基于開關電源并聯(lián)均流問題的分析

佘國君

摘 要：開關電源具有效率高、尺寸小等優(yōu)點，在交轉直供電系統(tǒng)中應用廣泛。然而隨著輸出功率的持續(xù)增加，如果僅單個大功率開關電源供電，那么一旦出現(xiàn)故障就會帶來不可預測的損失，因此，出現(xiàn)了使用幾個小功率開關電源并聯(lián)使用的新模式。本文就對其中的并聯(lián)均流這一重要問題進行分析。

關鍵詞：開關電源 并聯(lián)運行 均流 分析

中圖分類號：TM44 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）10（a）-0034-02

開關電源體積小、效率高，在交轉直供電系統(tǒng)中應用廣泛。為彌補單個開關電源無法斷電、功率不足等缺點，可以采用幾個開關電源并聯(lián)使用。并聯(lián)均流供電技術可較好地實現(xiàn)高可靠性運行和大功率均勻供電，但要滿足如下要求。

（1）整個直流供電系統(tǒng)的外部特性在線電壓或者負載變化時要保持輸出電壓穩(wěn)定。

（2）為減少均流失敗的因素，各個供電模塊之間要實現(xiàn)自動負載均流，簡化外部的控制。

（3）一個供電模塊發(fā)生故障時，其他模塊要能提供充分的電流容量，以維持整個系統(tǒng)正常工作。

（4）實現(xiàn)好的負載均流瞬態(tài)響應；用低阻抗帶寬均流母線連接所有功率模塊。上述為附加要求。

開關電源并聯(lián)使用的示意圖和端口特性如圖1、圖2所示。

圖1中的R1和R2為單個開關電源分別的輸出總電阻，其中包含了輸出端導線的電阻。在阻性負載情況下，輸出電壓和輸出電流呈現(xiàn)線性關系，電壓變化量和電流變化量的比值就是輸出總電阻。由于存在內阻，結合圖1和圖2可列出兩條支路的端口特性表達式分別為式（1）和（2）：

由式（5）（6）可知單個開關電源的輸出電流與輸出電阻，負載輸出電壓有關，故為了實現(xiàn)開關電源的并聯(lián)均流運行需要關注下述兩點。

（1）在開關電源的設計過程中，需要盡量采用參數(shù)一致的電子元件，PCB布局和走線均要做到對稱，減少對外參數(shù)的不對稱。

（2）可以采用反饋控制的方法，通過負反饋解決兩路輸出外特性差異，從而讓兩路參數(shù)實現(xiàn)一致。

1 開關電源并聯(lián)均流原理與實現(xiàn)策略

為確保輸出外特性的穩(wěn)定，既要考慮采用并聯(lián)拓撲后所帶來的各路不對稱差異，也要考慮采用負反饋控制回路消除各路差異，從而確保整個供電系統(tǒng)能夠在一個允許的輸出范圍內安全運行。目前常用的并聯(lián)均流技術有下垂均流法、主從均流法、平均電流自動均流法以及最大電流自動均流法等。

1.1 下垂均流法

如圖3所示，下垂均流法的檢測電路由電流放大器、電壓放大器以及檢測電阻組成。Rs為輸出電流的采樣電阻，Uf為電源模塊的輸出反饋電壓。電壓放大器充當比較器，Ue輸出誤差電壓信號控制單元輸出電流，從而實現(xiàn)對輸出電流的均衡控制。由于參數(shù)一致性要求很高，故下垂均流法在低電流時均流效果不佳，但在大電流時能基本維持各個模塊間電流的均衡供電?？傊?，下垂均流法會使得負載調整率降低，且受到參數(shù)一致性要求高的約束，故不適合在輸出特性要求高的場合使用。

1.2 平均電流自動均流法

如圖4所示，平均電流自動均流法需要外部控制器，并需要通過一條公共的均流母線接到所有電源模塊上。該方式是通過反饋的方式進行控制，電壓放大器的輸入是兩個參數(shù)的比較，通過電壓比較得到誤差電壓Ue。均流控制器比較來自均流母線的電流信號與各個模塊單元電流，并調整模塊單元電壓放大器的基準，實現(xiàn)負載的均衡電流分配。各個模塊電流檢測器經(jīng)過電阻R驅動公共母線，如果各分路電阻不同，均流控制器將感知到等效負載電流不平衡，并調節(jié)基準電壓，所有電阻連接點是平均負載電流參與的表現(xiàn)，因此，平均電流自動均流法是單模塊負載電流與平均電流相比較，調節(jié)電壓放大器的基準電壓而實現(xiàn)均流。在沒有均流的情況下電阻R上存在電壓，當電阻上沒有電壓就表示已經(jīng)實現(xiàn)了均流。雖然使用平均電流自動均流法可以實現(xiàn)精確的電流均流，但是當任何一個供電單元出現(xiàn)過電流的時候會出現(xiàn)母線電壓降低。這時為了實現(xiàn)均流，各個模塊的反饋控制都會降低電壓來實現(xiàn)增加輸出電流從而實現(xiàn)均流的目的。如果出現(xiàn)某單元短路則會出現(xiàn)輸出電流急劇升高損壞負載的情況，故有必要設置過電流保護電路。

1.3 主從均流法

如圖5所示，主從均流法是一種適用于有電流型控制的開關電源并聯(lián)運行系統(tǒng)。主從均流控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中電流控制環(huán)是內環(huán)，電壓控制環(huán)為外環(huán)。在設置控制的時候，首先選擇一個主模塊，其余作為從模塊，主模塊按照電壓控制規(guī)律，從模塊作為電流源。在圖中所示的系統(tǒng)中，某模塊設置為主模塊，其余為從模塊。在主模塊部分，按電壓規(guī)律控制反饋信號經(jīng)過電壓放大器產生誤差信號，從模塊的電壓放大器工作在電壓跟隨器模式。主從均流技術有利于簡化電流模式控制。由于誤差電壓信號Ue與負載電流成正比，如果各個模塊輸出電壓設計相似，誤差電壓將使所有單元成為相同負載電流的電流源。這種方法能夠實現(xiàn)負載電流均勻分配但無冗余，如果主模塊出現(xiàn)故障損壞則整個并聯(lián)供電系統(tǒng)將失效。

1.4 最大電流自動均流法

最大電流自動均流法是平均電流自動均流法和主從均流法的聯(lián)合使用。最大電流模塊與各模塊電流進行比較，并適當調節(jié)電壓基準，以修正負載電流分配的不均勻。其原理圖只是把圖4中的采樣電阻R換為一個二極管，其余無差異。由于二極管的單向導電性，在出現(xiàn)不均流的時候，二極管的電流會出現(xiàn)一個突增，輸出電流最大的模塊會成為主模塊。但是與主從均流法不同的是，主模塊是不斷變化的，任何輸出電流最大的模塊都可以是主模塊，故某個模塊失效不會引起系統(tǒng)癱瘓。目前暢銷的歐姆龍S8VK-G系列開關電源在配置S8VK-R冗余模塊后，能實現(xiàn)最大電流自動均流功能。

2 結語

開關電源使用廣泛且功率要求不斷提高，故采用輸出并聯(lián)均流技術對于開關電源的應用發(fā)展具有重要意義。各種開關電源的并聯(lián)均流技術需要有選擇性使用，從而不斷提高供電系統(tǒng)的輸出功率額度和穩(wěn)定性。

參考文獻

[1] 張占松.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，1998.

[2] 李定宣.開關穩(wěn)定電源設計與應用[M].2版.北京：中國電力出版社，2011.

[3] S8VK電池選型樣本[Z].歐姆龍自動化中國有限公司.2014.endprint