直流变换器并联运行时的环流和振荡控制

1、直流变换器并联运行时的环流和振荡控制        摘要： 图1    两个正激电源模块并联系统     图1模块1中，S1是同步整流管，S2是续流管，L1是滤波电感，C2是滤波电容，R是并联系统的负载。S3是MOSFET开关，控制变压器原边线圈的导通。C1和D4构成变压器原边线圈的续流回路。     由于S1代替了原来的二极管，使得原本只能单向导通的支路，允许反向电流通过。在并联系统中，当两个模块之间存在差异时，输出电压会有

2、差值，这是导致整流回路出现环流的主要原因。     两个模块的输入电压相同，控制方式都相同，当其中一个模块的参考电压较高时，这里假设模块2的参考电压较高，就会导致S7的导通角要大于S3，使模块2的输出电压较高。     这时，从输出端看，可以将两个模块分别等效为理想电压源与电阻串联的结构。如图2所示。 图2    并联等效电路     从图2可以很明显地看出，当Vout2>Vout1时，极有可能构成回路，产生环流。 2    产生自激振荡时

3、的理论分析1     由于环流现象的存在，使得如图1所示的并联运行的电源系统会产生自激振荡现象。     根据开关状态不同，可以分为4个时段。     1）状态1    S3关断，S1关断，S2导通。     此时模块1的等效电路如图3所示。图中Lm是变压器的励磁电感，Cp是变压器原边等效到副边的电容值，S1，S2和S3关断时分别等效成电容CS1，CS2和CS3，V2是输出电压。     Cp=n2CS3（1） 式中

4、：n为变压器变比。 图3    等效电路1     此时vS2=0，加在S1两端的电压为     vS1=Lm（2）     iLm=(n2CS3CS1)（3）     L1=V2（4）     由于S1由导通到关断，vS1的初值为零，可以得到     vS1(t)=iLm0Lmsin(t)（5）     iLm(t)=vS1dtiLm0（6）  

5、   iL1(t)=tiL10（7） 式中：iL10和iLm0为iL1和iLm的初始值。     =（8）     当vS1减小到零时，进入状态2。     2）状态2    S3关断，S1导通，S2关断。此时的等效电路图如图4所示。 图4    等效电路2     此时有vS1=0。且     vS2=Lm（9）     iLm=iL1

6、(n2CS3CS2)（10）     vS2L1=V2（11）     由于vS2的初始值为零，可以得到     vS2(t)=（12）     iLm(t)=vS2dtiLm0（13）     iL1(t)=vS2dttiL10（14） 式中：     A2=（15）         =（16）     &

7、#160;   2=arctan（17） 其中：iLm0和iL10为iL1和iLm在第二阶段的初始值；       Ts为单位时间。     3）状态3    S3导通，S1导通，S2关断。此时的等效电路图如图5所示。 图5    等效电路3     V1/n是变压器副边绕组的电压，此时iL1和iLm都线性增长。     iL1(t)=tiL10（18）   

8、;  iLm(t)=tiLm0（19）     4）状态4    S3关断，S1导通，S2关断。此时的等效电路图和状态2是相同的，所有量的时间函数表达式也都相同，只是初始值不同。 3    仿真和实验结果     为了验证上述环流和振荡现象的分析结果，用Pspice对图1所示的两个自驱动的电源模块系统进行了仿真，并制作了实验模块。     仿真和实验系统的主要参数为：输入电压60V，输出电压5V，开关频率为200kHz。并使模块2单独运

9、行时的输出电压略高于模块1的输出电压。     图6和图7分别为仿真结果和实验结果。其中V1为模块1中整流管S1源漏极之间的电压；V3为开关管S3源漏极之间的电压。 图6    仿真波形 图7    实验波形     仿真结果和实验结果表明，由于环流的存在，使得在并联系统中出现了自激振荡现象。 4    解决环流及振荡问题的几种措施     并联运行的电源模块出现环流和振荡后，会影响系统的正常工作。必须采取适当的措施

10、避免环流和振荡现象的产生。可以采取如下措施。 4.1    电阻器法 开关电源开关电源的输出要求不高时，可以使用本方法。 4.2    采用检测的手段加以控制消除 开关电源模块中加入电流检测器，当某一模块的电流发生非正常变化时，将检测到的信号送到控制器，控制器通过控制电路使该模块恢复正常工作，防止环流现象的发生。     这种方法可以与均流控制相结合，在防止环流产生的同时，使电流在各个模块之间均匀分配。 4.3    改变整流MOSFET的驱动   

11、60; 图8所示为一自驱动同步整流模块。 图8    自驱动的电源模块     电路在多模块并联运行时，当某一模块因某种原因停止输出电压时，由于其它模块仍在工作，且该模块输出端与其它模块相联，故输出电压Vout仍然存在。这时虽然该模块不工作，但是由于结构上的原因，S1和S2的源极与漏极的电压为Vds=Vout，栅极与漏极的电压为Vgs=Vout，因此S1和S2都导通，从而将Vout短路，势必导致环流。     改进后的自驱动模块如图9所示。 图9    改进自驱动的电源模块

12、    S5和S6是P沟道MOSFET。当模块正常工作时，S5和S6只起驱动电压缓冲作用，不影响S1和S2的驱动电压波形。当模块不工作时，虽然Vout仍然存在，但由于S5和S6的阻断，电压Vout不能加到S1和S2的栅极上，而且由于电阻R5和R6，静电不会在栅极上积累，此时S1和S2的管脚电压为Vds=Vout及Vgs=0。因此，S1和S2都不会导通。这样便有效地改进了自驱动结构。     整流MOSFET的驱动不用自驱动，而用他驱动。将前面的单整流MOSFET结构按此方法修改后如图10所示。整流MOSFET S1的栅极接到PWM控制电路上，改变了原来的十字交*（Cross-coupled）结构，避免了环流和振荡的产生。 图10    他驱动方案1    将有两个整流MOSFE