大功率直流电源并联均流技术研究

2018-11-03万英英郑列

现代计算机 2018年28期

万英英，郑列

（西安石油大学电子工程学院，西安 710065）

0 引言

并联运行的大功率输出电源是电源技术一个重要发展方向，受电力电子器件及变压器功率容量的双重限制，因而需要多台小功率电源并联运行，但由于组成并联系统的各模块静态和动态特性参数不尽相同，无疑会出现各模块承担的电流不均匀的现象。并且，各模块输出不同时会在模块间产生环流，给系统电路和元器件带来极大的损害。为了避免各模块均流不佳，影响整个电源系统稳定可靠地运行，本文提供了多种传统模拟均流方案和现代数字均流方法，并对此作详细介绍。

1 引起不均流的常见因素

（1）并联模块间使用的各种元器件的特性参数不尽相同，引起模块输出特性存在差别；

（2）各模块电压基准值的给定与反馈系数存在的细微差异，会导致模块输出电压、电流的不一致；

（3）电子电力变流设备设计时，布局上的不合理，也会对电流的均匀分布产生影响。

2 均流技术工作原理分析

2.1 输出阻抗法

通过输出电流的反馈调整各模块的输出阻抗，即调整模块输出特性曲线，或直接改变模块单元的输出电阻，使外特性曲线趋于一致。

图1 输出阻抗法均流原理图

R1：电流检测电阻；Ur：参考电压。在运行过程中，当某个模块的输出电流Io增大，则系统会通过增大Ur，利用电压反馈作用，控制输出电压下降，使得输出特性下垂，最终达到均流。

优点：开环控制，易于实现均流；模块间的特性较好。缺点：由于采用的是开环控制，所以模块间的均流精度不高，很难达到理想效果。

2.2 主从均流法

在并联电源各小功率模块中，任意设定其中一个为均流主电源模块，则其余若干个为从模块。各小功率模块的输出电压均通过电压控制器进行控制。如图2所示，电流型控制中，将主模块的给定电压与反馈电压的差值经过放大器处理后，获得误差电压Ue，各模块的负载电流与其输入的误差电压Ue是成正比的，将主模块的误差电压Ue设定为整个电源系统的Ue，然后，各模块通过自身的反馈作用，使得其余模块的电流均按照Ue调制输出，达到各模块均分负载电流的目的，从而实现均流。

图2 主从均流法原理图

优点：均流精度较高；可以适当地调节各模块的输出特性，进一步优化均流效果。缺点：主从模块之间存在通信关系，增加了外围接口的复杂程度；系统的可靠性过于依赖主模块的运行状况，即当主模块电源出现故障，就会影响到整个电源系统的正常工作；由于电压环工作频带较宽，电源运作稳定性易受到噪音的干扰。

2.3 平均电流法

平均电流法实质是电源系统将所有并联电源模块的电流通过系统内部计算取得平均值，然后将此平均值送给每个小功率电源模块。各模块均以此作为标准参考，调节各自的PWM信号，进而调节各自的输出电流，以达到模块均流的效果。该方法中采用了一个窄带电流放大器。当系统实现均流，此时，Ui=Ub，但当各模块间承担的电流不均匀时，则有Ui≠Ub，这时会在电阻R4上产生一个Uab，来调节均流控制器的输入量，再由均流控制器进一步调节功率级的输出电流，最终实现电源系统的均流。（Ue:均流控制电压；Ur’：Ur和 Ue的综合；Uf：模块输出反馈电压；Ui：电流放大器输出信号；Ub：母线电压）

优点：系统的均流精度较高，并且对均流模块的数量不用加以限制。缺点：均流效果受均流母线影响较大，若均流母线或某一模块的运行出现故障，均会造成其他模块无法正常运行，导致整个电源系统瘫痪。

在平均电流法的基础上，输出电流经过一个二极管输送到公共母线上，即构成了最大电流均流法。与平均电流法均流原理大同小异。优点：通过均流控制器补偿基准电压，自动均分电流，均流精度高。缺点：某些线路需要限制电流的限值；因二极管总维持正向压降，因而主模块均流存在一定误差。

图3 平均电流法原理图

2.4 热应力自动均流

热应力自动均流是系统依据每个电源模块的电流值和温度实现自动均流的技术。如图4，模块k上的电压经过R7、R8分压后，在相应的均流控制器的a处产生电压Ua，Ua与Ub经过窄频带比较器进行比较，若Ua小于Ub，则R5中的电流增大，通过调节误差放大器的输入电压，使得该模块的电压电流均增大，使Ua接近于母线电压Ub。当电源在工作过程中均流母线发生故障，电阻R5可及时限制Ua的偏差电压，以保持系统正常运行。优点：电源系统各模块电流和散热情况不同，设计者无需考虑各模块的分布；由于回路频带较窄，因此噪音干扰少，有利于设计。缺点：受外界环境温度等客观条件的影响较大，系统运行的可靠性与稳定性有待提高。

图4 热应力自动均流原理图

2.5 外加控制器

在均流系统中额外增加一个特殊的均流控制器，用以检测、比较各并联模块的电流，然后通过调节相应的反馈信号，来实现各模块的均流。

图5 外加控制器均流原理图

均流控制器SC的输出电压Uc与Ur和Uf综合比较后，(Ur：基准电压；Uf：反馈电压)产生的误差电压经电压放大器输出，用以控制调制器和驱动器。当采用含均流控制器的均流方法进行多个电源模块均流时，如果其中一个模块出现故障，则该模块上的均流控制器会马上从均流母线上撤下来，系统此时会对剩余的模块进行均流。

优点：当其中一个电源模块运行出现故障时，其余模块不会受其影响，保障了系统的安全性和稳定性。缺点：系统动态过程复杂，单元电源的技术指标及动态响应特性在很大程度上受限于均流控制环的设计。

2.6 强迫均流

强迫均流主要是通过电源系统中的监控部分对若干并联的小功率模块实现均流。其主要有软件和硬件两种控制方式[3]。

软件控制方式即系统通过软件计算获取各模块电流的平均值，然后将各模块的实际电流与该平均值进行比较，再依此调整各模块的输出电压、电流，从而达到均流的目的。

图6 强迫均流的硬件控制原理图

硬件控制原理如图6所示，先将Us（取样电压）与Ur（给定的基准电压）进行比较，产生Ue，随之把Ue送至每个模块，并与各模块的实际电压作以比较，调整各自的参考电压，进而改变各模块的输出电压与电流，最终使各模块达到均流。

特点：强迫均流两种控制方式下的均流精度均比较高。硬件控制下的动态响应较好，软件相对来说较差。硬件可对数百个模块进行监控均流，但若监控模块失效则无法均流。

2.7 基于DDSSPP的数字均流

随着数字控制芯片工艺的成熟，通过通讯的方式获取电流信号，不存在传统上均流母线上的电压对系统运行的影响。因此数字均流技术也越来越受大功率模块并联电源系统设计者的青睐。本文介绍了控制系统以DSP为控制核心的数字均流技术。全部数字化调节，调试计算机进行参数调节，稳流精度可达0.5%以上，可以连续运行不停机带载调试。控制原理如下所述：在整个电源系统中，先采集各并联模块的实时电流，再经过系统计算得到电流的平均值并将此值与各模块的实际值进行比较，比较的差值输送至均流环，对均流环的给定量进行修正[4]。同时，将电压环与均流环内经PI调节后的输出，及各模块上滤波电感中电流的平均值一同作为电流环的输入量。最后通过均流环中PI的调节作用，进一步控制PWM波的占空比，以达到均流。