开关电源多模块并联均流技术研究

开关电源多模块并联均流技术研究

随着科学技术的快速发展，大量电子设备需要安全、可靠、可靠的电源，这很难满足单电源的需求。分布式电源系统具有大容量、高效率、高可靠性等优点,其广泛采用多模块并联方式,但模块间因为控制参数不同,且各模块输出是电压源性质,如果没有特殊的均流措施,输出电压的微小偏差会导致输出电流很大的差别,一旦某个模块过载,将造成一个或多个功率器件热应力过大,从而降低系统的稳定性。为了获得并联电源的理想特性,已经提出一系列并联均流方法,现有的DC/DC并联均流技术具体可分为两大方法,即无源法和有源法。无源法又叫输出阻抗法,有源法由控制方法和均流母线形成方法组合而成,其控制方法主要用来调节各并联电源的输出电压,有4种,即改变输出电压基准或反馈,改变电流内环的给定或反馈,同时改变输出电压和电流基准以及采用外部闭环控制。这4种方法对应有4种均流控制方法,即外环调节、内环调节、双环调节和外控制器法。从均流母线产生方法来看,有源法可分为两大类,即平均法和主从法(包括指定主从法和最大电流自动均流法)。另有结合运用了热学的热应力自动均流法及其他均流方法。文中将从并联均流技术和其控制方法等方面,结合其发展现状和趋势对现有文献进行综述。1电流分配特性无源法通过调节电源模块输出阻抗来达到均流目标。常用无源法控制框图如图1所示。电阻Rs检测到的电流信号经比较器后输出UI,Uf为反馈电压信号。由图1知,当某模块电流增加,Us上升,Uc下降,该模块输出特性曲线向下倾斜,接近其他模块外特性,输出电压随之下降,而其他模块电流增大,实现近似均流。另一种是在负载前串入一定电阻值,为减小耗能,通常串联热敏电阻来实现近似均流,因其阻值可随电流变化而变化,同样可达到改变输出阻抗的目的。输出阻抗法是最简单的均流方法,属于开环控制。在小电流时电流分配特性差,随着电流的增大,分配特性会有所改善,但仍不平衡,且以牺牲电压调整率来个别调整每个模块达到均流。此法可应用在小功率、均流精度要求较高的场合,对于额定功率不同的并联模块,难以实现均流。2水源法2.1控制方法2.1.1输出电压采样值外环调节控制法框图如图2(a)所示,图中Rs为与负载相串联的检测电阻;Uo,Io分别为输出电压和输出电流;Uin为输入电压。该方法将各模块输出端电流与均流信号作差进行误差放大,生成均流环信号,再与标准电压相加得到的信号与输出电压采样值比较后,产生的控制信号送入脉宽调制器。该方法中输出电压采样值及电压调节器都是独立的,即使某个模块不能工作也不会影响全局,所以其控制方式和系统结构配置较灵活,简化了系统的扩展和维护工作。缺点是:均流环带宽比较窄,远在电压环带宽之下,影响系统的动态均流特性;由均流环与电压环串联形成三环系统,设计困难,容易引起系统的不稳定,一般不采取此种方法。2.1.2电流控制或dm控制如图2(b)所示的内环调节控制法框图,该方法将输出电压与标准参考电压比较放大后,经过均流电阻与采样电流值进行比较放大后产生控制信号,送入电流模式控制或PWM控制环节,进而调节输出电压,实现各模块间的均流。该方式由于均流误差信号不经过电压环调节器,故与外环调节相比,响应更快,具有稳定性好、均流环带宽等优点。缺点是:电压环的带宽比较宽,造成均流母线上会出现丰富的高频信号;均流母线抗干扰较差,对噪声敏感,系统容易不稳定;均流母线为电压误差信号,电压环的动态响应影响均流性能,模块化特性差。2.1.3基于改进式表现的均流控制方案设计单母线结构的双环调节控制法框图如图2(c)所示。此方法综合了外环与内环调节的优点,可使均流达到一种迅速、且具有好的抗干扰性能的效果,但由于一般情况下均流环输出的信号只是控制信号的一小部分,故存在输出电压不可调的内在缺陷,均流环难以纠正由电压不平衡引起的电流不均衡现象。在此基础上文献中分析了改进式三环并行控制策略,将其应用于并联Boost变换器均流控制。针对不对称半桥DC-DC变换器,文献中提出将“改进式最大电流均流法”的三环控制原理作为均流方案,设计出其并联运行的均流控制电路。利用同样的方法文献中对3台48V/12V/10A的Buck样机进行并联实验,证明了多环路设计的正确性和改进式自主均流法的优越性。2.1.4均流控制器设计每一个模块电源控制部分都是由1个均流控制器完成,通过检测每个单元的输出电流产生反馈信号来调节每个模块的电流,从而达到各单元平均分配输出电流的目的。这种控制方法均流效果好,但每个单元拥有1个均流控制器,将使整个并联电源系统的动态过程分析更加复杂。文献中分析了“最小主从模式脉宽调制”和“平均模式滞环”2种均流控制器,采用这2种均流控制器的系统中,均流接口电路均流效果均良好。2.2均流曲线形成方法2.2.1动态均流控制模块平均电流法是指均流环参考电压为各模块电流的平均值,其值反映在均流母线b的电压上,如图3所示。R为均流电阻,均流母线电压与每个电源模块的采样电压信号比较后,通过调节放大器输出1个误差电压,从而调节单元模块的输出电流,达到均流目的。若R上不为零时,表明模块间电流分配不均衡,需通过均流环调节来达到均流目的,若R上的电压为零,表明这时已实现均流。平均电流法可以精确地实现均流,但具体应用时,也存在着缺点,例如当均流母线发生短路或当其中某个模块不能工作时,母线电压下降,促使各模块电压下调,甚至下调至其下限值,致使电源系统发生故障。文献中改进了基于平均电流模式的自动均流法,并将其应用于并联Boost变换器均流控制中。文献中介绍了1种利用均流线实现平均电流模式控制,由3个Boost电路模块构成的并联系统验证了此均流方法的有效性。2.2.2误差电压控制信号指定主从法不存在均流环,而是在并联的n个变换器中,指定其中一个为主模块,其余为从模块。从模块的电压误差信号均为主模块的电压误差信号,利用电流型控制实现均流。如图4所示,主模块的电流基准信号由其基准电压Uref和反馈输出电压Uf作差得到,此信号放大后与主模块的反馈电流比较,产生电压控制信号。从模块的电压误差放大器以跟随器的形式接入电路中,主模块的电压误差信号输入到各从模块电压放大器输入端,因模块输出电流与误差电压成正比,所以不管负载电流如何变化,各模块最终电流相等。指定主从法均流精度很高,存在的最大问题是主模块的不可替代性,若其出现故障,整个系统将完全瘫痪。此外,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引起各并联电源模块电流再次分配,从而降低均流精度。在实际应用中,针对某特种车辆高功率密度、高可靠性、低输出纹波及高动态特性的要求,文献中介绍了1种采用主从均流控制的并—并型推挽组合变换器,基于此均流方法,Rajagopalan等提出1种五差异环增益法,分析了系统稳定性与动态响应性能,且介绍了均流环设计方法。2.2.3高效均流控制法最大电流自动均流法与指定主从法不同的是主模块的指定方式不同。输出电流最大的模块自动成为主模块,其余的模块为从模块,其电压误差依次被整定。此法与平均电流法的区别仅在于将均流电阻用二极管(a点接二极管阳极,b点接阴极)代替,二极管的单向导电性使得在电流最大模块上的二极管导通,a点通过二极管与均流母线相连,该模块便自动成为主模块,这时Ub等于UIj,各模块的UI与Ub比较,通过调节放大器调整基准电压自动实现均流。最大电流自动均流法唯一的缺点是主模块因二极管的压降而使均流有误差,但此方法应用最为广泛。张强等将最大电流法应用于大功率直流电源模块并联系统中,实验验证此方法具有较好的均流精度。文献中介绍了1种建立在此均流法上兼有支路限流功能的控制方案,即限流最大电流均流法,实验中输出电压稳定、充电支路限流、总电流均流能够共同实现。文献中将此方法应用于移相全桥ZVSDC/DC变换器,可实现良好均流。最大电流自动均流发展较为成熟,基于该方法的均流控制芯片层出不穷,应用此类均流芯片进行均流控制非常广泛。文献[16-18]中将均流芯片UC3907分别应用于推挽式PWMDC/DC电路,移相全桥DC/DC变换电路和移相全桥零电压PWMDC/DC电路中,仿真和实验均达到预期效果;文献中提出了在UC3907的14脚和6脚之间接一电阻,从而解决电源模块并联运行时主控与辅控交替的问题,有效控制每个电源模块均摊总负载电流,完善了此款均流芯片。文献[20-22]中则选用其他的均流芯片,型号依次为UC3902,UC29002和LTC4350,效果良好。文献中介绍了1种无主模块均流方法,如图5所示。基本思路是将每个模块电感上电流与邻近的2个模块电感电流平均值作比较,一模块的电感电流与相邻两模块电感电流的平均值作差后作为误差信号送入补偿环节进行调节,每个模块并不担任主模块的角色,防止主模块出现故障带来的失控现象,且利用耦合电感代替普通电感,实现了用1个电流传感器获得两路电流。文中将此方案应用于六路带有耦合电感的Buck变换器中,实验结果验证均流效果好,且优于一般均流措施。2.3电源系统测试热应力自动均流法按每个模块的电流和温度(即热应力)自动均流,每个模块的电流和温度决定了模块间均流的程度。模块负载电流经放大后,生成1个低带宽电压UI,UI与模块电流成正比。电流变化导致电压变化,以达到均流。电源系统中各模块温度存在差异,原因是各并联模块在电源柜中的位置不同,对流和散热等外界情况各不相同。在设计电源柜时,应用此法可以不必考虑各模块的布置情况,但此法因温度变化和电流之间的关系不能精确对应,故应用较少。3均流控制技术有源法如外加控制器法、平均法和主从法,这些方法均需要均流母线,均流母线的存在对系统稳定性有影响且加大了控制回路的设计。解决的途径有2种,一种是采用无均流线控制,另一种则是改善均流信号获取方法。运用无均流线控制方法的并联电源系统中,各模块输出端并接在一起给负载供电,除了输入输出的连接线之外,模块之间没有连接线,且各个模块控制电路不需要连接线(即均流母线)。与有均流线的电路相比,这种控制方法简单。鉴于此,符赞宣等提出了1种无均流线控制方法,它将参与并联的模块直接并联,通过输出端上叠加的高频交流信号来传递输出电流的信息,实现均流控制。实验证明这种均流控制方法有效,可以在模块之间没有连接线的情况下很好地实现均流,其控制电路图如图6。文献中介绍了1种统一占空比法的控制策略,并应用在无需均流线的移相双半桥高频Boost变换器并联系统中,实验验证各模块可平均分配总输出电流。另一种方法则是采用数字控制的手段,通过每个模块控制器间的通讯,进行各个控制量的信号传递,以代替原有的均流母线。此方法具有可编程、受环境影响少、需要的元器件少、采用相应软件可以实现复杂控制等优点。关炀提出了1种基于CAN总线的并联均流方案,该方案采用模拟电流内环,数字电压外环的双闭环控制模式;胡雪莲等则将此方案成功应用于DC/DC通信电源并联系统中,且在电动汽车充电电源研究领域。李明设计了基于CAN总线的软件均流方案,对以全桥硬开关变换器为主电路拓扑的充电电源模块进行均流控制,取得了较好的控制效果;罗伟伟等基于此总线结构,设计了2台特种电源实时并机系统上;AbuQahouq等则利用FPGA数字控制器对2个Buck电路进行并联均流实验。为了获得更好的均流效果,随着各种非线性控制理论发展的日趋成熟,新的并联均流技术不断被提出,并付诸研究实践。如:在文献[31-32]中介绍了用模糊控制理论实现自动均流的应用技术;文献中则介绍了1种基于反步法的并联Buck变换器的均流控制方法:文献[34-35]中设计了1种基于滑模变结构状态观测器的混沌同步并联均流电路,研究了Boost变换器的并联均流问题,对于m个Buck变换器并联模型;文献中提出了协同控制方法。4双环调节系统所述并联均流技术及其控制方法已有部分得到应用,其中:外环调节联合最大电流法或平均电流法使用最为广泛;外环调节联合指定主从法在可靠性方面存在缺陷,不易实现均流;内环调节更适合用于多相交错并联的系统中,如内环调节