（电路与系统专业论文）apfc电路并联均流技术的应用研究.pdf

西北大学硕士学位论文 中立摘要 论文题目：单相a p f c 电路并联均流技术的应用研究 摘要 本文在对a p f c 模块电路中的并联均流技术进行讨论的基础上，着重对内部 单元电路间的并联均流技术进行了深入研究，并对一种新的并联均流技术进行了 理论分析、模拟仿真，结合中功率( 3 k w ) z v t a p f c 模块电路实验，探讨了 这种并联均流技术应用在a p f c 电路中的设计方法。实验结果表明该种均流技术 对于实现中大功率的a p f c 电路是十分有用的，与其他均流技术相比，减少了成 本，简化了电路结构，使该电路的均流特性得到改善，同时也验证了文中采用的 设计方法是可行的。 关键词：a p f c ，并联均流技术，z v t ，b o o s t 变换器，谐波抑制 堕韭点堂堡! ：兰垡堡塞三兰! ：i ! 兰 a b s t r a c t an e wt e c h n i q u eu s e f u l f o r p a r a l l e l c o n n e c t i o no fc o m m u t a t l o nc e i l s 1 s i n t r o d u c e di nt h i sp a p e li tc o n s i s t so fu s i n gs m a l li n d u c t a n c e i no r d e rt oe n s u r e d v n 锄i ca n ds t a t i cs h a r eo ft h ec o m m u t a t e dc u r r e n t 锄o n gt h ed i f r e r e n ts w i t c h e s 0 p e r a t i o np r i n c i p l e ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e s i g n i n gp r o c e d u r e a r ep r e s e n t e d e x p e r i m e m a lr c s u l t s ， o b t a i n e df ma3 0 0 0 wb o o s tp r o t o t y p eu s i n gt w o c o m m u t a t i o nc e l i s t h ep r a c t i c a ic i r c u i tp r e s e n t e dap o w e rf a c t o ro fo 9 7 ，ah a 衄o n i c p e r c e n t ( i n p u tc u r r e n t ) o f6 5 a n da no v e r a l le m c i e n c yo f 9 7 5 t h er e s u l t sa c c o r d w i t hi e c 5 5 5 2a n dh a v eb e e nu s e dt ov a i i d a t et h et h e o r e t i c a la i l a l v s i sa n d d e m o n s n _ a t et h ee f i b c t i v e n e s so f t h ep r o p o s e dt e c h n i q u e i n d e x r e 衄s ：p o w e rf a c t o r c o r r e c t i o n ( p f c ) ， c u r r e n t s h a r i n g ，z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g ，h a 吼o n i c 西北大学硕士学位论文 独创挫声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作所取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表过或撰写过 的研究成果，也不包含为获得西北大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的教材。与我 一同工作的同志对研究所作的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 论文作者签字日期 塑韭查堂塑圭兰垡笙兰笠二至i ! 鱼 1 1 引言 第一章绪论 程控交换机用开关电源、变频调速交流电动机、荧光灯交流电子镇流器和近 年来大量使用的计算机等装置，几乎都采用了桥式整流和电容滤波电路作为 a c d c 变换器，从工频供电线路获得直流电源。这种电路由于其非线性特性使 交流输入电流波形严重畸变，基波成分减少，而谐波含量高达6 0 以上。这样高 的谐波含量对电力系统造成了严重污染，影响到整个电力系统的安全可靠运行， 同时造成很大的能源浪费。因此，对这些设备所产生的谐波必须加以抑制， i e c 5 5 5 2 和i e c l 0 0 0 3 2 国际标准及我国颁布的g b 厂r 1 4 5 9 5 9 3 电能质量公用 电网谐波国家标准对谐波含量都有明确的限制规定i l j 。 提高电路输入端功率因数和减小输入电流谐波的主要方法有以下两种： n ) 无源滤波器 这一方案是在电路的整流器和电容之间串联一个滤波电感，或在交流侧接入 谐振滤波器。 其主要优点是：简单、成本低、可靠性高、电磁干扰( e m i ) 小。 其主要缺点是：尺寸、重量大，难以得到高功率因数( 一般可提高到o 9 左 右) ，工作性能与频率、负载变化及输入电压变化有关，电感和电容间有大的充 放电电流等。 ( 2 ) 有源滤波器( 或称有源功率因数校正器) 在整流器和负载之间接入一个d c d c 开关变换器，应用电流反馈技术，使 输入端电流f 。波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使f 接近正弦。从而使输入 端总谐波畸变( n d ) 小于5 ，而功率因数可提高到接近l 。由于这个方案中， 应用了有源器件，故称为有源功率因数校正( a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) ， 简称a p f c 。 它的主要优点是：可得到较高的功率因数：t h d 小；可在较宽的输入电压范 围和宽频带下工作；体积、重量小：输出电压也可保持恒定。 主要缺点是：电路复杂；平均无故障工作时间( m t b f ) 下降；成本高；e m i 高；效率会有所降低。 文献【2 】中指出，早在1 9 8 4 年i e e e 就发表了“采用1 0 0 k h ，升压变换器的正 弦电流整流器”的最早关于a p f c 技术的文章，以后在1 9 8 6 年美国公布了“功 率因数等于1 的电源”的专利，这是较早较为完整的a p f c 电路设计文献。8 0 年代来期至今国际上兴起了a p f c 研究热，我国国内是从1 9 9 1 年开始出现a p f c 的专题论述文章，国际a p f c 技术的研究状况为： 1 在理论研究方面，从最初稳态分析到全面的稳态分析、小信号分析和大信 号分析；2 功率器件工作状态从硬丌关到软开关：3 ，电路拓扑以基本变换器拓扑 为基础，不断完善与创新，并重点为升压式变换器：5 容量从几十瓦到十千瓦级； 6 控制方式有峰值电流型控制、平均电流型控制、滞环电流控制型，并以平均电 流型控制为主；7 由初期的单相研究为主到对三相电路的研究。 目前国内外投入应用的主要领域：丌关电源、u p s 电源、电子镇流器、电焊 酉i e 盘堂亟堂焦论尘 一 笙二蔓劐皇垒 电源、电机驱动电源、程控交换机电源等。近几年通信技术迅速发展，丌关电源 在市话、长话、移动通讯、微波光缆，卫星通讯等多种专业领域得到广泛应用。 因此a p f c 也主要应用于通信领域内。 如今的发展趋势有： 新型电路拓扑研究：如文献 3 】中对并联技术的研究；建模理论研究：如文献 4 1 中对p w m 变换器的建模讨论，文中提出的三端口等效模型，在这方面的研究 很有影响；计算机仿真研究：如文献【5 中的c a d 系统的设计；新控制技术研究： 如文献【6 提出的延迟控制( d e l a yc o n t r 0 1 ) ；进一步实用化研究：如文献【7 】中对 b o o s t 变换器性能的改进。 纵观国内外研究和应用状况，可以看出a p f c 电路技术正方兴未艾，仍有许 多课题有待深入研究。 开关电源向高功率、高功率密度和高功率因数的趋势发展。高功率因数就必 须采用a p f c 技术，而开关电源的高功率和高功率密度的趋势也需要a p f c 向高 功率和功率密度的方向发展。实现高功率和高功率密度a p f c 模块的途径一是在 电路中采用更大额定功率的开关器件，二是采用并联的方法来分流，以城小开关 器件的电流应力。前者对开关器件的性能提出了更高的要求，而且实际运用中这 些较大功率的开关器件往往意味着较高的价位和苛刻的散热需要。这样就提高了 电路成本和降低了电路的功率密度，这与电源小型化的趋势是不相符的。后者运 用并联的方式来达到大功率的需求，可以使用额定功率低很多的开关器件实现较 大功率输出，这是一个低成本高性能的方案选择。 但是，在并联系统中必须仔细地设计电路布局以使多个分支单元间的电流偏 差减至最小。同时，各个单元中的开关器件存在不可避免的参数偏差，造成并联 运行的各个单元特性并不一致，外特性好( 电压调整率小) 的单元，可能承担更 多的电流，甚至过载。从而使某些外特性较差的单元运行于轻载，甚至基本上是 空载运行，其结果必然是分担电流多的单元电流应力大，热应力大，使该单元电 流应力过大而很快损坏，降低了整个装置的可靠性。因此，在并联的单元间需要 采用均流措施，它是提高功率密度和实现大功率电源系统的关键，也是新型电路 拓扑研究中的一个重要研究课题。这些措施用以保证单元问电流应力和热应力的 分配，防止一个或多个单元运行在电流极限( 限流) 状态。 如今，已有多种负载均流技术成功地运用于实际中1 9 l ，例如，输出阻抗法、 主从设置法、按平均电流自动均流法、最大电流自动均流法、按热应力自动均流 法、外加均流控制器法等。这些均流措施达到了均流目的。但是，往往器件较多， 结构复杂，增加了电路的设计难度，对整个电路的系统性能有很大影响，而且也 在一定程度上增加了电路成本，有些措施还必需依靠半导体生产厂家的特殊设计 产品( 例如u n i t r o d el c 公司开发的均流控制集成电路u c 3 9 0 7 才能实现。 h b r a g a 和i b a r b i 在1 9 9 5 年功率电子学年会( p e s c ) 提出一种新的并联均 流方法l j j ，在不增加电路复杂性的基础上，使并联单元间有着良好的均流特性。 本论文将这种方法运用于b o o s t a p f c 电路中，论文在调研和实验的基础上，对 该种新的均流措施进行了研究、仿真，设计并实现了3 0 0 0 wa p f c 电路。这些 工作对于实现大功率的a p f c 电路提出了一神新的思路，对于减小电路成本和大 功率器件研制压力都是非常有意义的。从查阅到的文献来看，国外对这种新的结 构应用仍然处于尝试阶段而国内还没有对此种并联方式的有关讨论和应用。 1 2 本课题的任务和主要工作 酉j i 盔堂亟堂鱼迨皇 玺二童结鼗 本课题来源于陕西省科技研究发展计划项目( 9 9 k 0 8 g 4 ) 。 本论文完成的一些主要工作可以归纳为以下几点： 1 】对开关电源并联系统中的并联均流技术进行了分析和研究 2 对一种新的均流方法进行了研究、仿真和实验。 【3 完成并联形式的主功率电路设计，将软丌关功率变换技术应用于该电路。 4 完成控制电路的设计和控制系统的稳定性分析 5 】对各元件参数进行标准化，完成了电路板的设计、制作和装配。 6 】对设计制作的电路进行了实验和数据采集，并对实验结果进行了分析。 西北大学硕士学位论文第二章并联系统的均流技术 第二章a p f c 电路及并联系统的均流技术 2 1a p f c 电路的基本原理1 9 2 1 1 功率因数校正 1 a c - d c 电路的输入电流谐波分量 从流电网经整流供给直流是电力电子技术及电子仪器中应用极为广泛的一 种变流方案。例如离线式开关电源( 即a c d c 开关电源) 的输入端，a c 电源 经全波整流后，一般接一个大的电容，这样可以得到波形较为平直的直流电压。 如图2 一l 所示，在输入电压波形的半个周期内，输入电压在a 点前小于输出电 容电压，二极管不导通，电流为零，在a 点和b 点之间输入电压大于输出电容电 压二极管导通，在b 点后二极管截止，整个电流的波形呈脉冲状。因此虽然输入 电流电压k 是正弦的，但输入交流电流f 波形却严重畸变。 。1 一爪 n | | 图2 1 电压波形和畸变的电流波形 由此可见，大量应用整流电路，要求电网供给严重畸变的非正弦电流，造成 的严重的后果是：谐波电流危害电网，使输入端功率因数下降。脉冲状的输入电 流，含有大量的谐波，使谐波噪声水平提高，从而在电路的输入端必需增加滤波 器以抑制噪声。大量的电流谐波分量倒流入电网，造成对电网的谐波“污染”。 结果在电流流过的线路产生谐波电压降，反过来使电网电压发生畸变；还会造成 电路故障，使变电设备损坏。例如谐波电流会引起电网l c 振荡；在三相电路中， 中线流过三相三次谐波电流的叠加，使中线过流而损坏。由于谐波电流的存在， 使变流电路输入端功率因数下降，负载上可以得到的实际功率减少。脉冲状的输 令电流波形，有效值大而平均值小。所以，电网输入伏安数大，负载功率却小， 当蓼垄塑功率因数下降。如果采用a p f c 电路对电路的输入电流进行校正弦，则 榆八功翠凼数可接近i 。 2 功率因数和t h d ( 1 ) 功率因数的定义 4 西北大学硕士学位论文第二章并联系统的均流技术 一般常用的功率因数是相移功率因数，相移功率因数用c o s 妒表示，妒为正弦 电压与正弦电流间的相位差。由于整流电路中二极管的非线性，尽管输入的电压 为正弦，电流却严重畸变，因此线性电路的功率因数计算公式不再适合于a c d c 整流电路，而是采用p f ( p o w e rf a c t o r ) 表示功率因数。 p f 定义为： 胛：鲁：) _ ( 2 _ 1 ) s y m s j w s 、1 其中，尸是交流输入有功功率，s 是视在功率，是电网电压有效值，。 是电网电流有效值。 设a c d c 变流电路的输入电压k ( 有效值矿) 为正弦，输入电流为非正弦， 其有效值为： ，= 矸+ ，；+ + ，：+ ( 2 2 ) 式中，j 。，：，l ，分别为电流基波分量、二次谐波、n 次谐波电流的 有效值。 设基波电流相位滞后巧相位，相位差为口，则有功功率和功率因数可表示 为： p = 玎l c o s 口 ( 2 3 ) 胛= 即0 8 = 印0 8 彳 ( 2 4 ) 式中 钐2 烁可而下 陋s ) 、，1 l 。o2o1nt 。 式2 5 表示以电流有效值相对值( 以非正弦电流有效值i 为基值) ，称为畸变 因数( d i s t o n i o nf h c t o r ) 或失真因数，c o s 妒称为位移因数( d i s p l a c e m e n tf a c t o r ) 。即功 率因数定义为畸变因数和位移因数的乘积。 ( 2 ) 输入功率因数与谐波的关系【9 】 总谐波畸变( t h d ) 的定义为： 脚：钐：面再习 ( 2 _ s ) 其中，。为所有谐波电流分量的总有效值。 由式2 5 和2 6 可得： 畸变因数 ，。，= 1 圻干j 再矿 ( 2 7 ) 当口= o 堕韭盔兰堡主堂垡堡塞 笙三垦茎壁墨堕堕塑堕垫查 p f ：“，：1 正丽歹 ( 2 8 ) 由该式可以推断出，当刀 5 时，p f 值可控制在o 9 9 。 2 1 2 功率因数校正的工作原理 有源功率因数校正a p f c 是抑制电流谐波，提高功率因数最有效的方法。从 原理上说，任何一种d c d c 变换器拓扑，如b u c k ，b o o s t ，n y b a c k 等等都可以用作 a p f c 的主电路。但是，由于b o o s t 变换器具有下面所叙述的优点，所以应用更 为广泛。 1 输入电流连续，e m i 小，r f i 低。 2 有输入电感，可减少对输入滤波器的需求。 3 可防止电网对主电路高频瞬态冲击。 4 输出电压大于输入电压峰值，对市电电压为1 0 0 v ( a c ) 的国家和地区也适 合。 5 功率开关容易驱动。 6 开关器件的电压不超过输出电压值。 图2 2 给出了一个b o o s t 有源功率因数校正器的原理图。主电路由单相桥式 整流器和d c d cb o o s t 变换器组成，虚线框内为控制和驱动电路。主电路的输 出电压环的检测值和基准电压比较后，输入给电压误差放大器v a ，整流电压检 测值和、a 输出电压信号共同加到乘法器的输入端，乘法器的输出作为电流反馈 控制的基准信号，与电流检测值比较后经过电流误差放大器c a 加到驱动器，以 控制开关q 的通断，从而使输入电流f ，的波形与整流电压的波形基本一致，使 电流谐波大为减少，提高了输入端功率因数。 幽2 2b 0 0 s t 有源功率闲数校正_ ； ： 原理幽 6 v 0 两北大学硕士学位论文 第二币并联系统的均流技术 圈2 3 经过校正后的输入电流0 和输入电压v d 波形 图2 3 给出输入电压k 和经过校正的输入电流f j 波形，由图可见，输 入电流得到校正，使原来呈脉冲状的波形，调制成正弦( 含有高频谐波) 波形。 在一个开关周期内，当开关q 导通时，流过q 的电流为0 ；当丌关关断时，流 过二极管d 的电流为f 。具有高频纹波的输入电流，取每个开关周期的平均值， 从而得到较光滑的近似正弦波。 随着开关电源日益广泛的运用，a p f c 电路也随之得以推广。在实现a p f c 大功率电路的过程中，增加每个弗联模块的功率密度成为a p f c 的发展趋势之 一，而在并联研究运用中重点需要解决的就是并联单元间的均流问题。一个并联 系统的均流特性直接决定了该系统的稳定性和可实现的最大功率。 2 2 并联电路中常用的均流方法| 9 j 文献 9 中对常用的均流方法有着详细的介绍，现简要摘录如下。 可实现均流的方法很多，如输出阻抗法：主从法；按电流大小自动均流法( 平 均电流法和最大电流法) ；按热应力自动均流法，外加均流控制器法等。这些方 法多是运用在并联的开关电源间，在电源内部的器件并联中( 增加功率密度) 其 中一些方法也经常运用，这是因为原理上来讲无论是模块问的并联或是模块内的 并联是一样的。对若干个开关变换器模块并联的电源系统的基本要求是： 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 2 1 输出阻抗法 国外文献称为d r o o p ( 下垂，倾斜) 法，调节开关变换器的外特性倾斜度( 即 调节输出阻抗) ，以达到并联模块接近均流的目的。有的文献也称为电压调整率 法。 图2 4 表示一个开关变换器的外特性( 或称输出特性) = ，( ，。) ，r 为丌 关变换器的输出阻抗，其中也包括这个丌关变换器模块连接到负载的导线或电缆 的电阻。当空载时，模块输出电压为。、。显见，当电流变化量为，时，负载 电压变化量为矿，故得矿出= 月，r 即为该模块的输出阻抗。实际上，y ， 西北大学硕二学位论文第二章并联系统的均流技术 指的是模块电流增加了时，模块输出电压的降落( 矿) 大小，因此矿，也 代表开关电源的输出电压调整率。 v 0 一? 划? 。 。e 二三 达 图2 4 开关变换器的外特性= 厂( o ) 由图2 4 可见，开关变换器的负载电压v o 与负载电流i o 的关系可用下式表 对两台相同容量，具有相同参数的丌关变换器相互并联的情况，如图2 2 ， 则有下式： l = 。、一只厶 2 = 。、一r 2 ，0 2 r l 、r 2 分别为模块l 及模块2 的输出阻抗( 包括电缆电阻) 。设r l 为负载电 阻，可解得： ，o 】= r 2 i + ( 1 一2 ) r 】尺 ，0 2 = r - ：+ ( 。一2 ) q 】r 。 式中 尺= r i r 2 + 月l ( 月j + r 2 ) v 0 础 v 0 v 0 i o ，1 0 l 剧2 5 两台并联的开关变换器及外特性 + r l 西北大学硕士学位论文 第二章并联系统的均流技术 由图2 5 可见，当负载电流为，= ，。+ ，。2 时，负载电压为v o ，按两个模块 的外特性的斜率( 即电压调整率) 分配负载电流i l ，斜率不相等，电流也不相等： 当负载电流增大到，= 。+ ，。：。时，负载电压为。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a 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。 图2 6 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，r 。为模块电流的检测电阻，电流信号经过电流放大器输 出u ( o 一5 v 电压) ，与模块输出的反馈电压，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e 比较后，其误差经过放大，得到吒控制脉宽调 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，以上升 t 平 l 斗v i l 一士 电流蔟大目兰兰三孔 幽2 6 输“i m 抗法实现均漉的一个侧了 9 西北大学硕士学位论文 第二二章井联系统的均流技术 由于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 2 2 、主从设置法 幽2 7 主从模块设置法均流拧制原理示意幽 这一方法使用于由电流型控制的并联丌关电源系统中。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。 主从设置法是并联的月个变换器模块中，人为指定其中一个为“主模块” ( m a s t e r m o d u l e ) ，而其余各模块跟随主模块分配电流，称为从模块( s l a v e m o d u l e s ) 。图2 7 给出”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l 为主模块，按电压控制规律工作， 其余的n 一1 个模块按电流控制方式工作。为主模块的基准电压，矿，为输出电 压反馈信号。经过电压误差放大器，得到电压误差k ，它是主模块的电流基准 与巧( 反映主模块电流，大小) 比较后，产生控制电压圪，控制脉宽调制器和 驱动器( 图中未画出驱动器) 工作。于是主模块电流将按电流基准吮调制，即模 块电流近似与成正比。 各个从模块的电压误差放大器接成跟随器形式，主模块的电压误差屹输入各 跟随器，于是跟随器输出均为圪，它即是从模块的电流基准，因此各个从模块的 电流都按同一圪值调制，与主模块电流基本一致，从而实现了均流。 西北火学硕士学位论文 第二章并联系统的均流技术 用主从设置法均流的主要缺点是：1 主从模块间必须有通讯联系，使系统复 杂。2 如果主模块失效，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。3 电压环的带宽大，容易受外界噪声干扰。 2 2 3 按平均电流值自动均流法 应用这一方法，要求并联各模块的电流放大器输出端( 如图2 3 中的点d ) ， 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 ) ，其带宽应 较窄。图2 8 画出了 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。 图中，电压放大器输入为+ 和反馈电压，一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( 电压误差) ，控制p w m 给驱动 器。k 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 一2 ) 的情况，_ 及：分别为模块1 和模块2 的电流 “卜司兰兰到毳 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： ( _ ，一k ) r + ( 2 一k ) r = 0 ，或k = ( _ + 2 ) 2 即母线电压k 是_ 。和：的平均值，也代表了模块1 、模块2 输出电流的平均值。 k 和之差代表均流误差，通过调整放大器( a d j u s t m e n ta m p l m e r ) 输出一 个调整用的电压屹。( 圪可能大于、也可能小于k ) 。当h = 时，电阻r 上的 电压为零，圪= 0 ，表明这时已实现了均流。当r 上有电压出现，说明模块问电 西北大学硕士学位论文 第二章并联系统的均流技术 流分配不均匀，k 不等于k ，这时基准电压将按下式修正：k 。= 砟屹，相当 于通过调整放大器改变p 。，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，当具体应用时，会出现一些特殊问题。例 如，当均流母线发生短路，和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 电流上升到其极限值时，该模块的k 大幅度增大，也会使它的输出电压自动调节 到下限。 2 2 4 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法，即在”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，他们的电压误差 一次被整定，以校正负载电流分配的不均衡，又称为“自动主从控制法”。由于 在肝个并联的模块中，实现没有人为设定哪个模块为主模块，而是按电流的小排 序，电流大的模块，自动成为主模块，所以也有人称这个方法为“民主均流法”。 在图2 8 中若盯、6 两点问的电阻用一个二极管代替( 令盯点接二极管阳极， 6 点接阴极) ，这时均流母线上的电压圪反映的是并联各模块的k 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，“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n 个模块中电流最大的一个，于是k 上升，该模块自动成为主模 块，其它各模块为从模块，由前所述可知，这时，圪= k 而各从模块的k 与圪 ( 即k 。) 比较，通过调整放大器基准电压，自动实现均流。但是，由于二极管 总是有正向压降，因此，主模块的均流会有误差，而从模块的均流则是较好的。 根据最大电流法自动均流的原理，u n i t m d ei c 公司开发了“均流控制器集成 电路”u c 3 9 0 7 。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 腩r ) 代 替二极管。在a 、b 两点间介入如图2 9 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f 线性或 开关电源) 系统的设计与调试。下面简要介绍u c 3 9 0 7 的原理、特点与应用。 u c 3 9 0 7 主要由电压环与电流环( 包括均流控制) 组成。电压环中包括高阻 抗全差动电压放大器、接地放大器和驱动放大器。后者的输出端通过外接光电耦 合电路与电源模块的p w m 相联接。电流环中包括低损耗、固定增益电流放大器、 缓冲放大器和调整放大器，用以产生调整基准电压的信号矿，u c 3 9 0 7 的基准电 压调节由均流母线电压确定哪个模块的输出电流最大，指定它为主模块，而其余 西北大学硕士学位论文 第二章并联系统的均流技术 a 图2 9a 、b 两点间接缓冲器 均 流 母 缝 均为从模块，它们的电流跟随主模块的输出电力，误差在2 5 以内。均流母线 开路或短接都不会影响各电源模块独立工作。 2 2 5 热应力自动均流法 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 一1 0 给 出热应力法均流控制电路原理图。模块负载电流经检测、放大后，输出一个低带 宽电压 ： y t = k n ” 七与口为常数；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j 下比，加 到一个电阻电桥的输入端，电桥输出( a 、6 两点) 接一个放大器的输入端：同 时6 点接均流母线。电阻蜀、马在这里又起了加法和平均电路的作用。因此， 母线电压以与”个模块平均电流成正比： = ( i + 2 + ) n 每个模块的值，经过只，、r 。分压电路，在相应的均流控制器的a 点，产生电 压圪，它反映了该模块的刀。值。圪与圪经过窄频带比较器比较，若圪 圪，则 r ，中电流增大，电压放大器输出电压圪发生变化，该模块的输出电压上升，输 出更多电流，使圪接近圪。当均流母线有故障时，电阻月。限制了圪偏离k 的最 大偏差，以保持系统的正常工作。 电源系统中各并联模块在电源柜中所处的位置不同，对流情况和散热条件也 不同，结果有的模块温度高，有的模块温度低。但按热应力自动均流可以在设计 电源柜时，不必考虑各模块的布置情况。此外，由于回路频带窄，对噪声不敏感， 设计时也无需考虑电源对噪声的屏蔽。 塑! ! 盔兰堡圭堂丝堡塞一 笙三童塑墨竺堕望! ! 查 幽2 1 0 热成力自动均流控制i u 路原理| 笙| 2 2 6 外加均流控制器均流法 应用这个方法时，在每个模块的控制电流中都需要加一个特殊的均流控制 器，用以检测并联各模块电流不平衡情况，调整控制信号旷，从而实现均流。图 2 1 i 为各并联的电源模块中的一个模块均流控制电路原理图。图中突出了均流 控制器s c ，其输入为反映模块负载电流的信号 ，由电流放大器( 图中未画出) 供给，贮输出矿与基准电压和反馈电压矿，( 由电压检测器提供) 综合比较后， 输出 经过电压放大器，控制p w m 及驱动器。各均流控制器的另一端6 接均流 母线。 图2 一i i 外加均流控制器的均流掩制l u 路原耻幽 v 0 设n 个并联的模块输出功率相等，电流检测、放大等电路也都一样。个并 联模块的均流控制器s c 联接如图2 1 2 ，其中，”个均流控制器的输入端分别 接。、_ ：、，；输出端分别为k ，、k ：、p 西。b 端则并联到均 流母线上。 当”= 2 时，均流控制器的工作原理可用图2 一1 1 来说明。图中放大器1 为 加法器，放大器2 为比较器。加法器输入端经开关瓯( = 1 ，2 ) 接到均流母线。 西北大学硕十学位论文 第二章并联系统的均流技术 当所有开关s 都合上时每个加法器的输出电压圪与通过第k 个比较器比较 均 流 母 蛙 图2 一1 2n 个均流控制器的联接图 如果有差别，表示两个模块负载电流不均衡，该均流控制器若为比例控制 输出电压珞由下式决定： d2 一爿( k 女+ 屹) ，女= l ，2 a 为比例系数。调节第k 个模块的输出电压，使第k 个模块电流跟随平均电流， 从而实现均流。 对h 个并联模块来说，如果第i 个模块失效，则第七个均流控制器的开关墨断开， 第个从均流母线上撤出，则这时及圪代表剩下的n 一1 个模块的平均电 流： l 惭一1 ) ，= 1 ，2 ，七一1 ，女+ 1 ， 图2 一1 3n ：2 时均流控制器的原理图 根据上述原理，可实现n 一1 个并联模块的均流。 堕韭叁堂塑主竺笪鲨塞 笙三至茎壁墨堕盟塑堕i ! 查 应用这一方法实现自动均流，可使n 个并联模块的电流不均衡度在5 以内。 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。 2 3 一种新的均流方法1 3 尽管十几年来功率半导体器件有了很大的发展，但是功率电子电路设计者在 大功率的应用中，还是常常找不到合适的开关器件。当设计者在考虑减小成本时， 也会碰到这个问题。如果实际应用中通过相关电路的电流很大，通常的解决方法 是并联一定数量的相关器件。这种方法可以运用额定功率小几倍( 由并联的个数 决定) 的相关器件，一般说来这种器件相对便宜。但是每一类开关器件，都有一 系列在设计时必需采用的推荐参数，否则在并联的各单元间不会有理想的电流分 配。所以必需仔细设计电路拓扑以减少各分支间的电流偏差。但是很难保证丌关 器件参数相同，所以就不可避免使某些器件过载或轻载，这就会降低装置的稳定 性。可以想象随着并联单元的增加，这个问题也会更加突出。 针对这些问题，提出了一些解决途径。其中一个重要的方法是在并联的单元 间加入电流分配器( c u r r e n ts h a r i n gr e a c t o r s ) l ，该措施增加了功率容量，并且 可用于三相变换器，但是无疑增大了成本，且只能并联偶数个器件。还有一种方 法也可以增大输出功率并且可以并联奇数个器件( 也要用电流分配器) j 。一些 厂家生产的功率器件模块可以达到上述的目的而不用电流分配器j 【挖】，但是这 种器件是昂贵的，且通常要取决于半导体生产者是否有新的设计来实现它。 对并联方法进行改进的一种方式是采用交错结构( i n t e r l e a v i n gt e c h n i q u e ) ”“，如图2 1 4 所示( 以并联两个为例) 。实际上，这种结构是多个自激变换器 并联，每一个变换器都有自己的驱动信号。这种电路结构也同样可以用更便宜的 元件，可以使功率密度增加而不用降低功率变换率。但是这种电路结构比较复杂， 使成本增加并减小了整个装黄的稳定性。而且它也同样存在负载均流问题，因为 并联的各模块外特性存在一定的偏差，从而使外特性好( 电压调整率小) 的模块， 可能承担更多的电流甚至过载，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。为了保证电流分配的均衡，整个电路需要加入一些用于均流的元器 件，每一个m o s f e t 都得加一个额外的电流传感电阻和一些额外的电路。随着并联 单元数量的增加，这些附加的电路、元器件的必要性也随着增加。 在文献【3 中介绍了一种新的均流方法，现在介绍、分析如下。如图2 1 5 所 示，用电感( 称为平衡电感) 将电路单元并行连接起来。这种并联方式具有的一 些特性： ( 1 ) 所有开关器件可以由同一个门极驱动信号来驱动。 ( 2 ) 由于采用这种并联方式的电路，寄生电感和电流偏差在开关器件转换的 时候不会干扰电流的分配过程“0 1 ，因此在各装置之问有着自然的静态和动态电流 平衡，从而对电源部分的布局要求不高。 ( 3 ) 此外，和一个开关器件的电路不同的是，二极管的反向恢复电流是由并 联的各个二极管来共同分担的。 在图2 1 5 中，假定电路工作于连续电流工作方式下，在节点c 电流厶与分支 的个数、电感的大小和开关技术无关，换句话说，电流堪本上是外部电压源和 西北大学硕士学位论文第二章并联系统的均流技术 a c l l 耽 t l 图2 1 4 交错并联方式 图2 一1 5 新的并联方式 s 。s l 为m o s f e td 。d l 为二极管 开关频率的函数，从而可以将c 点看为电流源。t 。和t ：应该接电压源或者是电容， c 点接电流源或者是电感。图2 一1 5 中由于任意两个相邻开关器件导通特性是接近 的，所以平衡电感将连续的处于短路的状态，平衡电感电流符合诺顿定理从而满 足图2 1 5 中给出的表达式也就是说稳态时并联单元平均分配了稳态电流。该并 联方式对应于b 0 0 s t 变换器的电路如图2 1 3 所示，是并联了两个p w m 电路单元( 单 元由一个m o s f e t 和一个二极管) 组成。 a c 图2 一1 6 基于新的并联方式的2 j n l 一b 0 0 s t 变换器 弘 西北大学硕士学位论文 第二章并联系统的均流技术 图2 1 6 对应于每一个单元的输入特性和单个单元的b o o s t 变换器是一样的， 所以可以将c 点看为一个直流电流源。和2 1 5 图一样，图2 1 6 中的l i 在稳态时 是处于短路状态，这样稳念时l i 上的电流恰好是输入电流的一半，也就是说可以 将l ，看为一个电流值是输入电流值一半的一个电流源。如果其中一个元件关断或 导通时有延迟这个电流源将不允许任何一个丌关独自承担全部电流。这些描述的 等效电路图如图2 1 7 所示。按同样的方法，可以给出通用的电路图。 幽2 一l72 i n l b o o s f 变换 | 等效i ! f i 图2 一1 6 中，电路控制由u c 3 8 5 4 集成电路用平均电流控制方式完成，两个丌关器件 由同一个门极驱动信号驱动，这一点决定了变换器的可靠性和简单化。这个新并 联方式的最主要的优点是各个开关器件能自然地平均承担全部输入电流。虽然， 采用交替方式的电路也有这个特点，但是在没有另加相应的均流措施时，各支路 的电流偏差将是一个很严重的问题( 出现某些或某个器件轻载甚至空载) 。 剀2 一1 8 多单儿变换器等效l u 路 图2 1 6 中的参考电流模块将提供一个参考信号，这个信号是f 弦波形。这种 控制方法强迫l 的电流跟随砥弦波形，从而提高功率因数。 以上的分析中没有考虑串联的平衡电感的寄生电阻，实际上这个参数不会影 响电流的分配这是因为其值远小于丌关器件导通时的电阻值。在试验电路中所用 的平衡电感的阻值为8 毫欧，这个值不到所用开关器件的1 0 。 2 4 数学模型与计算机仿真“”“” 为了进一步对上述电路进行分析，论文对这种结构的电路进行了仿真。在 a p f c 电路中，变换器属于时变非线性周期工作系统，很难用拉氏变换等经典分析 方法进行研究。所以对这种电路常用的建模方法是状态空问平均法，它从变换器 西北大学硕_ ：学位论文第二章并联系统的均流技术 出发，对电路中的非线性丌关元件进行平均和线性化处理，得到各种变换器连续 工作模式的线性等效电路。美国佛吉尼亚功率电子中心的v v o r p e r i a n 在这种平 均法的基础上提出了三端开关器件模型法，把变换器的开关管和二极管作为整体 看成一个三端开关器件，用其端口的平均电压、电流的关系来表征，然后把它们 适当地嵌入到要讨论的变换器中，变成平均等效电路。图2 2 0 中， r = d ( 1 一d ) o( 2 9 ) 其中是输出电容的寄生电阻和负载电阻并联值。 蚓2 1 9 祭奉b o o s tp w m 变换器 文献 1 3 给出了利用上述等效模型的线性输出模型，如图2 2 1 所示，图中 将图2 1 9 虚线框中的二极管和开关管( 合称为一个p w m 单元) 等效为一个三端元 件。 a r c p 幽2 2 0p 帅i 单兀的等效i u 路 将这个等效模型应用到b o o s t 变换器中就可以得到如图2 2 1 所示的平均等效 模型。 现在将这个等效模型用在并联电路中，通过这个模型来给出两p w m 单元b 0 0 s t 电路的平均等效模型，以对其进行定量分析。 2 4 1 线性输出模型和仿真 图2 2 2 是图2 一1 6 线性输出p w m 丌关模式的等效图。在这个图中，整流桥 被认为是一个电压源，每一个p w m 单元都用一个三端元件来表示，为了便于分析， 一些无源器件的寄生电阻被忽略( 如图2 2 l 中的电感电阻，和电容电阻r ) 。 西北大学硕士学位论文第二章并联系统的均流技术 矿r 幽2 2 2 线性输等效模型幽 止驾箸迹 ( 2 - 1 0 ) h 0 ) 1 w 型一鱼r o x 2 ，+ 厶s 扭 e ( s ) 一日0 ) 一 趔：! ! 墨鱼丛 e ( s )月( s ) 在r r 和三。 ) 一0 日 3 9 日 i 厂：型尘竺竺竺一一： l ， l ；尸。i 曩爱叠蠹= 二= = i f 一一一一一一一一一一一一一1 一一一一一。一一一一一+ 一一一r 一“一一一一一一一一一一一一j 0 s 0 5 m 8 口i ( l 1 ) i ( l 1 ) 1 0 m s t i m o 图2 2 3 电压阶跃响应( 仿真波形和等效模型波形) a 输i | ；i u 艇b 输入l u 感l u 流c 卜衡l u 感l u 流 r 。翮口口； c 乏萄二二丽二二：丽二 c c ：li 口晨 c a i 口口意 z 扯 z9 7 29 8 29 9 “ 5 坫 图2 2 4 静态j b 流比较( a ) n 叱流( b ) o i “流( c ) 仇i 卉阳) n j | i 滞 然均流特性，甚至在不协调的门极驱动信号( 仿真时q ：的驱动信号比q l 延迟 4 0 n s ) 下，电流的尖峰也会小到可以忽略的程度。 夸查功率的p f c 电路中，当采用多路单元并联的结构时，各支路问电流的均 塑要皂孥实墨的技术关键；用多单元并联b o o s t 变换器具有很好的自然均流藉枉 这种多单元并联变换器同时具有比较理想的静态与动态特性。 西北大学硕士学位论文第_ _ _ 二章并联系统的均流技术 2 4 2 控制输出模型和仿真 上面讨论了电路的线性输出特性，但必需关注的另一点是电路的控制输出特 性，以确定这种电路是否可以采用常规结构中所采用的控制策略。图2 2 5 给出了 控制输出等效模型。在这个电路中，输出支路被简化为直流电压源。在进行动态 分析时，需要给出一个参考工作点，在变换器电路中这个参考工作点对