大功率直流電源并聯(lián)均流技術(shù)研究

萬(wàn)英英，鄭列

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

并聯(lián)運(yùn)行的大功率輸出電源是電源技術(shù)一個(gè)重要發(fā)展方向，受電力電子器件及變壓器功率容量的雙重限制，因而需要多臺(tái)小功率電源并聯(lián)運(yùn)行，但由于組成并聯(lián)系統(tǒng)的各模塊靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性參數(shù)不盡相同，無(wú)疑會(huì)出現(xiàn)各模塊承擔(dān)的電流不均勻的現(xiàn)象。并且，各模塊輸出不同時(shí)會(huì)在模塊間產(chǎn)生環(huán)流，給系統(tǒng)電路和元器件帶來(lái)極大的損害。為了避免各模塊均流不佳，影響整個(gè)電源系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，本文提供了多種傳統(tǒng)模擬均流方案和現(xiàn)代數(shù)字均流方法，并對(duì)此作詳細(xì)介紹。

1 引起不均流的常見(jiàn)因素

（1）并聯(lián)模塊間使用的各種元器件的特性參數(shù)不盡相同，引起模塊輸出特性存在差別；

（2）各模塊電壓基準(zhǔn)值的給定與反饋系數(shù)存在的細(xì)微差異，會(huì)導(dǎo)致模塊輸出電壓、電流的不一致；

（3）電子電力變流設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，布局上的不合理，也會(huì)對(duì)電流的均勻分布產(chǎn)生影響。

2 均流技術(shù)工作原理分析

2.1 輸出阻抗法

通過(guò)輸出電流的反饋調(diào)整各模塊的輸出阻抗，即調(diào)整模塊輸出特性曲線(xiàn)，或直接改變模塊單元的輸出電阻，使外特性曲線(xiàn)趨于一致。

圖1 輸出阻抗法均流原理圖

R1：電流檢測(cè)電阻；Ur：參考電壓。在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)某個(gè)模塊的輸出電流Io增大，則系統(tǒng)會(huì)通過(guò)增大Ur，利用電壓反饋?zhàn)饔?，控制輸出電壓下降，使得輸出特性下垂，最終達(dá)到均流。

優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)環(huán)控制，易于實(shí)現(xiàn)均流；模塊間的特性較好。缺點(diǎn)：由于采用的是開(kāi)環(huán)控制，所以模塊間的均流精度不高，很難達(dá)到理想效果。

2.2 主從均流法

在并聯(lián)電源各小功率模塊中，任意設(shè)定其中一個(gè)為均流主電源模塊，則其余若干個(gè)為從模塊。各小功率模塊的輸出電壓均通過(guò)電壓控制器進(jìn)行控制。如圖2所示，電流型控制中，將主模塊的給定電壓與反饋電壓的差值經(jīng)過(guò)放大器處理后，獲得誤差電壓Ue，各模塊的負(fù)載電流與其輸入的誤差電壓Ue是成正比的，將主模塊的誤差電壓Ue設(shè)定為整個(gè)電源系統(tǒng)的Ue，然后，各模塊通過(guò)自身的反饋?zhàn)饔?，使得其余模塊的電流均按照Ue調(diào)制輸出，達(dá)到各模塊均分負(fù)載電流的目的，從而實(shí)現(xiàn)均流。

圖2 主從均流法原理圖

優(yōu)點(diǎn)：均流精度較高；可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)各模塊的輸出特性，進(jìn)一步優(yōu)化均流效果。缺點(diǎn)：主從模塊之間存在通信關(guān)系，增加了外圍接口的復(fù)雜程度；系統(tǒng)的可靠性過(guò)于依賴(lài)主模塊的運(yùn)行狀況，即當(dāng)主模塊電源出現(xiàn)故障，就會(huì)影響到整個(gè)電源系統(tǒng)的正常工作；由于電壓環(huán)工作頻帶較寬，電源運(yùn)作穩(wěn)定性易受到噪音的干擾。

2.3 平均電流法

平均電流法實(shí)質(zhì)是電源系統(tǒng)將所有并聯(lián)電源模塊的電流通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部計(jì)算取得平均值，然后將此平均值送給每個(gè)小功率電源模塊。各模塊均以此作為標(biāo)準(zhǔn)參考，調(diào)節(jié)各自的PWM信號(hào)，進(jìn)而調(diào)節(jié)各自的輸出電流，以達(dá)到模塊均流的效果。該方法中采用了一個(gè)窄帶電流放大器。當(dāng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)均流，此時(shí)，Ui=Ub，但當(dāng)各模塊間承擔(dān)的電流不均勻時(shí)，則有Ui≠Ub，這時(shí)會(huì)在電阻R4上產(chǎn)生一個(gè)Uab，來(lái)調(diào)節(jié)均流控制器的輸入量，再由均流控制器進(jìn)一步調(diào)節(jié)功率級(jí)的輸出電流，最終實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的均流。（Ue:均流控制電壓；Ur’：Ur和 Ue的綜合；Uf：模塊輸出反饋電壓；Ui：電流放大器輸出信號(hào)；Ub：母線(xiàn)電壓）

優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)的均流精度較高，并且對(duì)均流模塊的數(shù)量不用加以限制。缺點(diǎn)：均流效果受均流母線(xiàn)影響較大，若均流母線(xiàn)或某一模塊的運(yùn)行出現(xiàn)故障，均會(huì)造成其他模塊無(wú)法正常運(yùn)行，導(dǎo)致整個(gè)電源系統(tǒng)癱瘓。

在平均電流法的基礎(chǔ)上，輸出電流經(jīng)過(guò)一個(gè)二極管輸送到公共母線(xiàn)上，即構(gòu)成了最大電流均流法。與平均電流法均流原理大同小異。優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)均流控制器補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓，自動(dòng)均分電流，均流精度高。缺點(diǎn)：某些線(xiàn)路需要限制電流的限值；因二極管總維持正向壓降，因而主模塊均流存在一定誤差。

圖3 平均電流法原理圖

2.4 熱應(yīng)力自動(dòng)均流

熱應(yīng)力自動(dòng)均流是系統(tǒng)依據(jù)每個(gè)電源模塊的電流值和溫度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流的技術(shù)。如圖4，模塊k上的電壓經(jīng)過(guò)R7、R8分壓后，在相應(yīng)的均流控制器的a處產(chǎn)生電壓Ua，Ua與Ub經(jīng)過(guò)窄頻帶比較器進(jìn)行比較，若Ua小于Ub，則R5中的電流增大，通過(guò)調(diào)節(jié)誤差放大器的輸入電壓，使得該模塊的電壓電流均增大，使Ua接近于母線(xiàn)電壓Ub。當(dāng)電源在工作過(guò)程中均流母線(xiàn)發(fā)生故障，電阻R5可及時(shí)限制Ua的偏差電壓，以保持系統(tǒng)正常運(yùn)行。優(yōu)點(diǎn)：電源系統(tǒng)各模塊電流和散熱情況不同，設(shè)計(jì)者無(wú)需考慮各模塊的分布；由于回路頻帶較窄，因此噪音干擾少，有利于設(shè)計(jì)。缺點(diǎn)：受外界環(huán)境溫度等客觀(guān)條件的影響較大，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性有待提高。

圖4 熱應(yīng)力自動(dòng)均流原理圖

2.5 外加控制器

在均流系統(tǒng)中額外增加一個(gè)特殊的均流控制器，用以檢測(cè)、比較各并聯(lián)模塊的電流，然后通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)的反饋信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)各模塊的均流。

圖5 外加控制器均流原理圖

均流控制器SC的輸出電壓Uc與Ur和Uf綜合比較后，(Ur：基準(zhǔn)電壓；Uf：反饋電壓)產(chǎn)生的誤差電壓經(jīng)電壓放大器輸出，用以控制調(diào)制器和驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)采用含均流控制器的均流方法進(jìn)行多個(gè)電源模塊均流時(shí)，如果其中一個(gè)模塊出現(xiàn)故障，則該模塊上的均流控制器會(huì)馬上從均流母線(xiàn)上撤下來(lái)，系統(tǒng)此時(shí)會(huì)對(duì)剩余的模塊進(jìn)行均流。

優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)其中一個(gè)電源模塊運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，其余模塊不會(huì)受其影響，保障了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。缺點(diǎn)：系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程復(fù)雜，單元電源的技術(shù)指標(biāo)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性在很大程度上受限于均流控制環(huán)的設(shè)計(jì)。

2.6 強(qiáng)迫均流

強(qiáng)迫均流主要是通過(guò)電源系統(tǒng)中的監(jiān)控部分對(duì)若干并聯(lián)的小功率模塊實(shí)現(xiàn)均流。其主要有軟件和硬件兩種控制方式[3]。

軟件控制方式即系統(tǒng)通過(guò)軟件計(jì)算獲取各模塊電流的平均值，然后將各模塊的實(shí)際電流與該平均值進(jìn)行比較，再依此調(diào)整各模塊的輸出電壓、電流，從而達(dá)到均流的目的。

圖6 強(qiáng)迫均流的硬件控制原理圖

硬件控制原理如圖6所示，先將Us（取樣電壓）與Ur（給定的基準(zhǔn)電壓）進(jìn)行比較，產(chǎn)生Ue，隨之把Ue送至每個(gè)模塊，并與各模塊的實(shí)際電壓作以比較，調(diào)整各自的參考電壓，進(jìn)而改變各模塊的輸出電壓與電流，最終使各模塊達(dá)到均流。

特點(diǎn)：強(qiáng)迫均流兩種控制方式下的均流精度均比較高。硬件控制下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好，軟件相對(duì)來(lái)說(shuō)較差。硬件可對(duì)數(shù)百個(gè)模塊進(jìn)行監(jiān)控均流，但若監(jiān)控模塊失效則無(wú)法均流。

2.7 基于DDSSPP的數(shù)字均流

隨著數(shù)字控制芯片工藝的成熟，通過(guò)通訊的方式獲取電流信號(hào)，不存在傳統(tǒng)上均流母線(xiàn)上的電壓對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。因此數(shù)字均流技術(shù)也越來(lái)越受大功率模塊并聯(lián)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的青睞。本文介紹了控制系統(tǒng)以DSP為控制核心的數(shù)字均流技術(shù)。全部數(shù)字化調(diào)節(jié)，調(diào)試計(jì)算機(jī)進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，穩(wěn)流精度可達(dá)0.5%以上，可以連續(xù)運(yùn)行不停機(jī)帶載調(diào)試?？刂圃砣缦滤觯涸谡麄€(gè)電源系統(tǒng)中，先采集各并聯(lián)模塊的實(shí)時(shí)電流，再經(jīng)過(guò)系統(tǒng)計(jì)算得到電流的平均值并將此值與各模塊的實(shí)際值進(jìn)行比較，比較的差值輸送至均流環(huán)，對(duì)均流環(huán)的給定量進(jìn)行修正[4]。同時(shí)，將電壓環(huán)與均流環(huán)內(nèi)經(jīng)PI調(diào)節(jié)后的輸出，及各模塊上濾波電感中電流的平均值一同作為電流環(huán)的輸入量。最后通過(guò)均流環(huán)中PI的調(diào)節(jié)作用，進(jìn)一步控制PWM波的占空比，以達(dá)到均流。

圖7 三環(huán)均流控制原理圖

特點(diǎn)：可以實(shí)時(shí)的監(jiān)控到每個(gè)電源模塊的運(yùn)行狀況，若運(yùn)行出現(xiàn)狀況，系統(tǒng)會(huì)立即切斷故障電源，并及時(shí)發(fā)出警報(bào)，減小損失。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從均流的原理及特性上介紹了多種傳統(tǒng)的均流技術(shù)和一種基于DSP的現(xiàn)代化數(shù)字控制均流技術(shù)。隨著編程控制技術(shù)不斷完善和數(shù)字芯片制造工藝的成熟，可方便地實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)，并能及時(shí)顯示故障信息以進(jìn)行維修。數(shù)字均流技術(shù)提高了電源系統(tǒng)的可靠性，使均流效果更理想，并且具有較大的實(shí)用性，其極可能成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。