淺析開關電源模塊并聯均流方法

張伊凡 王 樂

（西安石油大學電子工程學院 710065）

1 引言

隨著我國工業(yè)生產中對大功率電源系統(tǒng)需求的不斷增加和開關電源模塊化的發(fā)展趨勢，以及半導體功率器件和磁性材料等方面的因素對單片開關電源輸出功率的限制，開關電源模塊往往需要并聯成電源系統(tǒng)運行，這樣既可以增加電源容量，也可以提高電源系統(tǒng)供電的可靠性。但在實際應用中，由于各電源模塊之間的差異，并聯運行時會出現電源系統(tǒng)中各模塊輸出不均流的現象，進而引起電流應力和熱應力的不均勻分配，影響電源模塊的使用壽命和可靠性[4]。所以并聯均流技術成了實現組合大功率電源系統(tǒng)的關鍵。

2 電源模塊不均流的原因分析

從電源模塊的控制系統(tǒng)來看，所有的電源模塊并聯運行，則輸出電壓U0都相等，也就是電壓反饋值都相等，但是每個模塊的給定量Ugi和反饋比例系數Kfi都有差異，運算放大器的失調電壓也不同，所以給控制器件的誤差信號也不相同，使有些誤差信號為正的模塊，電壓調節(jié)器正向積分，輸出電流增加；有些誤差信號為負的模塊，電壓調節(jié)器反向積分，輸出電流減小。當系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)以后，最多有一個模塊的誤差為零，電壓調節(jié)器正常工作。所以負載電流都要由誤差為零的模塊承擔，就出現了電流不平衡的現象。

另外，電源模塊外特性的差異也是不均流的原因，如圖1中兩個電源模塊并聯運行，輸出電壓分別是U1和U2，電流分別為I1和 I2，內阻分別為 R1和 R2，母線電壓為 UO，其輸出特性見式（1）、（2）[5]。

由式（1）、（2）可以看出，不均流的原因是輸出電壓和等效內阻不一致。

圖1 兩模塊并聯運行原理圖

所以，各電源模塊之間不均流的根本原因是由于電源模塊中各器件的差異引起的，只能通過增加外部設備或控制部件的方法來解決，其主要思想就是增加一個均流母線，通過均流母線傳遞均流信號，或者根據電源的熱應力來調節(jié)負載電流的分配，防止一臺或多臺模塊運行在電流極限狀態(tài)。

3 常用的均流方法

主要的均流方法有：主從法，最大電流自動均流法，輸出阻抗法，平均電流法，熱應力自動均流法，數字控制均流法等。

3.1 主從法

主從法針對具有電壓、電流雙環(huán)控制的電源模塊中，如圖2所示，在電源系統(tǒng)中各模塊公用一個電壓調節(jié)器模塊AVR，其輸出作為每個模塊電流調節(jié)器的給定電流，所以，每個模塊的給定相同，輸出也就相同了，在實際系統(tǒng)中，每個電源模塊都有電壓調節(jié)器和電流調節(jié)器，人為設定主模塊后，主模塊的電壓調節(jié)器工作，其他從模塊的調節(jié)器則不工作，只有電流調節(jié)器工作，從而降低各模塊輸出電流的不平衡度。

圖2 主從法均流原理圖

圖3 最大電流自動均流法原理圖

3.2 最大電流自動均流法

最大電流自動均流法是自動選擇主從模塊的均流方法，而且該方法只要求電源模塊具有電壓控制器就可以，如圖3所示，每個電源模塊的輸出電流經一個二極管連接到均流母線上，只有模塊電流Uifn最大的模塊中的二極管才能導通，也就是說均流信號為各模塊輸出電流的最大值。均流信號USB與其他各模塊電流Uifn相減得到的誤差值，經過一個比例系數放大后加到各自模塊的電壓調節(jié)器中，當誤差變大時，該模塊的AVR動作使模塊輸出電壓升高，跟隨最大電流輸出的模塊變化[9]。

最大電流自動均流法應用較為廣泛的均流方法，現在已經有很多集成控制的芯片，如UC3902，UC3907，UCC39002和L6615等，但是電源系統(tǒng)的電壓調節(jié)是通過測量最大電流與各電源模塊輸出電流的誤差，再經過比例環(huán)節(jié)控制的，如果比例系數設定太低，響應速度就會很慢，達不到均流的目的，如果比例系數過大則會造成各電源模塊輸出電壓競爭上升，進而引起嚴重事故，另外，這種均流方法是通過調節(jié)給定電壓來調節(jié)輸出電流的，所以會造成輸出電壓的波動[3]。

3.3 輸出阻抗法

輸出阻抗法其實質是調節(jié)開關電源模塊輸出阻抗，使各電源模塊外特性斜率趨于一致，達到均流的目的，是一種開環(huán)均流控制方法，由式（1）和（2）可得 ：

可以看出，母線電壓UO不能變，改變輸出電流I1、I2可以通過改變模塊輸出電壓和輸出阻抗的方法。例如兩種電源模塊的外特性曲線如圖4所示，Ie為平均電流，I1、I2為各模塊的輸出電流，要達到均流可以在保持電源電壓不變的情況下，使電源模塊M1的外特性斜率變大，電源模塊M2的斜率變小，則外特性曲線與輸出電壓的焦點將接近平均電流Ie，以達到均流。

輸出阻抗法雖然不需要在并聯模塊電源間建立聯系，方法比較簡單。由于均流需要改變模塊外特性曲線斜率,會導致模塊電壓調整率下降，實際運行時各模塊的輸出電流也不一定平均分配；特別是對于不同額定功率的并聯模塊，由于各模塊的外特性差異較大, 所以難以實現均流。

圖4 兩種電源模塊的外特性曲線

圖6 數字控制均流原理圖

3.4 平均電流法

平均電流法的電路比較簡單, 容易實現。在各電源模塊的輸出電流都通過電流采樣放大器和一個電阻連接到均流母線上，均流母線上的電壓為USB，當某一模塊電流不均流時，將有電流流過電阻R，從而產生壓降，該壓降與基準電壓比較后反饋到電源的控制部分，進而調節(jié)輸出電流，達到均流的目的，可以實現較高的控制精度。其原理圖如圖5所示：

平均值均流和其他需要均流母線的均流方式一樣，都有較高的控制精度，但對均流母線的可靠性要求較高，當公共母線發(fā)生短路或接在母線上的任一電源模塊單元不工作時,控制電路會使各電源模塊輸出電壓下調,甚至達到電源模塊的下限值而引起電源系統(tǒng)故障。

圖5 平均電流法原理圖

3.5 熱應力自動均流法

熱應力自動均流法是利用各模塊溫度的變化來控制模塊輸出電流的方法。由于電源內阻的存在，各模塊輸出電流大小的外在表現就是各模塊之間的溫度差異，輸出電流越大，模塊的溫度也越高。

由于熱應力自動均流法是基于溫度的控制方法，所以被控對象電流是不一定相等的，只是在低于電源模塊最大輸出功率和低于系統(tǒng)最大工作溫度的前提下趨于相等的。所以均流的精度較低。

3.6 數字控制均流方法

數字控制均流是一種基于可編程控制器的均流方法，它可以將現有的均流控制方法都可以用硬件描述語言實現，并集成在控制系統(tǒng)中。在數字控制均流方法中，各電源模塊的輸出電流、電壓被采樣，經過模數轉換后輸入到邏輯控制器件中，邏輯控制器件接收各模塊的輸出電流、電壓信號后計算出平均電流值，并和各模塊的實際輸出電流、電壓進行比較，利用誤差調整各模塊的PWM占空比，達到調節(jié)輸出電流和電壓的目的，其原理圖如圖6所示[2]，因其對各電源模塊分別采樣，單獨控制，所以可以實現很高的控制精度。

數字均流技術也可以簡化控制電路，解決模擬元器件老化和溫漂所帶來的諸多問題，同時可編程器件在開關電源領域應用越來越廣泛，這樣可以使數字均流技術和開關電源的控制系統(tǒng)集成，提高系統(tǒng)的集成度，增強抗干擾能力，也可以實現不同功率電源模塊的均流[2]。

綜上所述，在眾多均流方法中，輸入阻抗法和熱應力自動均流法雖然實現起來簡單，但是均流精度不佳，平均電流法和主從法則對均流母線和主模塊的可靠性要求較高，和這些方法相比，最大電流自動均流法因其具有均流精度高，動態(tài)響應好，可以實現冗余技術等有點，在均流系統(tǒng)中的使用越來越廣泛。而數字均流法因其算法設計方便，靈活性高等優(yōu)點正慢慢取代其他均流方法。這些均流方法的比較如表7所示[12]。

表7 均流方法的比較

4 總結

本文對電源系統(tǒng)中電源模塊并聯運行時不均流的原因進行了簡要分析，總結了現有的均流方法的工作原理及其優(yōu)缺點，其中，最大電流法是比較理想的均流方法，也是現在應用最多的均流方法，但隨著開關電源工作頻率的不斷提高，對電源控制系統(tǒng)的抗干擾、控制系統(tǒng)集成度等方面也有了更高的要求，于是，基于可編程控制器件的數字均流技術應運而生，并以其各方面的優(yōu)越特性代表著均流技術發(fā)展的方向，這也將推動高頻開關電源系統(tǒng)向更大規(guī)模的方向發(fā)展。

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