導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李 岳

（91941部隊(duì)45分隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000）

0 引 言

導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線的并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，參數(shù)會受到環(huán)境和時間的影響導(dǎo)致存在差異。基于此，導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線的直接并聯(lián)很難保證電流均分負(fù)載。當(dāng)導(dǎo)播系統(tǒng)給負(fù)載供電時，不均分的負(fù)載電流會引起電源雙總線保護(hù)作用，嚴(yán)重影響整個系統(tǒng)的工作效率。導(dǎo)播系統(tǒng)開關(guān)電源大多采用半導(dǎo)體功率開關(guān)器件，通過對導(dǎo)播系統(tǒng)電源開關(guān)管的控制來穩(wěn)定輸出電壓。導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)為保證各模塊均勻承擔(dān)負(fù)載電流，需要采用多模塊并聯(lián)提高輸出功率[1-3]。通過模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)均流，其數(shù)字信號不易受到溫度等因素的影響，從而實(shí)現(xiàn)模塊之間的信息數(shù)據(jù)交換，保證電源雙總線均流的響應(yīng)速度。

1 設(shè)計(jì)導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)模型

1.1 選擇電源雙總線并聯(lián)控制方法

為了便于導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)中各模塊電源均分負(fù)載電流，將單一模塊電源作為理想電壓源和另一電阻進(jìn)行串聯(lián)，進(jìn)而將兩個電源總線并聯(lián)組成等效的供電系統(tǒng)。導(dǎo)播系統(tǒng)中電源雙總線并聯(lián)的最簡單方法就是下垂法，通過模塊本身調(diào)節(jié)電流。在電源雙總線并聯(lián)輕載的情況下，極易導(dǎo)致各模塊輸出電流出現(xiàn)較大偏差，因此下垂法不適用于導(dǎo)播系統(tǒng)電源負(fù)載變化明顯以及需要較高電壓精準(zhǔn)度的場合[4-6]。

導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)控制方法會采用主從均流法，通過主模塊統(tǒng)一調(diào)整和控制所有模塊輸出的既定電流，均流精準(zhǔn)度更高。但在一定程度上，主從均流法有著牽一發(fā)動全身的劣勢，不適應(yīng)導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)冗余時。由于均流母線的抗干擾能力強(qiáng)，最大電流均流法改善了導(dǎo)播系統(tǒng)供電冗余的問題，因此在導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，最大電流均流法能夠得到廣泛應(yīng)用[7]。電源雙總線并聯(lián)控制簡圖如圖1所示。

圖1 電源雙總線并聯(lián)控制簡圖

1.2 設(shè)置導(dǎo)播系統(tǒng)電路參數(shù)

高頻變壓器是電源雙總線并聯(lián)構(gòu)成中的重要組成部分，具有電源功率傳送、電壓變化以及電氣隔離等功能。為了符合導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線的要求，輸入電壓范圍和負(fù)載變化范圍都是額定電壓28 V，變壓器會產(chǎn)生漏電感，副邊電壓存在占空比丟失的現(xiàn)象。為計(jì)算變壓器原副邊的電壓占空比，需要已知最低輸入電壓和負(fù)載電流達(dá)到額定值以及變壓器副邊最大的有效占空比[8]。此外，要考慮到整個導(dǎo)播系統(tǒng)的全波整流電路。當(dāng)輸入與輸出電壓以及負(fù)載電流不變的情況下，導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，變壓器原副邊匝比越大，其電流越小。為了降低成本，可采用額定電流較小的開關(guān)裝置。

根據(jù)導(dǎo)播系統(tǒng)功率開關(guān)管的開關(guān)時間、負(fù)載電流變化以及輸出濾波電感，可以得到電源雙總線開關(guān)頻率1.5倍的并聯(lián)電壓。輸出濾波在變換器中的電感、電流，一個開關(guān)周期內(nèi)僅升降一次。此外，為計(jì)算變壓器副邊輸出方波的有效占比，需要明確輸入最大電壓值。進(jìn)一步計(jì)算輸出濾波電感的最小電感值，當(dāng)輸出濾波電感的電感值過大時會影響導(dǎo)播系統(tǒng)的電源功率密度。

1.3 提出電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)策略

導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)控制的策略，主要是包括電壓單環(huán)控制和電壓、電流雙閉環(huán)控制。一定程度上不僅保證了導(dǎo)播系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還能夠使得電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)信息具有實(shí)時動態(tài)性。電源雙總線平均電流模式下的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)在電壓單環(huán)的基礎(chǔ)上增加了電流內(nèi)環(huán)，由于導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出的濾波電感有著很小的等效電阻，因此在構(gòu)建模型時可忽略不計(jì)。電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)的合理轉(zhuǎn)換，可以得到帶飽和電感的實(shí)時信號[9]。

在導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)的結(jié)構(gòu)下，充分考慮電壓、電流雙閉環(huán)控制策略以及有效阻尼控制，這極大改善了導(dǎo)播系統(tǒng)對輸入電壓的響應(yīng)速度。導(dǎo)播系統(tǒng)電源增加負(fù)載時，輸出的電壓也會有所降低，尤其是在導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線電壓輕載時。負(fù)載電流突然發(fā)生變化之后，調(diào)整的時間越短，電壓跌落量及電壓超調(diào)量越小，導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線負(fù)載電流的實(shí)時響應(yīng)效果越好[10]。當(dāng)監(jiān)測到導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線負(fù)載電流產(chǎn)生跨越式變化時，需要切換PID的控制模式，開啟動態(tài)控制，當(dāng)導(dǎo)播系統(tǒng)重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，采用常規(guī)PID控制與動態(tài)控制兩者相結(jié)合的控制方式。

1.4 構(gòu)建導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)模型

導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)主要是以低電壓和大電流的形式輸出，因此電源雙總線輸出的參數(shù)值不可忽略不計(jì)。而導(dǎo)播系統(tǒng)中電源變換器的損耗主要分布在開關(guān)管、變壓器以及副邊整流的二極管上[9]。導(dǎo)播系統(tǒng)的電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)具有對稱性，損耗的副邊整流二極管導(dǎo)通電阻為Rg，開關(guān)管與變壓器的損耗不相上下，二者可視為對稱電阻。

根據(jù)電源雙總線并聯(lián)的結(jié)構(gòu)建立起導(dǎo)播系統(tǒng)的模型，進(jìn)一步分析導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。對整個導(dǎo)播系統(tǒng)來說，不僅要保證電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定，還要關(guān)注相對較大的開關(guān)頻率電波是否衰減。

2 對比實(shí)驗(yàn)

2.1 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)主要是由逆變器、輸出濾波電路、驅(qū)動電路、DSP控制電路以及一些采樣電路組成。本次導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)中，逆變器額定功率為3 kW、額定輸出相電壓有效值為220 V，額定輸出線電流峰值為10 A。此外，考慮到導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)的損耗和冗余量，實(shí)驗(yàn)選擇的功率管耐壓值不能少于400 V，開關(guān)管流過的電流大于等于15 A。為了電源雙總線并聯(lián)實(shí)驗(yàn)的安全性，功率開關(guān)管選擇的是900 V/60 A。

本次實(shí)驗(yàn)中，導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)的功率開關(guān)是絕緣雙極晶體管，其驅(qū)動電路保護(hù)了電源雙總線的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。逆變器驅(qū)動芯片選擇的是光電混合驅(qū)動器HCPL316J，具有驅(qū)動故障保護(hù)和反饋控制的功能。導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)控制部分電路的處理器及其外圍的電路能夠?qū)崟r控制電源雙總線的外設(shè)，需要強(qiáng)大的硬件支持，才能夠保證導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)緊湊。因此控制電路DSP采用事件管理器模塊和A/D轉(zhuǎn)換通道，以實(shí)現(xiàn)電源雙總線的并聯(lián)控制。

導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)通過電壓電流雙閉環(huán)控制，對輸出電壓、輸出電感以及電流瞬時值進(jìn)行采樣檢測。DSP控制芯片的供電電壓為3.3 V，而實(shí)驗(yàn)?zāi)孀兤鬏敵鲭妷河姓胸?fù)，因此采樣后的瞬時值需要正電壓偏置。電源雙總線并聯(lián)中的母線電流經(jīng)過采樣檢測后送入過流保護(hù)電路，輸出端連接DSP的功率驅(qū)動器保護(hù)中斷。一旦電源并聯(lián)母線出現(xiàn)過電流情況，DSP便進(jìn)入功率驅(qū)動保護(hù)服務(wù)程序，立刻關(guān)閉開關(guān)的驅(qū)動信號。

2.2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

在本次導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，利用DSP芯片與其外圍電路共同控制電路板，從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過程能夠脫離仿真器運(yùn)行。本次實(shí)驗(yàn)程序的初始為預(yù)處理，主要完成常量定義和全局變量定義，并加載相應(yīng)的函數(shù)數(shù)據(jù)庫。其中，預(yù)處理部分還控制了實(shí)驗(yàn)管理器各種驅(qū)動器的初始化、I/O模式初始化及AD部分初始化等。在實(shí)驗(yàn)的中斷程序中，逆變電源的電壓和電流均采用采樣控制、電壓控制、電流控制以及均流等方式完成同步信息數(shù)據(jù)庫的傳輸。此外，為了方便操作，Q15格式分為有符號數(shù)和無符號數(shù)兩種形式，有效防止變量全部拓展為有符號數(shù)。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果

在導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)之前，必須保證單臺逆變電源具有良好的性能和控制波形。本次實(shí)驗(yàn)中，裝置采用的是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓、電流雙閉環(huán)控制及空間矢量調(diào)制方式。為了便于觀察計(jì)算，分析負(fù)載影響最大的輸出電壓及相關(guān)特性波形以及逆變電源空載和滿載兩種模塊的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示完全滿足了導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)的波形失真度要求。

針對本次導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，需要在兩臺同容量和同結(jié)構(gòu)的電源雙總線逆變樣機(jī)上進(jìn)行深入探究。雙總線逆變器控制兩個電源空載，并聯(lián)運(yùn)行一個導(dǎo)播系統(tǒng)逆變電源輸出電壓。此外，空載并聯(lián)并不受負(fù)載的影響，所形成的電感、電流均為環(huán)流。導(dǎo)播系統(tǒng)的電源雙總線空載并聯(lián)運(yùn)行，其環(huán)流峰值大約為2 A，而環(huán)流是由高次諧波電流構(gòu)成，會受到電源開關(guān)頻率及各種擾動的影響。

導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中的幅值差會導(dǎo)致無功環(huán)流或是少量的高次諧波環(huán)流。在并聯(lián)結(jié)構(gòu)的控制中，傳輸不可避免會出現(xiàn)延遲問題，因此導(dǎo)播系統(tǒng)在動態(tài)控制過程中最好保持均流，避免導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線在負(fù)載突增和突卸時發(fā)生過流故障。出于對導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)的動態(tài)觀察，選擇其中一相的輸出電壓、電流進(jìn)行具體分析，輸出電流波形變化情況如圖2所示。

圖2 并聯(lián)增加負(fù)載輸出電流波形變化

通過上述的電源雙總線并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，其并聯(lián)系統(tǒng)能夠有效控制性能的優(yōu)劣，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電源雙總線逆變器之間的信息控制。此外，導(dǎo)播系統(tǒng)電源中的雙總線數(shù)量沒有得到限制，并聯(lián)均流效果好，硬件與軟件的實(shí)現(xiàn)操作簡單，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

3 結(jié) 論

導(dǎo)播系統(tǒng)電源雙總線并聯(lián)的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞难诱剐?，充分發(fā)揮了導(dǎo)播系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)作用。通過采用共用電壓調(diào)節(jié)器的主從到并聯(lián)控制電源雙總線，從根本上控制了電源冗余問題。此外，通過仿真實(shí)驗(yàn)的模擬，深度探究了加大實(shí)驗(yàn)功率的多種負(fù)載情況。