浅析开关电源模块并联均流方法

张伊凡 王 乐

（西安石油大学电子工程学院 710065）

1 引言

随着我国工业生产中对大功率电源系统需求的不断增加和开关电源模块化的发展趋势，以及半导体功率器件和磁性材料等方面的因素对单片开关电源输出功率的限制，开关电源模块往往需要并联成电源系统运行，这样既可以增加电源容量，也可以提高电源系统供电的可靠性。但在实际应用中，由于各电源模块之间的差异，并联运行时会出现电源系统中各模块输出不均流的现象，进而引起电流应力和热应力的不均匀分配，影响电源模块的使用寿命和可靠性[4]。所以并联均流技术成了实现组合大功率电源系统的关键。

2 电源模块不均流的原因分析

从电源模块的控制系统来看，所有的电源模块并联运行，则输出电压U0都相等，也就是电压反馈值都相等，但是每个模块的给定量Ugi和反馈比例系数Kfi都有差异，运算放大器的失调电压也不同，所以给控制器件的误差信号也不相同，使有些误差信号为正的模块，电压调节器正向积分，输出电流增加；有些误差信号为负的模块，电压调节器反向积分，输出电流减小。当系统进入稳态以后，最多有一个模块的误差为零，电压调节器正常工作。所以负载电流都要由误差为零的模块承担，就出现了电流不平衡的现象。

另外，电源模块外特性的差异也是不均流的原因，如图1中两个电源模块并联运行，输出电压分别是U1和U2，电流分别为I1和 I2，内阻分别为 R1和 R2，母线电压为 UO，其输出特性见式（1）、（2）[5]。

由式（1）、（2）可以看出，不均流的原因是输出电压和等效内阻不一致。

图1 两模块并联运行原理图

所以，各电源模块之间不均流的根本原因是由于电源模块中各器件的差异引起的，只能通过增加外部设备或控制部件的方法来解决，其主要思想就是增加一个均流母线，通过均流母线传递均流信号，或者根据电源的热应力来调节负载电流的分配，防止一台或多台模块运行在电流极限状态。

3 常用的均流方法

主要的均流方法有：主从法，最大电流自动均流法，输出阻抗法，平均电流法，热应力自动均流法，数字控制均流法等。

3.1 主从法

主从法针对具有电压、电流双环控制的电源模块中，如图2所示，在电源系统中各模块公用一个电压调节器模块AVR，其输出作为每个模块电流调节器的给定电流，所以，每个模块的给定相同，输出也就相同了，在实际系统中，每个电源模块都有电压调节器和电流调节器，人为设定主模块后，主模块的电压调节器工作，其他从模块的调节器则不工作，只有电流调节器工作，从而降低各模块输出电流的不平衡度。

图2 主从法均流原理图

图3 最大电流自动均流法原理图

3.2 最大电流自动均流法

最大电流自动均流法是自动选择主从模块的均流方法，而且该方法只要求电源模块具有电压控制器就可以，如图3所示，每个电源模块的输出电流经一个二极管连接到均流母线上，只有模块电流Uifn最大的模块中的二极管才能导通，也就是说均流信号为各模块输出电流的最大值。均流信号USB与其他各模块电流Uifn相减得到的误差值，经过一个比例系数放大后加到各自模块的电压调节器中，当误差变大时，该模块的AVR动作使模块输出电压升高，跟随最大电流输出的模块变化[9]。

最大电流自动均流法应用较为广泛的均流方法，现在已经有很多集成控制的芯片，如UC3902，UC3907，UCC39002和L6615等，但是电源系统的电压调节是通过测量最大电流与各电源模块输出电流的误差，再经过比例环节控制的，如果比例系数设定太低，响应速度就会很慢，达不到均流的目的，如果比例系数过大则会造成各电源模块输出电压竞争上升，进而引起严重事故，另外，这种均流方法是通过调节给定电压来调节输出电流的，所以会造成输出电压的波动[3]。

3.3 输出阻抗法

输出阻抗法其实质是调节开关电源模块输出阻抗，使各电源模块外特性斜率趋于一致，达到均流的目的，是一种开环均流控制方法，由式（1）和（2）可得 ：

可以看出，母线电压UO不能变，改变输出电流I1、I2可以通过改变模块输出电压和输出阻抗的方法。例如两种电源模块的外特性曲线如图4所示，Ie为平均电流，I1、I2为各模块的输出电流，要达到均流可以在保持电源电压不变的情况下，使电源模块M1的外特性斜率变大，电源模块M2的斜率变小，则外特性曲线与输出电压的焦点将接近平均电流Ie，以达到均流。

输出阻抗法虽然不需要在并联模块电源间建立联系，方法比较简单。由于均流需要改变模块外特性曲线斜率,会导致模块电压调整率下降，实际运行时各模块的输出电流也不一定平均分配；特别是对于不同额定功率的并联模块，由于各模块的外特性差异较大, 所以难以实现均流。

图4 两种电源模块的外特性曲线

图6 数字控制均流原理图

3.4 平均电流法

平均电流法的电路比较简单, 容易实现。在各电源模块的输出电流都通过电流采样放大器和一个电阻连接到均流母线上，均流母线上的电压为USB，当某一模块电流不均流时，将有电流流过电阻R，从而产生压降，该压降与基准电压比较后反馈到电源的控制部分，进而调节输出电流，达到均流的目的，可以实现较高的控制精度。其原理图如图5所示：

平均值均流和其他需要均流母线的均流方式一样，都有较高的控制精度，但对均流母线的可靠性要求较高，当公共母线发生短路或接在母线上的任一电源模块单元不工作时,控制电路会使各电源模块输出电压下调,甚至达到电源模块的下限值而引起电源系统故障。

图5 平均电流法原理图

3.5 热应力自动均流法

热应力自动均流法是利用各模块温度的变化来控制模块输出电流的方法。由于电源内阻的存在，各模块输出电流大小的外在表现就是各模块之间的温度差异，输出电流越大，模块的温度也越高。

由于热应力自动均流法是基于温度的控制方法，所以被控对象电流是不一定相等的，只是在低于电源模块最大输出功率和低于系统最大工作温度的前提下趋于相等的。所以均流的精度较低。

3.6 数字控制均流方法

数字控制均流是一种基于可编程控制器的均流方法，它可以将现有的均流控制方法都可以用硬件描述语言实现，并集成在控制系统中。在数字控制均流方法中，各电源模块的输出电流、电压被采样，经过模数转换后输入到逻辑控制器件中，逻辑控制器件接收各模块的输出电流、电压信号后计算出平均电流值，并和各模块的实际输出电流、电压进行比较，利用误差调整各模块的PWM占空比，达到调节输出电流和电压的目的，其原理图如图6所示[2]，因其对各电源模块分别采样，单独控制，所以可以实现很高的控制精度。

数字均流技术也可以简化控制电路，解决模拟元器件老化和温漂所带来的诸多问题，同时可编程器件在开关电源领域应用越来越广泛，这样可以使数字均流技术和开关电源的控制系统集成，提高系统的集成度，增强抗干扰能力，也可以实现不同功率电源模块的均流[2]。

综上所述，在众多均流方法中，输入阻抗法和热应力自动均流法虽然实现起来简单，但是均流精度不佳，平均电流法和主从法则对均流母线和主模块的可靠性要求较高，和这些方法相比，最大电流自动均流法因其具有均流精度高，动态响应好，可以实现冗余技术等有点，在均流系统中的使用越来越广泛。而数字均流法因其算法设计方便，灵活性高等优点正慢慢取代其他均流方法。这些均流方法的比较如表7所示[12]。

表7 均流方法的比较

4 总结

本文对电源系统中电源模块并联运行时不均流的原因进行了简要分析，总结了现有的均流方法的工作原理及其优缺点，其中，最大电流法是比较理想的均流方法，也是现在应用最多的均流方法，但随着开关电源工作频率的不断提高，对电源控制系统的抗干扰、控制系统集成度等方面也有了更高的要求，于是，基于可编程控制器件的数字均流技术应运而生，并以其各方面的优越特性代表着均流技术发展的方向，这也将推动高频开关电源系统向更大规模的方向发展。

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