多模块并联直流电源控制技术研究

2021-11-23梁伦发

通信电源技术 2021年11期

关键词：并联电感峰值

梁伦发

（深圳蓝信电气有限公司，广东深圳 518000）

0 引言

随着我国科学技术的高速进步，电力电子技术和功率变换技术也得以快速发展。传统的设备已经不能满足人们的日常需求，为了使人们有更好的使用感，集模块化、小型化、绿色化以及数字化于一身的开关变换器成为了主流研究方向。

1 多模块并联直流电源的优点

对于如今的电源需求来说，单个的Boost存在很多缺点。例如，开关管承受的电流太大导致无法找到满足条件的元器件；为了保证储能元件有足够的内存只能将元件面积造得很大，不仅成本极高，而且稳定性很差，变换器不够灵活小巧；功率器件非常容易损耗，设计非常复杂，动态特性较差。而多模块并联直流电源可以很好地弥补以上缺点，应用效果较好。

模块并联直流电源的方式使每个并联单元都分担了部分电流，每个部件需要承受的电流大小也被降低，应力被有效减少，因此对元器件的功率要求也被降低，变换器的压力减小，制造时可以将体积和重量大幅度缩小。此外，并联电路还解决了功率损耗问题，从根本上降低了设计难度，为变换器的设计和制造节约了大量成本。

采用模块并联直流电源能够实现冗余。所谓冗余是指N+n个模块并联，有N个模块对应输出功率的同时还有n个模块被用来当作备用模块，一旦输出功率的过程中有模块出现故障，则可以立刻将备用模块替换进去，只要产生故障的模块不超过n个，设备就可以一直顺利运行[1]。系统在不停止工作的前提下替换故障模块，大大提高了工作效率和容错率，维修成本也大大降低。

将模块并联运行使用，能够使设计和制造生产更加简单、易操作，从而大大缩短制造周期，在节约成本的同时有助于批量自动化生产。此外，模块并联直流电源可以有效降低电磁干扰。DC/DC变换器并联系统是一个闭环系统，能够通过反馈灵活调整输出总线的电压，进而实现负载均流[2]。

如今，并联直流系统已经在很多领域都得到了广泛应用，例如军事、航空、电动汽车以及工业控制等。为了使之能够有进一步的发展，需要积极解决设计和生产过程中的各种难题。

2 多模块Boost电路的结构

多个Boost电路并联的结构是多种多样的，这些不同结构主要是电感的位置和形式不同，本文以两个Boost电路并联的形式为例简要介绍几种不同的并联拓扑结构。

2.1 对称式并联拓扑结构

对称式并联拓扑结构的两个Boost单元的构成相同，并且直接在两端并联，如图1所示[3]。图1中，L1、S1、D1为一个单元，L2、S2、D2为第二个单元。

图1 对称式并联拓扑结构

对称结构是各种并联结构中最基础也最广泛的一种，其设计简单、模块特性差别很小，能够比较容易地实现。

2.2 耦合式并联拓扑结构

电感耦合式并联电路除了将电路中的电感进行耦合外，其他与对称式结构没有太大差别。电感耦合的方式就是将它们的同名端先连在一起，然后再接在输入端。不过比起对称式并联结构，耦合式结构电路设备的体积更小，生产成本也更低。耦合式并联拓扑结构如图2所示。

图2 耦合式并联拓扑结构

在电感量和输出功率都相同的情况下，耦合式结构并联电路的电流更高，过大的电流使得电感和开关管的承受应力加重，而且元器件的损耗程度有明显提升。此外，高电流会导致元器件必须提高功率等级和扩大电路体积，而效率则被间接降低了。要改善耦合电路的这一问题，使其在发挥自身优势的同时还兼具对称式结构的优点，一个必要前提是大大降低电感耦合系数，使其尽可能越小越好，避免电感之间相互影响。需要注意的是，一旦耦合系数降低，耦合性也会下降，那么耦合式结构的独特意义将不复存在。

2.3 跨接式并联结构

电感跨接式并联结构如图3所示。

图3 跨接式并联结构图

以跨接方式并联在一起的结构电路，开关转化器状态变化时的电流并不会受到元器件相关因素的影响。该结构电路中，电流被均匀分配给S1、S2两个开关管，运行更加稳定并且由开关转换器导致的尖峰电流也被巧妙避免了，这是跨接式并联结构的独特优势。

跨接式结构对电路参数要求非常高，电感L2和L1之比必须尽量小，避免变换器的性能受到影响，同时也要避免增大元件的体积和重量。此外，跨接式电路还要求各支路的功率开关管特性和支路稳态特性都非常接近。

3 多模块Boost电路控制方法

3.1 峰值电流控制

峰值电流模式需要设置一个周期，周期开始时开关管就开启，到达峰值电流时就关闭。峰值电感电流的变化几乎和平均电流相同，且峰值电流具有易传感的特点[4]。峰值电流控制方法的流程是对电流的数值进行实时检测，并将值与基准值进行对比。如果电流的数值小于给定峰值，那么就一直让开关管处于开启状态，等到两者相等时关闭开关管，如此循环。

峰值电流控制模式具有很多优点，首先这种模式非常容易实现且拥有磁通平衡功能，简单实用。此外，这种模式的动态响应速度很快，而且能够对峰值电流实现周期性限流。但是该模式也有一些缺点，例如误差较大、稳定性较差以及闭环响应效果不好等。

3.2 滞环电流控制

滞环电流控制方式采用脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，PFM），使用滞环逻辑比较器比较检测电流数值和电流基准值之间的大小，并同样根据比较结果决定开关管的状态，直到检测电流与基准值相等[5]。在这个过程中需要设置电流的上限基准值和下限基准值，如果电流数值接近下限就开启开关管，使得电流线性提高，直到接近上限时断开开关管，使电流再次回落。

在滞环电流控制方法中，滞环比较器的环宽会直接影响电流控制的精密度，环宽和精密度成反比，因此在设计时要让环宽尽可能小。但是，太小的环宽会导致系统的开关状态转换次数大大增加，容易使开关管损坏。

滞环电流控制方法的优势在于控制简单、具备限制电流的功能且动态响应很快，缺陷在于PFM使得开关管的状态转换不固定，非常容易造成电磁干扰，且大大提高了设计难度，增加元器件的体积和重量。

3.3 平均电流控制

平均电流控制方法的适用系统也是双闭环控制系统[6]。工作时检测输出电压，并将检测到的值与电压基准值对比，将比较结果通过电压调节器进行处理，处理后的值就是电流环的基准值。将此基准值和采样的输入电流作为误差放大器的输入值，产生的误差高频分量变化利用误差放大器进行平均化，用来控制脉冲宽度调整波和开光管的状态变化。

这种控制方法也具有自身独特的优势，其电流检测精度很高，且具有很好的抗干扰能力，非常容易实现均流。但这种方法的参数设计非常复杂，成本较高。

4 多模块Boost直流并联系统的并联设计

本次研究使用最大电流自动均流法来实现多模块Boost直流并联电路的并联设计，为了降低成本，在模块间均流时控制模块的总电流输入，并进行实时检测。当各模块的电流平均值一致时，认为负载电流已经处于均衡状态。如今，市面上已经有很多最大电流自动均流控制方法，本次主要讨论目前最常用的3种最大电流自动均流控制方法，它们的结构如图4所示。

图4 自动均流控制方法原理图

图4 （a）的均流控制方法是电压控制型。这个结构将自动均流产生的误差信号用来矫正电压环的给定值，而经过矫正后的电压环给定值则可以直接用来调整控制相关模块的输出电压，从而使相关模块的输出电流也被调整到均流状态。电压控制型均流控制结构相对而言设计比较简单，制作时也有现成芯片可以直接使用，制造成本相对较低。但是这种结构的各模块电流并不可控，而且它的系统响应速度也比较慢，总体来说效率不高。

图4 （b）则是电流控制型。这种结构也是将均流产生的误差信号用来矫正电压环的给定值，然后再将电压给定值和相关模块的反馈电压相比，而电压的误差信号则通过调节器进行修正，再将修正之后的信号当作电流环的电流基准值。而电流的均衡状态则需要利用电流环来进行调节和控制，这种均流控制结构的动态特性较好，其中的各模块都是电流型，相比电压型具有一定优势。此外，其并联结构使得各模块相互独立，能够灵活工作。但是，这种结构也是将均流环设计在了电压环之外，因此它的系统响应速度同样受到电压环的影响，总体来说依然较慢。

图4 （c）也为电流控制型。它和图4（b）的主要区别在于这种结构进行了优化调整，将均流环放在了电压环之外，使系统的响应速度不再受到电压环的影响，速度明显加快。但是，这样的并联结构在工作中并没有图4（b）那么灵活。

在实际的应用中，通常图4（b）这种类型是应用最广泛的。其综合能力较强，具有较好响应的同时也保证了模块间的灵活性。