高频开关电源并联均流的技术研究本科毕业论文(编辑修改稿)

高频开关电源并联均流的技术研究本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

的负载响应特性。 负载突变时 不 会 造成电流严重分配不均而停机。 高频开关电源并联特性 与线性电源相同，开关电源也具有如图 31 所示的外特性（输出特性） ()OOU f I。 D C / D CU sRR L U oU oΔ UU o m a xΔ IR =Δ UΔ II o (a) 单台 开关变换器的外特性 D C / D C 变 换 器R 1R L12R 2I 1I 2U oU o m a xI oU oU o 39。 12I o 2 I o 1 I o 2 39。 I o 1 39。 (b) 两台 开关变换器 并联 的外特性 图 31 开关变换器的外特性 R 为开关电源的输出电 阻，其中包括 开关电源模块接到负载的导线或电缆的电阻。 空载时 模块 的 输出电压为 maxOU ，当电流变化 I 时，负载电压变化 U ， 则 该模块的输出电阻为： UR I （ 31） 咸宁学院学士学位论文 8 对电源模块 而言， 电流增加 I 时， 输出电压降落 U。 因此上式也表示 开关电源的输出电压调整率。 由图 31(a)可知，开关电源的负载电压 OU 与负载电流 OI 的关系 为 ： maxO O OU U RI （ 32） 如图 31(b)所示，两台容量相同、参数相同的开关变换器并联，负载电压 分别表示如下 ： 1 m ax 1 1O O OU U R I （ 33） 2 m ax 2 2O O OU U R I （ 34） 式中 1R 、 2R 分别为模块 1 及模块 2 的输出电阻（包括电缆电阻）。 设 LR 为负载电阻， 由基尔霍夫电压定律，可得： 1 1 1 2 1()O O O L OI R I I R U   （ 35） 2 2 1 2 2()O O O L OI R I I R U   （ 36） 可解得： 2 1 1 211 2 1 2()O O O LOLR U U U RI R R R R R  （ 37） 1 2 2 121 2 1 2()O O O LOLR U U U RI R R R R R  （ 38） （ 1）尽量使用性能和参数一致的 元 器件，并使结构和安装尽量对称； （ 2）利用反馈控制的方式，调整各个模块的外特性，使它们接近一致。 后者就是均流技术的基础 [8]。 均流原理分析与研究 多台电源并联 组 成的大功率电源系统，应像单台电源一样，在输入总线和输出负载变化的情况下，除系统的输出电压等电特性始终保持稳定不 变外，还 要 能长期、无故障地可靠运行。 这就要求系统在任何时刻都得确保相关联的各台电源承受的电、热应力基本相当。 也就是说，必须采取某种相应的措施，保证系统不致因并联各电源承载情况的差异，造成电、热应力不平衡而引起恶性循环，影响系统特性和可靠运行。 均流技术就是对系统中各并联电源的输出电流加以控制，实现尽可能均分系统输出总电流，确保多台电源可靠运行的一种措施。 从目前国内外对均流技术的研究看，在并联的电源系统中，实现均流控制常用的几种并联均流技术有： （ 1）输出阻抗法（斜率控制法）； （ 2）平均电流自动均流法； （ 3）主从设置均流法； （ 4）最大电流自动均流法（民主均流法）。 3 高频开关电源并联特性及均流一般原理 9 输出阻抗法 输出阻抗法又称电压调整率法，均流控制原理图见图 32。 其机理是调节变换器的外特性斜率（输出电阻），在各模块间合理分配电流。 实质是利用开关电源输出电阻的开环技术来获取电流输出平衡。 这种均流的缺点很明显，本质上是一种开环控制，在小电流时电流分配特性差，重载时分配特性好一些，但仍不均衡。 而且为了实现均流，各模块需要个别调整，对于不同额定功率的模块难以实现均流。 +电 流 放 大 器U fU sU rI o+U e电 压 放 大 器R sU IR1 0 0 R 图 32 输出 阻抗法均流控制原理图 图 32 中， sR 为模块电流的检测电阻，与负载电阻串联。 检测到的电流信号经过电流放大器输出 IU （ 05V 电压），与模块输出的反馈电压 fU ，综合加到电压放大器的输入端。 这个综合信号电压与基准电压 rU 比较后，其误差经过放大得到 eU ，则随着该台电源输出电流的变动， eU 将作相应变动，通过 eU 调节该台电源内部脉宽调制器及驱动器，用以自动调节模块的输出电压。 当某模块电流增加得多， sU 上升， eU 下降，使该模块的输出电压随着下降，即外特性向下倾斜（输出阻抗增大），接近其它模块的外特性，使其它模块电流增大，实现近似均流， 这个方法是最简单的实现均流的方法，本质上属于开环控制，在小电流时电流分配特性差，重载时分配特性要好一些，但仍是不平衡的。 其缺点是：电压调整率下降，为达到均流，每个模块必须个别调整：对于不同额定功率的并联模块，难以实现均流。 采用引入输出电流反馈的方法实现均流。 在电压反馈型 DC/DC 变换器中将输出电流引入反馈回路中，这样当输出电流增加时，输出电压将降低从而调节并联模块的输出阻抗，实现均流的目的。 由于用输出阻抗法均流的系统 的 电压调整率差，因此这一方法不可能用在电压调整率要求很高（ 例如 3%或小于 3%）的电源系统 中 [16] [17] [18]。 平均电流自动均流法 平均电流自动均流不需要外部控制器，并联各电源模块的电流放大器输出端（如图 33 中的点 a）通过一个电阻 R 接到一条公用母线上，称为均流母线。 模块的输出电流随着输出电压变化，从而实现模块间负载电流的均分。 图 33 为 n 个并联模块中一咸宁学院学士学位论文 10 个模块按平均电流自动均流的控制电路原理图。 ++功 率 级负 载 均 流电 流放 大电 压 放 大Ra b均流母线U b均 流 控 制 器U cU r++U fU r ’U IU e 图 33 平均电流自动均流控制原理图 电压放大器输入为 39。 rU 和反馈电压 fU ， 39。 rU 是基准电压 rU 和均流控制电压 cU 的综合，它与 fU 进行比较放大后，产生 eU （电压误差）来控制 PWM 及驱动器。 IU 为电流放大器的输出信号，和模块的负载电流成比例， bU 为母线电压。 现在讨论两个模块并联（ n=2）的情况， 1IU 及 2IU 分别为模块 1 和 2 的电流信号，都经过阻值相同的电阻 R 接到母线 b，因此，当流入母线的电流为零时，可得下式： 12 0I b I bU U U URR （ 39） 或 122IIb UUU  （ 310） 即母线电压 bU 是 1IU 和 2IU 的平均值，也代表了模块 l、模块 2 输出电流的平均值。 IU 与 bU 之差代表均流误差，通过调整放大器输出一个调整用的电压 cU。 （ c U 可能大于、也可能小于 IU ）。 当 bIUU 时，电阻 R 上的电压为零， 0cU ，表明这时己实现了均流。 当 R 上有电压出现，说明模块问电流分配不均匀， bIUU ，这时基准电压将按下式修正： 39。 r I cU U U （ 311） 相当于通过调整放大器改变 39。 rU ，以达到均流的目的。 这就是按平均电流法实现自动均流的原理。 按平均电流均分负载电流的方法可以精确的实现负载均流，但它同时存在缺陷。 例如当均流母线发生短路或者在均流母线上的任何一个模块出现故障时，将会使均流母线电压降低，从而使得各模块的输出电压降低，甚至达到其下限值，引起整个系统发生故障 [16] [17] [18]。 主从设置均流法 这一方法适用于有电流型控制的并联开关电源系统中，开关电源模块中有电压控3 高频开关电源并联特性及均流一般原理 11 制和电流控制，形成双闭环系统。 电流环是内环，电压环是外环。 主从设置均流法是在并联的 n 个变换器模块中，人为指定其中一个为“主模块”，而其余各模块跟从主模块分配电流，称为从模块。 图 34 给出 n 个 DC/DC 变换器模块并联的主从控制原理示意图。 +U e电 流 放 大U rU I 1P W M1主 模 块+U eU I kP W Mk从 模 块U cU c+U eU I nP W Mn从 模 块U c......U f 图 34 主从设置法均流控制原理图 图中每个模块都是双环控制系统。 设模块 1 为主模块，按电压控制规律工作，其余 的 n1 个模块按电流型控制方式工作。 rU 为主模块的基准电压， fU 为输出电压反馈信号。 经过电压误差放大器，得到误差电压 eU ，它是主模块的电流基准，与 1IU （反映主模块电流 1I 的大小）比较后，产生控制电压 cU ，控制脉宽调制器和驱动 器工作。 于是主模块电流将按电流基准 eU 调制，即模块电流近似与 eU 成正比。 各个从模块的电压误差放大器接成跟随器的形式，主模块的电压误差 eU 输入各跟随器，于是跟随器输出均为 eU ，它即是从模块的电流基准，因此各个从模块的电流都按同一 eU 值调制，与主模块电流基本一致，从而实现了 均流。 主从控制法均流的精度很高，但存在的最大缺点是一旦主控电源出现故障，整个系统将完全失控。 此外，由于系统在统一的误差电压控制下，任何非负载电流引起的误差电压的变化，都会导致各并联电源电流的再分配，从而影响均流的实际精度。 通常希望主控电源电压取样反馈回路的带宽不宜太宽，主从电源 间 的连接应尽量短 [16] [17] [18]。 最大电流自动均流法（民主均流法） 最大电流自动均流法也叫自主均流，图 35 描述了最大电流自动均流法的简要原理。 这种方法和平均电流法相似，只是将后者和均流线相连的电阻换成了二极管（令 a咸宁学院学士学位论文 12 点接二极管阳极， b 点接阴极）。 如图 35，均流母线上的电压 bU 反映的是并联各模块的 IU 中的最大值。 由于二极管的单向性，只有对电流最大的模块，二极管才导通， a 点方能通过它与均流母线相连。 设正常情况下，各模块分配的电流是均衡的。 如果某个模块电流突然增大，成为 n 个模块中电流最大的一个，于是 IU 上升，该模块自动成为主模块，其它各模块为从模块。 这时 maxbIUU ，而各模块的 IU 与 bU （即 maxIU ）比较，通过调整放大器调整基准电压，自动实现均流。 ++功 率 级负 载 均 流电 流放 大电 压 放 大a b均流母线U b均 流 控 制 器U cU r++U fU r ’U IU e 图 35 最大电流法自动均流控制原理图 最大电流自动均流法与主从设置均流法相比较，不同的是最大电流法实现负载均流时，其主电源模块是随时变换的。 最大电流法能随时根据系统中承担电流最大的模块，不断调整各 并联模块分担的负载电流，实现系统总电流在各电源模块中的精确分配。 因而这种控制方法能够对故障模块自动隔离，便于实现系统冗余和热插拔，提高系统的可靠性 [16] [17] [18]。 各种均流方法的比较 1．主从设置法均流利用双环控制，提高了均流效果，主要缺点是： (1)主从模块间必须有通讯联系，使系统复杂。 (2)如果主模块失效，则整个电源系统不能工作，因此这个方法不适用于冗余并联系统。 (3)电压环的带宽大，容易受外界干扰。 2．平均电流法可以精确地实现均流， 但 均流母线短路，或接在母线上的任一 模块不能工作时，母 线电压下降， 促使各模块电压下调，甚至到达其下限，结果造成故障。 3．输出阻抗法不需要在并联模块电源间建立联系，是最简单的实现并联均流的方法。 但它的缺点也很明显：首先它是通过改。