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：开关电源并联系统产生的环流和振荡会对电子元件产生高电压冲击，降低功率因数，并且使并联的各个模块之间产生抑止。因此，对开关电源并联系统的技术研究得到了广泛的关注。分析了直流变换器并联系统产生环流和振荡的原因和过程，并通过实验结果得以验证。最后总结出几种有效解决并联系统环流和振荡问题的方法。关键词：直流变换器；并联；环流；振荡引言多个开关电源模块并联是解决大功率供电系统的关键技术，它的优点是，可    摘要：开关电源并联系统产生的环流和振荡会对电子元件产生高电压冲击，降低功率因数

2、，并且使并联的各个模块之间产生抑止。因此，对开关电源并联系统的技术研究得到了广泛的关注。分析了直流变换器并联系统产生环流和振荡的原因和过程，并通过实验结果得以验证。最后总结出几种有效解决并联系统环流和振荡问题的方法。    关键词：直流变换器；并联；环流；振荡引言多个开关电源模块并联是解决大功率供电系统的关键技术，它的优点是，可以灵活组合成各种功率等级的供电系统、提高了系统的可靠性、通过N1冗余获得容错冗余功率、可以实现热更换、便于维修等。原来应用于开关电源中的整流器二极管，由于效率较低，大部分已经被MOSFET代替。这样，在采用高效率MOSFET的同时，也产生了

3、一些问题。在同步整流器中的MOSFET相当于一个双向开关，它不仅可以通过正向的电流，也允许反向电流通过。在同步整流器中，控制MOSFET的电路与MOSFET导通电路形成了交叉连接（cross-coupled）。这样一种电路的拓扑与晶体管多谐振荡器很相似，也就是说，这种电路本身就可以形成振荡。所以，模块并联运行时，由于各个模块输出电压之间的差异，会导致输出电压高的模块与输出电压低的模块之间产生环流，形成振荡。这样，输出电压低的模块不仅不对外提供电流，还吸收输出电压高的模块的电流；输出电压高的模块不仅要提供负载电流，还要提供其它模块的电流。因此，输出电压高的模块就会受到大电流的冲击；振荡会产生大的

4、电压冲击；几个模块之间互相干扰，输出电压高的模块会抑制输出电压低的模块。本文主要针对直流开关电源并联系统，通过对可能产生环流的结构进行理论分析，阐明了产生环流和振荡的原因和过程，并总结出几种有效解决环流的控制方法。1 并联系统产生环流的分析图1为两个采用自驱动同步整流的正激DC/DC电源模块的并联系统原理图。图1   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

5、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。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 产生自激振荡时的理论分析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

6、，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：n为变压器变比。此时vS2=0，加在S1两端的电压为由于S1由导通到关断，vS1的初值为零，可以得到式中：iL10和iLm0为iL1和iLm的初始值。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。此时有vS1=0。且由于vS2的初始值为零，可以得到式中：其中：iLm0和iL10为iL1和iLm

7、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。V1/n是变压器副边绕组的电压，此时iL1和iLm都线性增长。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。

8、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。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电阻器法在产生环流的回路中加入电阻器，这相当于增加了整个环流回路的电阻，可以减小环流。但是，所加入的电阻器在开关电源的输出回路中，必然减小输出电压和电流。只有在对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在各个开关电源模块中加入电流检测器，当某一模

9、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的驱动图8所示为一自驱动同步整流模块。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

10、块如图9所示。图9   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叉（Cross-coupled）结构，避免了环流和振荡的产生。图10