开关电源并联运行及其均流技术

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1、开关电源并联运行及其均流技术1引言　　大量电子设备，特别是计算机、通讯、空间站等的广泛应用，要求组建一个大容量、安全可靠、不间断供电的电源系统。如果采用单台电源供电、该变换器势必处理巨大的功率、电应力大，给功率器件的选择、开关频率和功率密度的提高带来困难。并且一旦单台电源发生故障，则导致整个系统崩溃。采用多个电源模块并联运行，来提供大功率输出是电源技术发展的一个方向。并联系统中每个模块处理较小功率，解决了上述单台电源遇到的问题。　　八十年代起，分布式电源供电方式成为电力电子学新的研究热点。相对于传统的集中

2、式供电，分布式电源利用多个中、小功率的电源模块并联来组建积木式的大功率电源系统。在空间上各模块接近负载，供电质量高，通过改变并联模块的数量来满足不同功率的负载，设计灵活，每个模块承受较小电应力，开关频率可以达到兆赫级，从而提高了系统的功率密度。　　大功率输出和分布式电源，使电源模块并联技术得以迅速发展。然而一般情况下不允许模块输出间直接进行并联，必须采用均流技术以确保每个模块分担相等的负载电流，否则，并联的模块有的轻载运行，有的重载甚至过载运行，输出电压低的模块不但不为负载供电，反而成了输出电压高的模块的

3、负载，热应力分配不均，极易损坏。　　对于多个模块并联运行电源系统的基本要求是[2]：一是输入电压或者负载发生变化时，保持输出电压稳定；二是控制各模块的输出电流，实现负载电流平均分配，均流动态响应良好。为提高系统可靠性，并联系统应该具备以下特性：实现冗余。当任意模块发生故障时，其余模块继续提供足够电能，整个电源系统不会崩溃；实现热拔插，电源系统真正意义上的不间断供电；均流方案无需外加均流控制单元；使用一条公共的低带宽均流总线来连接各模块单元。2并联特性及均流一般原理　　图1为两个模块并联工作时的等效电路及其

4、外特性曲线。如果两个模块的参数完全相同，即V1max＝V2max，R1＝R2，两条外特性曲线重合，负载电流均匀分配。如果其中一个模块的电压参考值较高，输出电阻较小（外特性斜率小），如图1中的模块1，则该模块将承受大部分负载电流，负载增大，模块1将运行于满载或超载限流状态，影响了系统可靠性。　　　　（a）并联等效电路　　　　　　　　　　　　（b）输出外特性图1两个模块并联均流原理图　　可见，并联电源系统中各模块按照外特性曲线分配负载电流，外特性的差异是电流难以均分的根源。均流性能的优劣用均流精度来衡量。均流

5、精度定义为：CSerror=ΔIomax/(Io/N)　　式中N为并联模块数，Io为负载电流，ΔIomax为最大电流与最小电流之差。　　正常情况下，各并联模块输出电阻是个恒值，输出电流不均衡主要是由于各模块输出电压不相等引起。均流的实质即是通过均流控制电路，调整各模块的输出电压，从而调整输出电流，以达到电流均分的目的。一般开关电源是一个电压型控制的闭环系统，均流的基本思想是采样各自输出电流信号，并把该信号引入控制环路中，来参与调整输出电压。选择不同的电流信号注入点，可以直接调节系统基准电压、反馈电压误差、

6、或者反馈电流误差，形成多种均流方案，以满足不同的稳态性能和动态响应。3均流方法　　根据并联电源系统中模块之间有无传递均流信号的互连线，所有均流方法可归成两大类：下垂法和有源均流法，下垂法为模块之间只有输出端导线相连；有源均流法除了连接输出导线外，还用均流母线把各模块连在一起。3．1下垂法[4]　　下垂法（又叫斜率法，输出阻抗法）是最简单的一种均流方法。其实质是利用本模块电流反馈信号或者直接输出串联电阻，改变模块单元的输出电阻，使外特性的斜率趋于一致，达到均流。由图1（b）可见，下垂法的均流精度取决于各模块

7、的电压参考值、外特性曲线平均斜率及各模块外特性的差异程度。　　选择不同的电流反馈信号注入点，可以修正控制环路的反馈电压值或基准电压。图2（a）为采用调节基准电压来改变电压参考值的方式下所对应的外特性曲线图。可见电压参考值的差异越小，均流效果越好。图2（b）为采用调节反馈电压值来改变斜率的方式下所对应的外特性曲线图。外特性斜率越陡，均流效果越好。图2（a）调节基准电压（b）调节反馈电压　　常用的下垂法均流控制框图如图3所示。Vi为电流放大器输出信号，与模块输出电流成比例Ki，Vf为电压反馈信号，显然V－＝K

8、v×Vo＋Ki×Io，当某模块电流增加时，Vi上升，Ve下降，通过反馈使该模块输出电压随之下降，即外特性向下倾斜，接近其他模块的外特性，从而其他模块电流增大，实现近似均流。电压误差放大器E/A具有很大的直流增益Ko，假设Ko→∞时，Vo＝Vref/Kv－IoKi/Kv＝Vomax－IoKi/Kv，改变电压环电流环的参数可以获取期望的外特性。图3下垂法均流控制框图　　此外，在模块输出端与负载之间串联一定的电阻值也是一种调节输出电