（电力电子与电力传动专业论文）高频开关电源并联均流技术的研究.pdf

酉亩童渔盍堂亟登宜生堂焦诠塞蓥l ! 豆 a b s t r a c t n o w a d a y st h et e c h n o l o g yo fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi s g r a d u a l l yb e i n g p e r f e c t - h o w e v e r , t h e r e i sn oe n dt ot h ed e m a n df o r a h i g h p o w e r , h i g h p e r f o r m a n c ep o w e rs u p p l gt h et e c h n i q u eo fp a r a l l e lc u n e n t s h a r i n gi sa t e n d e n c y o ft h ep o w e r e l e c t r o n i c s t h r o u g ht h em o d u l ei np a r a l l e lc a nw e l ls a t i s f yt h en e e d o fh i g h p o w e rs u p p l yo nc h a r a c t e r i s t i c ，c a p a c i t y , w e i g h t ，v o l u m e ，e f f i c i e n c ya n d r e l i a b i l i t y m a n ys e t so fp o w e rf o r m e di np a r a l l e lc o n s t i t u t et h eh i 曲- p o w e rp o w e r s y s t e m ，w h i c hs h o u l db el i k es i n g l ep o w e r i n c a s eo f i m p o r t b u s e sa n d e x p o r tl o a d c h a n g i n g ，t h es y s t e ms h o u l dr e m a i nl o n g - p e r i o da n df a u l t l e s sp e r f o r m a n c ee x c e p t t h a ts u c he l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c sa st h es y s t e m a t i cv o l t a g eo fo u t p u t ，e t c r e m a i n s s t a b l ea n dd o e sn o t c h a n g ea l l t h et i m e t h eg e n e r a lp r i n c i p l eo ft h ep a r a l l e l c u r r e n t s h a r i n ga n da l l k i n d so fc u r r e n t s h a r i n gt e c h n o l o g yo fp o w e rp a r a l l e l r u n n i n ga r ei n t r o d u c e di n t h e p a p e rt h e m a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c et r a n s i e n t c h a r a c t e r i s t i ca n ds t e a d y - s t a t ec h a r a c t e r i s t i co f o u t p u t t i n gi m p e d a n c em e t h o d p a r a l l e ls y s t e mh a v eb e e nd i s c u s s e d i nd e t a i l ，t h em a i nc o n t r o l s t r a t e g i e s t o i m p r o v et h es t e a d y s t a t ec h a r a c t e r i s t i co fo u t p u t t i n gi m p e d a n c em e t h o dp a r a l l e l s y s t e m h a v eb e e ns u m m a r i z e da n dt h ew e a kp o i n t so fn o n - l i n e a r o u t p u t t i n g i m p e d a n c em e t h o dh a v ea l s o b e e np o i n t e do u t ak i n do fs e l f - a d a p t a t i o na n d c l o s e dl o o po u t p u t t i n gi m p e d a n c em e t h o dh a sb e e np u tf o r w a r do nt h i sb a s i s t h em a x i m u mc u r r e n ta u t o m a t i c c u r r e n t - s h a r i n g m e t h o dh a sa l s ob e e n d i s c u s s e di n d e t a i l i nt h e p a p e r a c c o r d i n gt o t h ef e a t u r e so ft h em a x i m u m c u r r e n t s h a r i n gm e t h o d ，t h es m a l l - s i g n a la n a l y s i sm e t h o d h a sb e e nu t i l i z e da n dt h e f e a t u r e so ft h r e e - l o o pc o n t r o lh a v eb e e nd i s c l o s e da n dt h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h r e e l o o p s h a sb e e np r o p o s e d t h i sr u l ei sf a v o r a b l et ot h es t a b i l i t yo f t h ew h o l e s y s t e m ， a n di th a sr e a l i s t i cm e a n i n g s k e y w o r d s ：s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ；p a r a l l e ls y s t e m ；c o n v e r t e r ；c u r r e n ts h a r i n g t e c h n i q u e 酉直童通太堂塑受窭生堂焦迨室簋! 豆 第一章绪论 1 1 问题的提出 大量电子设备，特别是计算机、通讯、空间站等的广泛应用，要求组建 一个大容量、安全可靠、不阅断供电的电源系统。如果采用单台电源供电， 该变换器势必处理巨大的功率、电应力大，由于受电力电子器件性能的限制， 要将单台变换器的容量做的很大比较困难。这给功率器件的选择、开关频率 和功率密度的提高带来难度吼并且一旦单台电源发生故障则可能导致整个 系统瘫痪，并导致不可估量的损失。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t 2 0 次电源问题”吲h 。 八十年代起，随着高频电源技术及新型功率器件的发展，对大容量高频 开关电源的研究和开发已成为当今电力电子学的主要研究领域，并派生了多 个新的研究方向，而其中之一就是高频开关电源模块并联均流技术，这是实 现大功率电源系统的关键技术。 大功率电源系统是由若干个相对较小的模块化电源组成的。在空间上各 模块接近负载，供电质量高，通过改变并联模块的数量来满足不周功率的负 载，设计灵活，每个模块承受较小电应力，开关频率可以达到兆赫级，从而 提高了系统的功率密度。模块化电源系统完全打破了单个电源在功率上的局 限，用户可以像搭积木一样根据电源的功率寻求进行组合，当某一模块发生 故障，可以热更换此模块，而其他模块平均分担该故障模块的负载，不影响 整个系统的工作，以此提高系统的安全性，方便维护，节省投资跚6 j 【7 i 。 电源系统模块化的设计方法，可大大提高系统的灵活性，有利于降低电 源系统的体积和重量，减轻各电源模块中功率开关器件的电应力。从系统角 度来讲可实现冗余设计，提高系统可靠性1 8 】1 9 1 1 1 0 l 。所谓冗余是指；设n + k 台变 换器模块并联，其中n 台用以供给负载所需的电流，k 台为后备( 或称为冗余) 模块，当正在工作的模块出现故障时后备模块投入运行，这样正在工作的n 台模块中即使有k 台同时发生故障，电源系统也仍然保证提供l o o 的负载电 匿亩窒通太堂亟堡窕生堂僮诠塞箍2 豆 流。 大功率输出和分布式电源，使电源模块并联得以迅速发展。然而一般情 况下不允许模块输出间直接进行并联，必须采用均流技术以确保每个模块分 担相等的负载电流，否则，并联的模块有的轻载运行，有的重载甚至过载运 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，热应力分配不均，极易损耗。这将使系统的稳定性降低，会给我们的生 产和生活带来严重的后果，而且电源模块自身的寿命也会大大缩短。国外有 资料表吲儿】【1 2 】，电子元器件在工作环境温度超过5 0 。c 时的寿命是在常温 ( 2 5 。c ) 时的1 6 。本文正是针对开关电源并联均流技术问题，对其进行理论 研究和仿真分析。 1 2 模块化分布电源系统的发展及其特点 早在7 0 年代，分布式电源系统d p s ( d i s t r i b u t i n gp o w e rs y s t e m ) 概念就 已出现，最初应用于计算机供电系统和通信电源中。在此之前，每个通信系 统往往备有两套完全一样的电源设备，虽然提高了可靠性，但成本增加了一 倍【1 4 】1 1 5 】。相对于传统集中式供电系统，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。分布式 电源系统的引进，在提高可靠性和规范性的同时，也降低了成本，引起了人 们的关注。 厂i 输入 l i 阳 图1 - 1 分布式电源并联结构图 随着分布式电源系统的发展，越来越多的电源系统采用模块并联技术。 如图卜l 所示，多个开关电源模块灵活地并联组合成大功率分布式电源体系， 酉直奎通太堂亟殛窒塞堂焦迨塞蔓亟 是目前实现开关电源大功率化的主要途径。由于负载功率均分在各个并联模 块中，每个模块的容量减小了，简化了热设计，提高了系统可靠性1 1 6 】【1 7 j 【1 8 】。 模块电源具有独立性和灵活性，其容量可以任意扩展，更容易实现电源 系统的冗余。它完全打破了功率上的局限。可根据用户的需求、如同搭积木 似地任意组合模块，增大系统功率；使电源系统的体积、重量大为降低；且 系统可方便地采用冗余设计，从而提高了系统的可靠性，当某一模块发生故 障，可以热更换此模块，其他模块则平均分摊故障模块的负载，丝毫不影响 系统的正常工作，从而提高了系统的安全性【2 l 】【2 2 】【2 3 】。由于系统可由标准化的 模块组合而成，因而电源产品的种类也可减少，便于规范化，这样一方面可 降低不同容量电源的设计成本和重复投资，另一方面还可减少生产和维护费 用。所以，模块化电源为实现大功率、高可靠度的电源系统提供了可能。 由于模块化分布电源具有规范化、模块化设计，便于扩容，可靠性高， 功率密度大( 目前d c d c 电流模块中功率级的功率密度可达6 w c m 3 ) ，维修也 方便等特点，分布式电源系统也广泛应用在航天、大型计算机供电系统、通 讯电源系统、银行电源系统、仪器仪表和家用电器等许多应用领域中 2 4 1 1 2 s 3 1 】。 在模块化分布电源系统中，为了实现完全稳定可靠的全冗余系统，模块 化电源的并联技术则显得尤为重要，一直以来是电源领域研究的热点问题。 并联运行中每个模块的外特性不一致，外特性好( 电压调整率小) 的模块， 可能承担更多的电流，甚至过载，从而使某些外特性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可靠性大为降低， 因丽，在多模块并联运行系统中必须引入有效的负载分配机构或负载控制策 略。这种并联模块均流技术是实现模块化大功率电源系统的关键，它可保证 各模块间电应力和热应力的均匀、合理分配，防止一个或多个模块工作于电 流极限状态。 因此，实现开关电源模块的并联运行是进一步提高分布式电源系统运行 可靠性和扩大供电容量而需解决的关键技术问题，也成了近年来电源领域人 们研究的一个热门问题。 1 3 论文研究的意义 实现多个变换器模块的并联供电电源系统，以满足不同的负载功率及供 酉直童通盍兰砸堑窭生堂僮迨奎一一一一整! 亟 电可靠性要求。高频开关电源的模块化及其并联控制技术，是直流电源系统 从传统的集中式供电向分布式供电模式发展过程中必须解决的一个关键技 术。和集中式供电系统相比，分布式电源系统有更多的优点：能提高系统的 灵活性；可将模块的开关频率提高到兆赫级，从而提高了电源模块的功率密 度，使电源系统的体积、重量下降：各个模块的功率半导体器件的电流应力 减少，提高了系统的可靠性；可方便的实现n + i 冗余供电：减少产品种类， 便于标准化；并且分布式系统可非常方便地实现并联方式的扩展。当需要大 功率输出时，可采用小功率电源模块、大规模控制集成电路做基本部件，组 成“积木式”智能化大功率供电电源。这样做大大地减轻了对大功率元器件 和装置的研制压力。相关资料显示：开关电源并联技术在国外的发展也有相 当一段时间，但仍存在许多不足之处；近两年来，许多科研单位和院校也开 始涉足这一领域，因此，开关电源并联控制技术的研究具有深远的社会影响 和社会效益。 基于此，开关电源并联技术的重要性日益增加。但是并联的开关变换器 模块间需要采用均流措施，用于保证模块间电流应力和热应力的均匀分配， 防止一台或多台模块运行在电流极限值状态。因此采用可靠的均流措施是实 现大功率电源系统的关键。 针对大功率开关直流电源面临的并联均流技术难题，尤其是探索影响多 模块并联系统稳定性的根本原因，这对实现大容量电源系统的高功率密度和 高可靠性的意义是巨大的，其应用前景非常地可观。 1 4 本文所做的主要工作 本文主要包含两部分内容：输出阻抗法并联系统的分析和最大电流均流 法并联系统的分析。 1 4 1 输出阻抗法并联系统的分析 关于输出阻抗法并联系统的分析，本文主要做了以下四方面的工作： l - 详细介绍了输出阻抗法的原理。 2 分析了影响输出阻抗法并联系统暂态特性的主要因素，得到了暂态特 酉亩窒通太堂巫土殛窒垒璺焦迨塞筻嚣 性取决于各模块闭环输出阻抗的结论。 3 分析了影响输出阻抗法并联系统稳态特性的主要因素，总结了改善输 出阻抗并联系统稳态特性的主要控制策略，指出了非线性输出阻抗法的不足 之处。 4 提出了一种自适应调整闭环输出阻抗的方法，并详细的介绍了该方法 的原理和设计步骤。 1 4 2 最大电流均流法并联系统的分析 关于最大电流均流法并联系统的分析，本文主要做了以下四方面的工作： 1 介绍了负载电流均分方式。 2 对最大电流均流法均流结构进行了分析。 3 针对最大均流法的特点，对其进行了小信号模型分析。 4 介绍了并联均流电源系统的启动问题。 酉直童通盔堂亟硒塞生掌焦诠奎筻嚣 第二章开关电源并联均流技术 2 1 开关电源并联系统的发展概述 大功率电源系统需要用若干台开关电源并联，以满足负载功率的要求。 例如通讯用输出4 8 v 的a c d c 开关电源( 通讯工业中习惯称为开关型整流器 s w i t c h i n gm o d er e c t i f i e r ) 。目前单台最大输出电流可做到1 0 0 2 0 0 a ，对 于大型程控交换机等通讯设备，需要4 8 v 2 0 0 0 a 直流供电系统时，至少要1 0 台以上4 8 v 2 0 0 a 的开关型整流器并联才能正常工作。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，提高了系统可靠性。 电源系统的发展方向之一是用分布式电源系统代替集中式电源供电系 统。和集中式电源系统相比，分布式电源系统有更多的优点，如：输出功率 的可扩展性，使设计灵活；高可靠性：设计可以标准化；易于维护等。 图2 一i 及图2 2 给出了两种a c d c 电源系统的原理框图，输出直流 5 v 1 0 0 0 a ；三相5 0 h z 交流输入。 5 0 h z 图2 - i 集中式a c d c 电源系统原理框图 图2 - 1 为集中式，由5 v i o o o a 直流大电流母线集中供电给各个负载。 图2 2 为分布式。与集中式不同的是：这里无需5 v 直流大电流母线，而是 先由一级d c d c 变换器将2 7 0 v 降下来，接到5 0 v i o o a 直流母线，再经过若 干台5 0 v 5 v 并联的d c - d c 变换器，供给5 v 负载。分布式电源系统只用了 i o o a 母线，而集中式电源系统则需用1 0 0 0 a 母线。 k r 竺 斗北 一 匿童銮通太堂亟受窒圭茎焦迨塞篷2 亟 黧。爿囝型囵竺岛嚣 悟 当今供电系统的要求趋势一个是高可靠性，一个是大功率化，这两者都 与开关电源的并联运行控制密切相关。开关电源的并联运行主要有以下三个 好处：( 1 ) 可以用来灵活地扩大开关电源系统的容量：( 2 ) 可以组成并联冗余 系统以提高运行的可靠性；( 3 ) 具有极高的系统可维修性能，在单个模块出现 故障时，可以很方便的进行热插拔更换或维修。 为了提高供电系统的工作可靠性，开关电源系统都是由多个模块组成的 n + k 冗余( 备份) 系统。除了使系统增加了容错冗余功率外，采用冗余技术， 还可以实现热更换( h o tp l u g i n ) ，即在保证系统不问断供电情况下，更换 系统的失效模块【1 6 】【1 7 1 【1 8 l 。 对若干个开关变换器模块并联的电源系统，基本要求是： ( 1 ) 各模块承受的电流能自动平衡，实现均流。 ( 2 ) 为了提高系统的可靠性，每个模块应尽可能不增加外部均流控制措 施，使均流技术与冗余技术相结合。 ( 3 ) 当输入电压和或负载电流变换时，应保持输出电压稳定，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，以降低噪音。 均流的主要任务有： ( 1 ) 当负载变化时，每台负载的输出电压变化相同。 ( 2 ) 使每台电源的输出电流按功率份额均摊。 酉直童通盍堂亟殛窒垒堂焦迨窒篁g 豆 2 2 均流的概念 一套开关电源系统至少需要两个开关电源模块并联工作，大的系统甚至 需要数十个电源模块并联工作，这就要求并联工作的电源模块能够共同平均 分担负载电流，即均分负载电流。均分负载电流的作用是使系统中的每个模 块都能有效地输出功率，使系统中各模块处于最佳工作状态，以保证电源系 统能稳定、可靠、高效地工作i 1 i 。 负载均分性能一般以不平衡度指标来衡量，不平衡度越小，其均分性能 越好，即各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 。按照通信用半导体整流设备标准中描述的不平衡度，计算方法如 下： d 1 - ( k 1 一k ) 1 0 0 6 2 = ( k ：一k ) 1 0 0 d 。一( 必。一k ) 1 0 0 k = ，o k h3 l 。| l h 。 式中， ，。、，：、，。一各整流模块所分担的输出电流值： ，风、，h ：、，以一各整流模块额定输出电流值； 孓，一n 台整流模块输出电流总和； o 一 。 ，。一n 台整流模块输出电流额定值总和。 耍直童通盘堂塑硒宝垒堂僮迨奎篁2 更 2 3 并联均流的一般原理 在电源模块并联化的过程中主要解决的问题是模块间的均流问题，即如 何将负载电流平均地分配给每一个模块电源，同时使输出电压符合要求并保 证系统稳定。如果无法保证并联模块间负载电流的均分，必将使某些模块的 输出电流较大，而另外一些输出电流较小，甚至不输出。这会导致分担电流 多的模块开关器件的热应力增大，降低了系统的可靠性。此外为了实现可靠 的d c d c 模块并联还要解决包括提高系统容错能力和动态响应速度，降低噪 声等问颞 s 1 1 9 2 0 。 并联模块输出电流不平均的根本原因是模块参数的不一致，每一个d c d c 模块电源都有其相应的输出特性曲线。图2 3 为两个模块并联工作时的等效 电路及其外特性曲线。 i 百?i i ? a ) 并联等效电路b ) 输出外特性 图2 3 两个模块并联均流原理图 如果两个模块的参数完全相同，即= 圪。，r 。一r ：，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参考值较高，输出电 阻较小( 外特性斜率小) ，如图2 3 中的模块l ，则该模块将承受大部分负载 电流，负载增大，模块l 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。均流性能的优劣用均流精度来衡量。均流精度 酉壹童遁盍堂巫塑宜生堂僮迨塞蒸! q 亟 定义为： c s 。r ( 2 1 ) 式中n 为并联模块数，f 。为并联系统总输出电流，出一；为并联模块电 源最大电流与最小电流之差。 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 于各模块输如电压不相等引起。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系统，均流的基本思想是采样各自输出电流信号， 并把该信号引入控制环路中，来参与调整输出电压。选择不同的电流信号注 入点，可以直接调节系统基准电压、反馈电压误差、或者反馈电流误差，形 成多种均流方案，以满足不同的稳态性能和动态响应。 2 4 开关电源并联系统常用的均流方法 采用多台开关电源并联运行实现大功率电源系统是目前电源技术的发展 方向之一。原则上，多台电源并联构成的大功率电源系统，应像单台电源一 样，在输入总线和输出负载变化的情况下，除系统的输出电压等电特性始终 保持稳定不变外，还需能长期、无故障地可靠运行。这就要求系统在任何时 刻都得确保相关联的各台电源承受的电、热应力基本相当。也就是说，必须 采取某种相应的措施，保证系统不致因并联各电源承载情况的差异，造成电、 热应力不平衡而引起恶性循环，影响系统特性和可靠运行。均流技术( c u r r e n t s h a r i n gt e c h n i q u e ) 就是对系统中各并联电源的输出电流加以控制，实现尽 可能均分系统输出总电流，确保多台电源可靠运行的一种措施【2 4 1 1 2 5 1 3 1 1 【3 5 1 1 3 6 1 。 从目前国内外对均流技术的研究看，在并联的电源系统中，实现均流控 制常用的几种并联均流技术有： 1 。输出阻抗法( 斜率控制法) 2 主从设置法( m a s t e r s l a v e ) 3 平均电流自动均流法 4 最大电流自动均流法( 民主均流法) k ； 酉亩童逼太堂亟丛窭生堂焦迨塞墓! ! 蕴 5 热应力自动均流法 6 外加均流控制器均流法 高频开关电源模块并联均流技术实现均流控制原理的方式及特点在接下 来的段落里进行分析【3 l 3 8 1 3 9 】。 2 4 1 输出阻抗法 输出阻抗法也称电压调整率法，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。 圈2 - 4 输出阻抗法实现均流的一个例子 图2 4 表示用调节输出阻抗( 即调节外特性倾斜度) 的方法来实现近似 均流的一个例子。图中，凡为模块电流的检测电阻，与负载电阻串联。检测 到的电流信号经过电流放大器输出 ( o - - 5 v 电压) ，与模块输出的反馈电压 以，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矿比较后， 其误差经过放大得到k ，则随着该台电源输出电流的变动，k 将作相应变动， 通过e 调节该台电源内部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，k 上升，e 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性，使其它模 块电流增大，实现近似均流， 这个方法是最简单的实现均流的方法，本质上属于开环控制，在小电流 西直窑遒盘堂亟受嚣垒堂僮迨童簦1 2 亟 时电流分配特性差，重载时分配特性要好一些，但仍是不平衡的。其缺点是： 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。 可以采用引入输出电流反馈的方法实现均流。文献 2 1 给出了一种反馈 方案，在电压反馈型d c d c 变换器中将输出电流引入反馈回路中，这样当输 出电流增加时，输出电压将降低从而调节并联模块的输出阻抗，实现均流的 目的。 有许多因素在影响电流分配的不均匀性，如：元器件的容差，元件老化， 物理条件改变使元件性能的变化有差别等等。因此，在用输出阻抗法实现近 似均流以后，电源系统运行了一段时间，若发生上述变化，则电流分配又不 均匀了【3 3 】【3 4 】。 由于用输出阻抗法均流的系统电压调整率差，因此这一方法不可能用在 电压调整率要求很高( 例如3 或小于3 ) 的电源系统中。 2 4 2 主从设置法 这一方法适用于有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n 个变换器模块中，人为指定其中一个为“主模 块”( m a s t e rm o d u l e ) ，而其余各模块跟从主模块分配电流，称为从模块( s l a v e m o d u l e s ) 。图2 - 5 给出n 个d c d c 变换器模块并联的主从控制原理示意图。 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，其余的n 一1 个模块按电流型控制方式工作。为主模块的基准电压，y ， 为输出电压反馈信号。经过电压误差放大器，得到误差电压k ，它是主模块 的电流基准，与，( 反映主模块电流，的大小) 比较后，产生控制电压k ， 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e 调制，即模 块电流近似与形成正比。 耍砸至道盔兰亟堑容生兰僮途室簋13 豆 、，f 一 图2 - 5 主从模块设置法均流控制原理示意图 主模块 从模块 从模块 各个从模块的电压误差放大器接成跟随器的形式，主模块的电压误差矿 输入各跟随器，于是跟随器输出均为t ，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圯值调制，与主模块电流基本一致，从而实现了均 流。 主从控制法均流的精度很高，但存在的最大缺点是一旦主控电源出现故 障，整个系统将完全失控f 4 2 】【4 3 】f 删【4 5 】。此外，由于系统在统一的误差电压控制 下，任何非负载电流引起的误差电压的变化，都会导致各并联电源电流的再 分配，从而影响均流的实际精度。通常希望主控电源电压取样反馈回路的带 宽不宜太宽，主从电源闻的连接应尽量短。 2 。4 ，3 平均电流自动均流法 这种方法要求并联各模块的电流放大器输出端( 如图2 - 6 中的点a ) 通过 一个电阻r 接到一条公用母线上，称为均流母线( s h a r eb u s ) 。图2 6 为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。 酉直至通太掌亟堑究垒堂焦诠窒蕴! ! 更 图2 6 平均电流法自动均流控制电路原理图 均 流 母 线 k 图中，电压放大器输入为一和反馈电压，是基准电压和均流控 制电压k 的综合，它与进行比较放大后，产生e ( 电压误差) 来控制p 嘲 及驱动器。巧为电流放大器的输出信号，和模块的负载电流成比例，k 为母 线电压。 现在讨论两个模块并联( n = 2 ) 的情况，及：分别为模块1 和2 的 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 零时，可得下式： ( 巧，一圪) r + ( k ：一圪) r = 0 ，或k 一( 巧，+ 巧：) t 2 ( 2 - 2 ) 即母线电压k 是k 。和：的平均值，也代表了模块l 、模块2 输出电流的平均 傻。 巧与k 之差代表均流误差，通过调整放大器( a d j u s t m e n ta m p l i f i e r ) 输出一个调整用的电压k 。( k 可能大于、也可能小于巧) 。当= 吒时，电 阻r 上的电压为零，一- - - - 0 ，表明这时己实现了均流。当r 上有电压出现，说 明模块问电流分配不均匀，一k ，这时基准电压将按下式修正： 一；t k ，相当于通过调整放大器改变，以达到均流的目的。这就是按 平均电流( 即按k ) 法实现自动均流的原理。 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，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。而当共 酉直窒通盍堂亟班窒生堂僮迨室 筮! 更 一模块的电流上升到其极限值时，该模块的大幅度增大，也会使它的输出 电压自动调节到下限。 2 4 4 最大电流自动均流法 这是一种自动设定主模块和从模块的方法，即在n 个并联的模块中，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平衡，又称为“自动主从控 制法”。由于在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 是按电流大小排序，电流大韵模块，自动成为主模块，所以也有人称这个方 法为“民主均流法”。 图2 7 所示最大电流自动均流法与图2 - 6 所示垂匀平均电流自动均流法的 差别，仅在于将连接在电流放大器和均流总线之间的电阻用二极管( 令a 点 接二极管阳极，b 点接阴极) 代替。这时均流母线上的电压以反映的是并联 各模块的 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 电流是均衡的。如果某个模块电流突然增大，成为1 1 个模块中电流最大的一 个，于是 上升，该模块自动成为主模块，其它各模块为从模块。这时 圪= k 。，而各模块的巧与圪( 即嵋。) 比较，通过调整放大器调整基准电 压，自动实现均流。 图2 7 最大电流法自动均流控制电路原理图 均 流 母 线 圪 耍壶窒通太堂亟殛宝生堂僮诠窒篁! 豆 美国u n i t r o d e 集成电路公司根据最大电流自动均流法均流原理，研制开 发了u c 3 9 0 7 系列负载均流集成控制器 4 0 】【4 8 1 。为了减少主模块均流误差， u c 3 9 0 7 用单向缓冲器( b u f f e r ) 代替二极管。在a 、b 两点间介入如图2 8 所示缓冲器电路。应用u c 3 9 0 7 可以调节电源模块的电压并实现模块问的均流。 u c 3 9 0 7 的开发简化了并联电源( 线性或开关电源) 系统的设计与调试。 a 图2 - 8a 、b 两点间接一缓冲器 2 4 5 热应力自动均流法 均 流 母 线 这一均流方法按每个模块的电流和温度( 即热应力) 自动均流。图2 - 9 为其控制电路原理图。 图2 - 9 热应力自动均流控制电路原理图 模块负载电流经检测、放大后，输出个低带宽电压： 一禽k 箩 耍直窒运盔堂亟堑宜垒堂僮监塞篁! z 嚣 = k i t 4 ( 2 - 3 ) k 与a 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间均流的程度。电压”与模块 电流成正比，加到一个电阻电桥的输入端，电桥输出( a 、b 两点) 接一个放 大器的输入端：同时b 点接均流母线。电阻r 、| r ：在这里又起了加法和平均 电路的作用。因此，母线电压k 与n 个模块平均电流成正比： k = ( 1 + 2 + + y ；) n ( 2 4 j 每个模块的 值，经过飓、r 。分压电路，在相应的均流控制器的a 点， 产生电压圪，它反映了该模块的盯4 值。圪与经过窄频带比较器比较，若 圪 2 ) 时该结论也 成立。事实上，这时有 矿 = 争，j = 1 , 2 ，a ，n ( 3 1 0 j 厶甜 其中，k = z 。，。 3 2 1 闭环输出阻抗对输出电流暂态性能的影响 通常情况下，z 舻z 。：是通过一定的控制策略“虚拟”出来的，而不是 在变换器输出端簋接串接一电阻弘。j 僻2 ，因为这祥会额外消耗能量。不管是负 载电流前馈方式还是减弱电压环方式，其闭环输出阻抗都只是在一定频带内 逼近于咒。，而不是理想的电阻特性。假设两模块的闭环输出阻抗都可以简 化成一定带宽的惯性环节 = 焘叱2 ( 3 - 1 d 其中，t 为电压环响应时间常数。 将式( 3 1 1 ) 带入式( 3 - 9 ) 得 鱼。t , 2 s + 1 ( 3 1 2 ) i 0 20 。5 + l 西亩童湮太堂亟堑宝生堂焦迨塞整2 1 豆 如果它们的带宽一致，则电流大致可以均分。事实上，对于暂态情况下 的高频输出电流分量，由于z 。z 。，都已衰减到较小的值，这时线阻抗、输 出电容串联等效阻抗对电流分配起主导作用，所以暂态情况下电流分配也不 一定均衡。但从工程上来说，只要在较宽的频带内保持均衡即可。 如果它们的带宽不一致，则负载电流在高频段是不能均分的。 3 。2 2 闭环输出阻抗对输出电压暂态性能的影响 输出阻抗特性对于变换器输出电压的暂态特性也有很大的影响。文献 1 3 ，1 7 ，1 8 进往了较为详细的介绍，这里不作讨论。 3 3 输出阻抗法并联系统稳态特性分析 3 3 1 变换器并联控制系统的理想稳态特性 变换器并联控锖系统的理想稳态特性主要包括以下两个方面： ( 1 ) 稳态下输出电压精度高； ( 2 ) 各并联模块均匀分配负载电流或负载功率。 这两个性能指标都直接取决于所选择的并联控制方法。对于主从并联控 制方法来说，在增加了通讯线的前提下，可以使得这两个性能指标都能达到 较好的水平。而对于输出阻抗法来说，这两个指标是一对矛盾关系川。但可 以通过适当的设计，使得这两个指标都满足一定的要求。 3 3 2 影响输出阻抗法系统稳态特性的主要因素 对于单个的变换器来说，尽管设计时希望其闭环输出阻抗尽量小，但由 于器件参数漂移等原因的影响，实际情况下闭环输出阻抗并不为零。这将使 得变换器的输出电压随着负载的增大而下垂。图3 - 5 为两套变换器组成的并 联系统的简化框图- 其中，z z o ，分别表示两套系统的闭环输出阻抗，互批。、 z 。b l 。2 分别表示两套变换器到公共节点的线缆阻抗。这时有 耍亩窑遗太堂亟受壅垒堂焦硷塞整垫亟 协麓：趁笼兜 弦 i “。岂n 。2 一( z 。2 + z 曲6 k 2 x 。2 r - 二卜 ) 鼻b 太z o t 。肯以 6 1 u 里 i i 变换器1 变换器2 图3 - 5 两变换器著联系统简化框图 假设两套变换器的输入参考电压严格相等，即n 。；n 。：一u o 。，“，是 额定输出电压，并认为电压环无静差。这时有 z 。2 + z c k 2 。2z “+ z c a 6 k l z e 2 z e l ( 3 一1 4 ) 其中，z 矿z 。：定义为变换器的杂敖阻抗。其值为交换器非理想情况下的输 出阻抗与线缆阻抗之和。这说明，两套变换器直接并联时，输出电流的分配 取决于其杂散阻抗之比，丽与杂散阻抗的大小无关。一般情况下，闭环控制 的变换器的输出阻抗在数值上是很小的，而线阻抗也是很小的数值。两个取 值很小的杂教阻抗之比很容易受到一些随机因素的影响，如线缆的接线电阻、 控制器的参数误差等，这样就很难保证这个比值为1 ，以至于导致负载分配失 衡。 输出阻抗法的基本思路就是人为地扩大变换器输出阻抗的大小，使得变 换器的输出阻抗远大于变换器的线缆阻抗， z 0 ) z 啊6 坷，j = 1 ，2 ( 3 - 1 5 ) 这时式( 3 - 1 3 ) 就可以近似表示为 尘。纽 ( 3 1 6 ) 乞2z 。l 即输出电流的分配取决于这个故意加大了的输出阻抗之比。尽管这个加大了 的输出阻抗也常有, 4 - 1 的误差，但只要式( 3 - 1 5 ) 和( 3 7 ) 成立，就能得到 比较均匀的电流分配。 酉直窒通盍堂亟殛窒生堂僮诠室 筮塑厦 1 参考电压不等的情况 根据前面的分析，要得到均匀的电流分配，需要满足式( 3 - 6 ) 、式( 3 7 ) 两个条件。为方便分析参考电压对负载分配的影响，这里假设式( 3 7 ) 成立， 即暂不考虑输出阻抗以及线缆阻抗不匹配的影响。由式( 3 一1 5 ) 得 h i ： f 。t = = l( 3 一1 7 j r 。 即输出电流之差正比于参考电压之差。图3 - 6 是参考电压对负载电流影响的 直观示意图。在输出电流对输出电压的相平面中，负载线月。与输出电压“。的 交点代表平均输出电流，而每个模块的负载电流则平均地分布在平均电流两 侧。参考电压之差越大，输出电流之差亦越大。对于恒功率负载时也有相同 的结论。 i 芝1 0 2 一 一 ( c ) 图3 6 参考电压对负载分配的影响 由图3 7 可以看出，r 。越大输出电流的偏差越小，输出电压下降也越 多。要得到比较均匀的电流分配，需要比较大的r 。，而这又将牺牲稳态输 出电压的精度。所以，对于输出阻抗法来说，负载均衡和输出电压精度之间 是一对矛盾关系，二者不可兼得。设计时只能根据实际情况来权衡二者的关 系。设计时一般要求输出电压的精度在5 以内，而要求输出电流的匹配精度 在1 0 以内。文献 2 1 对于二者的相互关系有较为详细的论述，这里不再讨 论。 h 。 u ： 图3 - 7 尺。的大小对负载分配和输出电压的影响 对于采用模拟控制器的变换器来说， 精确相等，这就导致了参考电压的偏差。 两个变换器参考电压的给定不可能 同时，电压传感器误差也是导致参 西亩童通盍堂亟堑究生望焦途塞釜墨! 亟 考电压偏差的一个重要原因。考虑传感器的放大系数，并忽略输出阻抗不匹 配的影响，由式( 3 - 1 3 ) 得 守“ 2t “- z ，o i o - ( 3 - 1 8 ) 1 ， 一 f r 2 “口= 甜。2 一厶，0 2 其中耍舻七。：为电压传感器的放大系数，“：、h ：为经过传感器后检测出的电压。 整理式( 3 一1 8 ) 得 所以，电压传感器误差也会引起参考电压的误差。对于数字控制的变换 器来说，参考电压的数值是可以精确绘定的，这时参考电压的误差主要由电 压传感器的误差引起。 2 线缆阻抗不匹配的情况 如前所述，输出阻抗法的基本思路是人为地扩大变换器的输出阻抗以使 得式( 3 一1 5 ) 成立，而输出阻抗的增加又会增大输出电压的稳态偏差。若考虑 线缆阻抗的影响，并不考虑参考电压误差的影响，则线缆阻抗对系统稳态性 能的影响可以由图3 - 8 直观地看出。 “ 图3 8 输出阻抗不匹配对负载分配的影响 由式( 3 1 3 ) 得 恸 0 k 乙一k 乙一k 一 一 虹k 堕k 鲁 = 以 以 酉直变通盍堂亟硒窒垡鲎焦迨窒 整3 2 甄 c 。= 垒! l ：堡竺坐! 二兰! ! 自丝! ! 墨! ( f d l + f 。2 ) 1 21 + 0 5 ( z 。k 1 + z c # b l e z ) z 。 ( 3 - 2 0 ) 设z 。：= 0 ，则变换器l 的线缆阻抗对负载电流分配的影响如图3 - 9 所 示。由图可以看出，如果z 。占到z 。的1 0 时，电流分配误差已经接近l o ，再加之其他一些因素的影响，电流分配误差将超出1 0 的误差限，这是 不允许的。实际情况下z 。一般不超过等效额定负载的5 ，为一比较小的数 值，很难使得式( 3 1 5 ) 成立。而对于直流分布式电源系统来说，线缆阻抗的 影响更是不能忽略的。 e f j ： i 7 ； ； l l o1 02 03 04 05 0 z i d iz 。踊、 图3 - 9 线缆阻抗对负载分配的影响 3 3 3 改善输出阻抗法系统稳态性能的主要策略 文献 1 2 提出了一种自适应校正参考电压误差的方法。它通过对参考电 压进行自动补偿，来达到减小参考电压误差的目的。 文献 2 2 3 2 3 提出了一种自恢复技术( r e s t o r a t i o n ) ，它通过缓慢的调 整所有并联模块的参考电压来补偿由于输出阻抗而下垂了的输出电压，以提 高稳态时的电压控制精度。 而文献 1 1 提出了种自适应调整输出阻抗的方法。该文献采用减弱电 压环方式实现输出阻抗，并采用自适应增益调节( g a i n - s c h e d u li n g ) 的方法来 调整输出阻抗的大小。文献