并联均流技术在高频开关电源中的应用研究

1、2006年第23卷第6期微电子学与计算机1引言对于大功率负载的要求,可以由单台的大功率电源来提供或者由多台开关电源并联来提供。但是单台的大功率电源在设计和制造中存在很大的困难,成本也不合算,可靠性和稳定性也难以保障。多台开关电源的并联系统能很好的克服这些缺点,并具有单台电源所不具备的优点。多台开关电源的并联系统的输出功率具有可扩展性。可以由N+n 台变换器模块并联,其中N 台用于供给负载所需的电流,n 台为后备模块。当正在工作的模块即使有n 台出现故障,电源系统仍然能够提供100%的负载电流。除了具有冗余技术的优点外,还可以实现热更换,保证系统在不断电的情况下更换系统的失效模块,提高了系统的可

2、维护性。分布式的电源系统具有很好的灵活性,可以将模块的开关频率进一步提高,从而提高模块的功率密度,使电源的体积,重量下降。系统的单个模块的电流应力减小,提高了系统的可靠性。另外,分布式电源系统使得模块易于标准化,减少产品的品种。由于并联系统中各个模块的外特性不一致,外特性好的模块可能要承担更多的电流,甚至过载,从而使外特性差的模块运行于轻载甚至空载。结果使得分担电流多的模块热应力增大,使用寿命降低。电子元器件温度从25上升到500时,其寿命将大为降低,仅为25时的1/6。于是并联系统中,出现了均流技术的研究。并联均流技术是分布式电源系统的关键技术。因此,并联运行的分布式系统是电源技术的一个发展

3、方向,并联技术是实现大功率电源系统的关键技术,于是均流技术的研究就显得重要了。2高频开关电源并联均流的方法2.1输出阻抗法输出阻抗法也称电压调整率法或外特性下垂法,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。这个方法本质上属于开环控制,在小电流时收稿日期:2005-08-17并联均流技术在高频开关电源中的应用研究郑耀添(韩山师范学院物理与电子工程系,广东潮州521041摘要:随着分布式电源系统的发展,开关电源并联技术的重要性日益增加。研制大功率、高性能的开关电源是人们不断努力和追求的目标。文章介绍了电源模块并联供电的优势,并论述了几种并联均流电路的工

4、作过程及优缺点,还探讨了UC3907在开关电源并联均流系统中的应用。关键词:开关电源,并联,均流中图法分类号:TN4文献标识码:A文章编号:1000-7180(200606-169-03Study of Parallel Current Sharing for High Power SwitchSupplyZHENG Yao-tian(Department of Physics and Electronics Engineering,Hanshan Normal University,Chaozhou 521041China Abstract:With the develoment of th

5、e distributed power system,the current-sharing method of switch power supply isbecoming more and more important.It is endless to the demand for a high-power,high performance power supply.This dissertation connects the advantages that supplies power in parallel after introducing the power module,work

6、ing course,pluses and minuses of circuit flow to describe several kinds and connect in parallel.also discusses the Application of parallel with the system current of UC3907in Power Switch Supply.Key words:Switch power supply,Parallel,Current-sharing169微电子学与计算机2006年第23卷第6期电流分配特性差,重载时分配特性要好一些,但仍是不平衡的。

7、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。因此,这种方法对于不同额定功率的并联模块,难以实现均流。还可以采用引入输出电流反馈的方法实现均流,在电压反馈型DC/DC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。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

8、系统中。2.2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”(Master Module,而其余各模块跟从主模块分配电流,称为从模块(Slave Modules。主模块电压设定了整个系统的电压给定值Ue,通过各自的电流反馈控制,使所有模块分担相同的负载电流。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。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

9、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,主从电源间的连接应尽量短。2.3按平均电流值自动均流法按平均电流值自动均流的方法不用外加均流控制器,电路简单,容易实现。在各电源模块单元间都通过一个电流传感器及一个采样电阻接到一条公共均流母线CSB,均流母线的电压是N个电源模块代表各自输出电流的电压信号Ui的平均值(即代表电源系统的平均电流。Ub与每个电源模块的取样电压信号比较后通过调节放大器输出一个误差电压,从而调节模块单元的输出电流,达到均流目的。如图1所示,当输出达到均流时,输出电流I 为零。反之,则电阻R上由于有电流I流过,在其两端产生一

10、个电压Uab,这个电压经过放大器输出电压,它与基准电压Ur比较后的Ur反馈回电源模块的控制部分,从而调节输出电流,最终实现均流。平均电流法可以精确地实现均流,但当公共母线CSB发生短路或接在母线上的任一电源模块单元不工作时,使电压下降,结果促使各电源模块输出电压下调,甚至达到下限值,引起电源系统故障。2.4最大电流自动均流法最大电流自动均流法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“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,

11、而是按电流大小排序,电流大的模块,自动成为主模块,所以也称这个方法为“民主均流法”。最大电流自动均流法采用一套最大值比较器,每一时刻输出电流最大模块作为主模块,其输出电流转化成的电压信号Ui送至均流母线CSB,即CSB 上的电压Ub反映的是各电源模块单元中Ui的最大值,即电流最大值。各从模块的Ui与Ub比较从而自动调节输出电流达到均流。若将平均电流法自动均流控制电路中的电阻用一个二极管代替,二极管正端接a,负端接b。这样,N个并联的电源模块中,只有输出电流最大的那个模块的电流才能使与它连接的二极管导通,从而均流总线电压就等于该模块的输出电压,其他模块则以均流总线上的电压为基准,来调节各自的输出

12、电流,从而实现均流。2.5热应力自动均流法该方法是基于温度控制的并联系统的功率分配的方法。各模块之间的电流并不一定相同,而是根据各模块自身内部的温度来实现功率调整的。通常并联电源系统是通过电流环控制来实现的,所以系统中各模块电流在总电源电流中所占的比例是相同的。采用温度控制的方法, 各模块的功率是由1702006年第23卷第6期微电子学与计算机该模块的温度决定的,而不是电流,从而使各模块内部温度趋于相等。这样,在最低成本下达到最高的可靠性。2.6外加均流控制器法外部均流控制器法的工作原理为:每一个单元电源上加一个输出电流检测控制电路来检测本单元的电流不平衡情况,产生反馈信号来调节每个单元的电流

13、,从而达到输出各单元间均流的目的。在这种情况下,每个单元间应有公共总线。根据上述原理,可实现n-1个并联模块的均流。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。外部均流控制器法的均流效果比较好,各模块输出电流基本相等,但是要求每个单元需附加一个电源控制电路,成为控制环路的一部分,且需满足环路的总体要求。否则会降低单元电源的技术指标及工作稳定性,降低系统的动态响应特性。另外,由于每个单元都需要一个控制电路,所以整个均流系统的连线较为复杂,加大了投资的需求。在各种均流方法中,其中输出阻抗法和最大电流自动均流法应用较为广泛,并且已有现成的集成控制芯片。输出阻抗法不需要在并联模

14、块电源间建立联系,是最简单的实现并联均流的方法。但它的缺点也很明显:首先它是通过改变模块等效内阻实现均流,在提高均流性能的同时会导致模块的电压调整率下降。有实验证明,在并联系统输出电压波动范围为5%,各并联模块电源负载特性曲线斜率差异为1%时,要想实现均流精度小于10%,各模块电压空载电压差异必须小于0.35%。3UC3907在开关电源并联均流系统中的应用UC3907芯片是美国IR公司生产的用于并联均流电路的负载均衡控制器,如图2所示。UC3907从结构上可以分为电压环和电流环两部分。电压环由电压放大器、地放大器和驱动放大器构成;电流环由电流放大器、调整放大器、缓冲放大器和状态指示构成。UC3

15、907采用了全微分高阻抗电压检测和主模块状态显示功能,具有光电耦合器驱动能力,能够通过精密电流放大器实现精确的电流均分。UC3907使多个并联在一起的电源模块各自只承担总负载电流的一部分,且所承担的负载电流量相等。负载均衡是通过来自电压反馈放大器的命令控制每个模块的功率级完成的,电压反馈放大器的基准可根据公共均衡母线的电压来调节。通过监测来自每个模块的电流,电流均衡母线确定通常哪个并联模块的输出电流最高,并把它定为主模块,根据主模块电流调节其它模块的输出电流。连接在各模块之间的电流均衡母线是一个低阻抗非噪声敏感线路,为了使各模块在离线时能够独立工作而不互相干扰,离线时应使均流母线开路或短路接地。参考文献版社,19982002,(6:1214业出版社,20034周志敏,周纪海,纪爱华.模块化DC/DC实用电路.电子工业出版社,20045B T Irving,M M Jovanovic.Analysis design and perfor-mance evaluation of droop current-sharing method.IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 200