基于并联均流技术的直流变换器

罗耀华，李景恒，周慧楠，闻婷

哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨150001

随着科学技术的发展，通讯基站、发电厂、变电所等应用场合对直流电源系统的需求越来越多，对系统的可靠性也提出了越来越高的要求。直流电源模块并联供电系统具有以下优点:提高了系统的灵活性，可方便的实现N+1冗余供电，提高系统可靠性;减少产品种类，便于标准化和大规模生产，降低了成本［1-2］。直流变换器并联工作时，最为关心的是各个模块的输出电流均匀性的问题。因此基于并联均流技术的直流电源的研制具有十分重要的意义。

根据是否有均流母线相连，均流技术可分为下垂法(输出阻抗法、斜率法)和有源均流法两大类。有源均流法主要有:主从设置法、平均电流均流法、最大电流均流法、热应力自动控制法和外加均流控制器均流法等［2］。最大电流均流法是直流电源并联运行最常用的均流控制策略。

1 单模块电源主电路设计

主电路采用带饱和电感的移相控制ZVS全桥变换器，如图1所示。

图1 直流电源主电路结构图

电路主要性能指标如下:输入直流电压314 V;输出直流电压28 V;最大输出电流20 A。半导件器件选用IGBT，电路的工作频率为10 kHz。考虑到移相全桥变换器特有的占空比丢失现象，实际取的匝比值要小于计算所得值，这里的高频变压器的匝比值为n=4。电路中的滤波电感L=100 μH，滤波电容C=470 μF［3］。

2 单电源模块的控制策略

单模块电源主电路采用移相控制方式，每个桥臂的2个开关管成180°互补导通。Q1先导通，Q4后导通，两者导通角为α，Q1和Q3分别先于 Q2和Q4导通。移相控制时，通过移相控制方式改变移相角α的大小来调节输出电压。当α=0°时，Q1和Q4或者Q2和Q3同时导通，输出电压达到最大值;当α=180°时，Q1和Q2或者Q3和Q4同时导通，输出电压为0;移相控制过程中 Q1和 Q3分别超前 Q4和 Q2一个相位［4-6］。

模块电源DC/DC变换过程中采用电压、电流双闭环的PI控制策略，其控制框图如图2所示。

图2 双闭环控制框图

输出电压的给定值Uref与实际输出电压Uout作差，其差值经过PI环节生成电流环的给定电流信号Iref，再与采样回来的电感电流IL比较，其差值经过PI环节后确定移相角α，通过移相角α的大小控制DC/DC主电路中IGBT的开关状态，稳定电源模块的输出电压。

3 并联均流控制策略

下垂法是最简单的自动均流法，不需要均流母线，容易实现，主要缺点是:当均流性能要求很高时，负载调整率比较差;当模块的电压稳定性要求很高时，均流性能比较差，这使得下垂法不适合应用在大功率、高性能的场合。但是由于其结构简单，该方法在小功率场合仍得到了广泛的应用。

主从设置法控制结构比较简单，均流精度很高，但模块间连线复杂。当主模块发生故障，则整个系统将完全瘫痪;系统的可靠性取决于主模块，系统只能实现均流而不能构成冗余系统。

平均电流自动均流法的均流效果较好，但如果有一个模块的均流线短路，则系统无法实现均流。

外加均流控制器均流法的均流效果非常好，但控制器与各电源模块要进行多路连接，连线较复杂，当均流控制器出现故障后系统则会失去均流控制，整个系统处于不正常工作状态。

最大电流均流法实现容易，均流效果好，支持热插拔(失效模块不会影响整个系统)。采用最大电流法进行均流的系统，根据输出电流大小顺序，系统中输出电流最大的模块自动成为主模块，没有人为规定主模块和从模块，因此也被称为民主均流法。该方法是目前一种较好的均流方法［7-9］。

经过分析比较，选用最大电流均流法作为均流控制策略，最大电流法原理框图如图3所示。

图3 最大电流法原理框图

Iout为电流传感器CT测量模块电源输出电流的大小(实际为电压信号)，系统中所有模块通过公共均流母线BUS相连接，根据二极管的单向导通性，系统中只有输出电流最大的模块的输出电流经过二极管VD被送至公共的均流母线BUS上，均流母线BUS上的信号应为所有电源模块输出电流Iout中的最大值Imax。在每个模块均流电路中，二极管VD两端的反向电压降即为所有并联电源模块输出电流中的最大值Imax与自身输出电流Iout的差值，该差值经过处理后，生成的均流误差信号ΔI送进ARM控制器。ARM控制器根据均流误差信号ΔI，电感电流IL和输出电压Uout计算移相角α，根据移相角大小控制主电路中开关器件的开关状态，最终实现均流控制［10］。

在如图2所示的双闭环控制基础上增加了一个均流环，形成一个三环控制系统，其均流控制如图4所示。

图4 均流控制框图

均流误差信号ΔI经比例放大后，形成电压调节信号ΔU，ΔU与电源的电压给定值Uref相叠加形成新的电压给定，通过ΔU的大小对直流电源模块的输出电压进行调整，最终实现各模块均分负载电流，达到均流控制的目的。ΔU的大小必须经过限幅才能和Uref相叠加，不然会造成均流过程中输出电压过大。这是一个三环控制系统，均流环在电压环的外面，均流环的响应速度受电压环带宽的影响。

4 仿真验证

利用MATLAB仿真软件对2个直流电源模块并联运行进行仿真。电源输出电压28 V，负载为1 Ω纯阻性负载，通过人为设置电路中的器件参数和连接导线等效电阻大小的方法来改变电源模块的外特性，从而对均流控制策略的均流效果进行仿真分析。

未采用均流控制时2个直流电源模块输出电流波形如图5所示，各模块加入如图4所示的均流控制后，2个电源模块的输出电流波形如图6所示，图7示出采用均流控制后并联系统的输出电压波形。

图5 未加均流控制输出电流波形

图6 均流控制时输出电流波形

图7 均流控制时系统输出电压波形

由图5、6对比可知:系统没有加入均流控制时，2个并联的电源模块没有均分负载电流，均流效果不好，一个电源模块处于接近满负荷运行状态，而另一个电源模块的容量则没有被充分利用;加入均流控制策略后，2个电源模块的输出电流波形基本重合，均流效果好。由图7可知，采用如图4所示的均流控制策略的并联系统输出电压存在一定的波动，而且输出电压的最小值为28.2 V，输出电压有所上升，这是因为均流过程中电源模块的输出电压在不断调节，通过抬升输出电压实现均流。通过对均流环的输出ΔU进行合理的限幅，可以减小由于均流控制而造成的输出电压波动。

为了考验系统的稳定性，进行突加突减负载仿真实验，各模块输出电流的动态波形如图8所示，输出电压波形如图9所示。

图8 突加减负载输出电流波形

图9 突加减负载输出电压波形

开始的时候，系统负载为2 Ω纯电阻性负载;在0.004 s的时候，向系统投入第二组2 Ω纯电阻性负载，在0.007 s的时候减掉第二组2 Ω纯电阻性负载。由图8、9可知，突加突减负载过程中，输出电流和电压无冲击平稳过渡到稳态过程，输出电压没有明显的升高和跌落。系统工作稳定，具有良好的动态响应，模块之间的均流效果在稳态时刻和瞬态过程都比较理想［10］。

5 实验验证

通过实验对均流控制策略的均流效果进行验证，采用意法半导体公司的STM32F103系列处理器作为控制器，根据主电路拓扑结构搭建硬件实验平台，使用2个直流电源模块进行并联实验，各模块采用如图4所示的均流控制策略。314 V的直流电源是利用单相220 V交流电经过整流桥和电容滤波得到，滤波电容为470 μF。为了避免并联后的直流电源系统由于输出电流过大而损坏，所以选择输出负载为2 Ω纯阻性负载，即使某个电源出现故障不供电，另一个电源也不会工作在满负荷状态。均流实验过程中实际测得的电压和电流波形分别如图10、11所示。

图10 系统输出电压波形

图11 模块输出电流波形

由图10可知系统的输出电压在28 V附近，输出电压稳定。由图11可知，2个电源模块的输出电流幅值在很小的幅值上下波动，均流效果好。但2个模块的输出电流大小值存在明显交替，即模块间的主从身份不断在交替，主从模块的交替周期和均流环的比例系数大小成反比，在保证系统均流精度的情况下，合理减小均流环的比例系数可以减小模块的输出电流波动。实验结果和仿真结果相仿。

6 结论

采用最大电流均流法对直流电源并联运行进行均流控制，仿真和实验结果均表明该均流控制策略具有很好的均流效果，可以满足直流电源并联运行的均流控制需求，并得出以下结论:

1)均流所需的硬件电路简单，模块电源间的联接只需要一条均流母线，具有很好的抗干扰性，并联系统可实现N+1冗余供电，某模块出现故障后维修方便，有利于系统不间断供电。

2)与单电源运行时相比，并联系统的输出电压会有所上升，这是因为并联系统通过改变电压给定值实现均流控制，影响稳压精度。

3)均流过程中模块间的主从身份不断在交替，输出电压和输出电流不断在调整，增加了系统输出电压和电流的纹波含量。

4)在均流控制过程中，系统中所有的电源模块都是以主模块的输出电流为调节目标，根据均流误差大小调节输出电压给定值，因此系统中各模块电源能近似均分负载电流。

总而言之，最大电流均流法均流效果好，容错性能好，抗干扰能力强，容易实现，在直流电源并联均流控制中应用广泛。

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