根源。 a ) 并联等效电路 v a f v 0 2 v o b ) 输出外特性 图2 1 两个模块并联均流原理图 a ) e q u i v a l e n t c i r c u i to fp a r a l l e l i n g b ) v o l t a g e - c u r r e n ! c h a r a c t e r i s t i c f i g 2 - 1c u r r e n ts h a r i n gd i a g r a m f o rt o w p a r a l l e l e dm o d u l e s 7 华南理工大学硕士学位论文 正常情况下，各并联模块输出电阻是个恒值，输出电流不均衡主要是由于各 模块输出电压不相等引起。均流的实质即是通过均流控制电路，调整各模块的输 出电压，从而调整输出电流，以达到电流均分的目的。一般开关电源是一个电压 型控制的闭环反馈系统，并联运行均流控制技术的基本原理就是检测各自输出电 流，判断它的不均流程度，并把这个信号引入控制环路中，来参与调整输出电压 值。选择不同的电流误差信号注入点，可以直接调节输出电压基准值、反馈量、 调节器的输出、或者工作脉宽，形成多种多样均流方案，以满足不同的稳态性能 和动态响应要求。 2 2 均流控制策略 根据并联电源系统中模块之间有无传递均流信号的互连线，所有均流方法可 归成两大类：下垂法和有源均流法，如图2 - 2 所示。其中有源均流法是均流方法 中的一大类别，其特征是采用互连通讯线连接所有的并联模块。该互连线称为均 流母线c s b ，用于提供共同的电流参考信号。 d cb u s d cb u s 图2 - 2 两大类均流方法 f i g 2 - 2t o w k i n d so f l o a ds h a r i n gt e c h n i q u e s 图2 3 为用于并联运行的单台电源控制电路的基本结构，一般采用电流内环 和电压外环双环控制，功率级和电流环组成变换器的基本单元，如虚线框内所示。 在基本单元的基础上根据系统要求设计不同的控制结构和母线连接方式，形成各 类有源均流法， 图2 - 3 电源模块基本结构 f i g 2 3b a s i cs t r u c t u r eo f as t a n d a l o n em o d u l e 8 鲴攀 第二章并联均流的主要技术分析 控制结构指均流环与电压环如何配置，图2 4 为有源均流法的三种控制结构： 电压环环外调整、环内调整和双环调整。环外调整中均流环从电压环外部叠加( 图 2 4 a ) ，均流母线带宽低，对噪音不敏感，但由于受到低带宽电压环限制，均流 控制反应比较缓慢；环内调整中均流环从电压环内叠加( 图2 4 b ) ，均流环可以 很好的和电流环结合起来，整个结构简单，均流信号从环内注入，其带宽不受电 压环的限制，反应速度快，均流母线的电压从电压调整放大器获得，但容易引起 噪声；双环调整中均流环和电压环并行一起作用于基本单元( 图2 4 c ) 。 ( b ) 环内调整 图2 4 三种控制结构 f i g 2 4t h r e ep o s s i b l ec o n t r o ls t r u c t u r e sf o ra c t i v ec u r r e n ts h a r i n g 均流母线连接方式指如何从所有的模块中获取公共电流参考信号，表明了模 块间的主从关系。图2 5 显示了三种均流母线的连接：自主配置、平均配置和指 定配置。自主配置( 图2 5 a ) 中，各个模块和母线之间通过二极管连接，只有具 备最大电流的模块对应的二极管才能导通，均流母线上代表的是最大电流信号： 平均配置( 图2 5 b ) 中，各个模块和母线之间通过参数完全一致的电阻连接，均 流母线上代表的是平均电流；指定配置( 图2 5 c ) 中，只有人为指定的模块才能 直接连接均流母线，成为主模块。 锄瞪兰寥匿 ( a ) 自主配置( b ) 平均配置 i d ： i t；o 卯 b u i - m h ( i 山k i jb m l - l + i p “呻l 跏 ( c ) 指定配置 b u s 。i 1 图2 5 三种均流母线连接方式 f i g 2 - 5t h r e eb u sp r o g r a mw a y s i 1 i 娃 i 。_ 华南理工大学硕士学位论文 2 2 1 下垂法 下垂法( 又叫斜率法，输出阻抗法) 是最简单的一种均流方法。其实质是利 用本模块电流反馈信号或者输出直接串联电阻，来改变等效内电势，从而相当增 大模块单元的输出电阻，使外特性的斜率趋于一致，达到均流。可见，下垂法的 均流精度取决于各模块的电压参考值、外特性盐线平均斜率及各模块外特性的差 异程度。 常用的下垂法均流控制框图如图2 - 6 所示。输出电流经过检测并放大k 。倍后 得到电压信号v i ，然后用v t 来参与调节输出电压反馈的量v f 。当该模块的输出 电流i o 增加时，上升增加了反馈，致使v e 下调，从而降低了输出电压，减小 了输出电流i o 。调节电压或电流反馈系数k i 、k v 便可以获取期望的外特性。 图2 6 下垂法均流控制框图 f i g 2 6p r o g r a m m a b l ev o l t a g ed r o o p 此外，人为地增加模块连接负载的电缆电阻，也是一种调节输出电阻的下垂 法。缺点为串联电阻会消耗额外电能。较为经济的办法是串联热敏电阻，其阻值 随在电阻上消耗的热能( 正比于模块电流) 变化而改变，同样达到近似均流。 电流不连续模式下的b u c k 、b o o s t 、b u c k - - b o o s t 变换器和串联谐振变换器本 身就固有一定的外特性下垂率，这类变换器可以直接并联运行，实现自然均流。 下垂法的特点可归纳如下：模块之间无互连通讯线：实为开环控制，小电流 时均流效果差，随着负载增加均流效果有历改善；对稳压源而言，黍望外特性斜 率越小越好，而下垂法则以降低电压调整率为代价来获取均流，该法可以应用在 均流精度大于或等于1 0 的场合；对于不同额定功率的并联模块，难以实现均流。 2 2 2 平均电流均流法 环外调整结构和母线平均配置相结合形成平均电流均流法，图2 7 所示为其 控制框图。每个模块通过一个电阻r s 和母线相连。如果所有电阻r s 参数完全一 致，均流母线的电压反映了所有模块电流的平均值。当u a = u c s b 时表明已经达 到均流，如果电流分配不均，电阻r s 上出现电压，该电压通过误差放大器输出 个误差电压，从而修正基准电压，以达到均流目的。 1 0 第二章并联均流的主要技术分析 图2 7 平均电流均流法 f i g 2 7a v e r a g ec u r l e l l s h a r i n gm e t h o d 平均电流法是一项专利技术，可以实现精确的均流。缺点是当均流母线短路 或某个模块不工作时母线电压下降，将促使每个模块电压下调，甚至达到下限， 造成故障。解决办法是设置监控单元自动地把故障模块从均流母线上切除。 2 2 3 最大电流均流法 该方法能够自动设定主模块和从模块的身份，故也称自主均流法，即把图2 7 中的电阻r s 用一个二极管来代替，可见最大电流均流法由环外调整和母线自主 配置相结合而成，不改变模块基本单元的内部结构，只需在电压环外面叠加一个 均流环，各模块间接一条均流母线c s b 。 因为二极管单向性，只有电流最大的模块才能与均流母线相连，该模块即为 主模块，其余为从模块，比较各自电流反馈与均流母线之间电压的差异，对基准 电压值进行整定，控制所有模块的输出电流都向着输出电流最大的模块靠拢，以 校正负载电流分配的不均衡。 特点是：( 1 ) 这种均流方法一次只有一个单元参与调节工作，主模块永远存在 且是随机的。为实现冗余最常用的方法；( 2 ) 二极管总存在正向压降，因此主模块 的均流会有误差：( 3 ) 均流是一个从模块电流上升并超过主模块电流的过程，系统 中主、从模块的身份不断交替，各模块输出电流存在低频振荡。 u n i t r o d e 公司开发的均流控制芯片u c 3 9 0 2 、u c 3 9 0 7 正是基于最大电流自动 均流的思想，简化了并联电源系统的设计与调试，得到广泛应用。文献1 6 指出， u c 3 9 0 2 在满载时均流误差达到2 ，在2 0 负载时误差约1 5 。此外芯片l 6 6 1 5 ， u c 3 8 4 9 也具备均分负载的附加功能。 2 2 4 主从均流法 在并联电源系统中，人为的指定一个模块为主模块，直接连接到均流母线， 华南理工大学硕士学位论文 其余的为从模块，从母线上获取均流信号。图2 - 8 ( a ) 为采用电压环内调整结构的 主从均流法。主模块工作于电压源方式，从模块的误差电压放大器接成跟随器的 形式，工作于电流源方式。因为系统在统一的误差电压下调整，而模块的输出电 流正比于误差电压，所以不管负载电流如何变化，各模块的电流总是相等。图2 - 8 ( b ) 为采用电压环外调整结构的另一种主从均流法原理图。 图2 8 主从均漉法 f i g 2 - 8d e d i c a t e dm a s t e r - s l a v em e t h o d 采用这种均流法，精度很高，控制结构简单，模块间联线复杂。缺点是没有 冗余功能，一旦主模块出现故障，整个系统将完全瘫痪：宽带电压环容易接受噪 声干扰。使用中主、从模块间的联线应尽量短。 2 。2 5 其它均流方法 基于三种控制结构和三种母线连接方式，可以设计出其他均流方法。文献【8 1 中提出一种双环调整和平均配置相结合的均流方法。这种控制方式降低了电压环 和均流环相互之间的影响，是权衡环外调整和环内调整优缺点的折中方案。文献 【l o 给出一种运用简单的元件，而不需要运算放大器来产生均流信号的低成本的 方法。此外，热应力自动均流法是按照每个模块的温度( 即热应力) 来实现均流， 使温度高的模块减小输出电流，温度低的模块增加电流。外部控制器法是外加一 个均流控制器，比较各模块的电流信号，并据此补偿相应的反馈信号以均衡电流。 该法需要附加控制器且联线较多。 2 3 改进式自主均流法 图2 - 9 是传统的电压控制模式上的自主均流法原理图。各个模块是由单个电 压环来控制，每个模块的均流误差通过均流误差放大器注入到电压误差比较器参 考电压中，从而控制输出电压实现均流。由于这是一种电压控制方式，均流环在 电压环的外面，所以均流环的带宽受到了带宽很窄的电压环的限制，不可能对负 1 2 第二章并联均流的主要技术分析 载突变做出很快的响应，瞬态调制过程时电流值差别很大，一部分子模块承担大 部分的电流，甚至会瞬时超过其保护动作电流而导致保护电路误动作，影响系统 正常工作。 图2 - 9 传统的自主均流法原理图 f i g 2 9c o n v e n t i o n a la u t o m a t i cc u r r e n ts h a r i n gm e t h o d 针对传统的自主均流法动态性能较差的不足，在控制结构上对其进行了改进， 如图2 1 l 。首先，在电压环里面加入带宽较宽的电流环，也就是将模块改造成平 均电流控制模式，这样可以利用电流内环动态响应快的优点来初步改善整个系统 的动态性能：其次，对均流电路的结构做了改进，把均流放大器的输出误差信号 直接注入到电流放大器的正相端，均流信号和电压误差信号一起并行调节电感电 流的给定基准信号。均流环成了电压环的内环，因此其频带宽度不再受电压环的 限制，动态均流效果进一步得到提高，即使在大的负载变化时，各个模块的输出 电流也非常接近，避免了过流报警误动作；另外，使用二极管连接模块和均流母 线，该结构可以很好实现冗余功能。 图2 - 1 0 改进式自主均流法原理图 f i g 2 1 0i m p r o v e da u t o m a t i cc u r r e n ts h a r i n gm e t h o d 所提出的改进式自主均流法拓扑有如下几个特点： ( 1 ) 控制电路是一个三环控制系统。最靠外的是电压环，由电压采样环节和 电压调节器组成。中间环节为均流环，由二极管、均流母线和均流调节器组成。 内环由电感电流采样环节和电流调节器组成。 ( 2 ) 该电路的均流信号是由电流信号组成的。传统的电压控制方法采集的是 每个模块的输出电流，而这种方法是从电感电流上得到，电感电流平均值就是输 1 3 华南理工大学硕士学位论文 出电流，只要电感电流是平均分配，就认为实现了均流控制。所以提出的方法很 好的和平均电流控制电路相结合。电感电流信号与均流母线上的信号之间的误差 经过均流调节器放大后送到电流调节器的正端。 ( 3 ) 由于对均流环做了改动，均流环成了电压环的内环，因此其带宽不再受 电压环的限制，使动态均流效果得到改善。 ( 4 ) 整个控制电路结构仍比较简单，电路的分析方法和控制电路的设计方法 可以用常用的状态空间平均法和多环控制电路的设计方法。 2 4 平均电流模式控制p w m 的原理 传统的p w m 型d c d c 变换器常用电压型控制，这也是人们最早采用的控制 方式。但是电压型控制只对输出电压采样，并作为反馈信号实现闭环控制，以稳 定输出电压。在控制过程中，开关变换器的电感电流末参与控制，是独立变量， 变换器为二阶系统，有两个状态变量，即输出滤波电容的电压和输出滤波电感的 电流。二阶系统是一个有条件的稳定系统，只有对控制电路进行精心设计和计算， 满足一定条件，才能使系统稳定工作。由于开关电源的电流都要流经电感，将使 滤波电容上的电压信号对电流信号产生9 0 。延迟。因此，仅采用采样输出电压的 办法，其响应速度慢，稳定性差，甚至在大信号扰动时会产生振荡，从而损坏功 率器件。 针对电压型控制的缺点，2 0 世纪7 0 年代提出了峰值电流型控制并得到了广 泛地应用。它采用开关器件或电感电流的峰值波形代替p w m 单元三角波作为斜 坡信号，包含二个独立反馈变量，实为电流、电压双环控制系统，从而使开关变 换器成为一个一阶无条件的稳定系统。峰值电流型具有自动限流、对输入电压变 化有更快的响应速度、稳定性高等优点，但是在占空比大于5 0 时，会产生开环 不稳定和次谐波振荡，需要增加斜坡补偿，抗干扰性差，而且，峰值电流与平均 电流存在误差，电感峰值电流的大小不能与电感平均电流的大小一一对应，因为 在占空比不同的情况下，相同的峰值电感电流大小可以对应不同的平均电感电流 大小，而平均电感电流的大小才是惟一决定输出电压