摘要：本文重點(diǎn)研究多個(gè)高頻開關(guān)電源模塊的并聯(lián)運(yùn)行需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題，就是負(fù)載電流的均分問題。即如果在并聯(lián)系統(tǒng)中沒有進(jìn)行均流電路的硬件設(shè)計(jì)或軟件設(shè)計(jì)，則可能出現(xiàn)其中某個(gè)或某些電源模塊承擔(dān)比較大的負(fù)載電流，運(yùn)行在限狀態(tài)，而有些模塊處于輕載運(yùn)行，這將導(dǎo)致分擔(dān)電流多的模塊熱應(yīng)力大，致使系統(tǒng)的可靠性降低。詳細(xì)討論了均流的幾種控制方法，介紹了電流自動(dòng)均流的均流控制電路仿真結(jié)果。

1 概述 信息請登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng)

　　在電力系統(tǒng)中的直流系統(tǒng)，由于普遍采用高頻開關(guān)電源模塊，而對于高頻模塊的冗余備份就提出了一個(gè)關(guān)鍵的問題，那就是模塊之間電流平均分配。針對多個(gè)高頻模塊的并聯(lián)系統(tǒng)，提出基本要求是：    

　　(1)系統(tǒng)中的模塊電源的外特性要一致，均流誤差通常規(guī)定為不超過5%; 信息來自:輸配電設(shè)備網(wǎng)

　　(2)采用冗余供電系統(tǒng)以保證任一電源模塊損壞或者過流保護(hù)停止工作時(shí)，負(fù)載可以從備用模塊中獲得足夠的電量; 信息來自:www.tede.cn

　　(3)各個(gè)模塊承受的電流自動(dòng)均流，為了提高系統(tǒng)的可靠性，盡可能不增加外部均流控制措施，減少均流失敗因素;   

　　(4)當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化的時(shí)候，應(yīng)能夠保持輸出電壓的穩(wěn)定，并使得系統(tǒng)具有良好的負(fù)載響應(yīng)特性，在負(fù)載突變的時(shí)候，不造成電流嚴(yán)重分配不均而停機(jī)。

　　2 均流的基本原理    

　　與線性電源相同，開關(guān)電源也具有如圖1所示的外特性(輸出特性)U0=f(I0)。R為開關(guān)電源的輸出電阻，其中也包括開關(guān)電源模塊連接到負(fù)載的導(dǎo)線或電纜的電阻。空載時(shí)，模塊輸出電壓為U0MAX，當(dāng)電流變化△I時(shí)，負(fù)載電壓變化△U，該模塊的輸出電阻為：R=△U/△I。

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　　對電源模塊來說，當(dāng)電流增加了△I時(shí)，其輸出電壓降落了△U。因此上式也代表了開關(guān)電源的輸出電壓調(diào)整率。由圖1(a)可知，開關(guān)電源的負(fù)載電壓Vo與負(fù)載電流Io的關(guān)系可用下式表達(dá)： 信息來源:http://tede.cn

　　U0= U0max-RI0 (1)

　如圖1(b)所示，兩臺容量相同、參數(shù)相同的開關(guān)變換器并聯(lián)，負(fù)載電壓分別表示如有下 信息來源:http://www.tede.cn

　　式中R1, R2分別為模塊1及模塊2的輸出電阻(包括電纜電阻)。設(shè)RLd為負(fù)載電阻，可解得： 信息來源:http://www.tede.cn

　　由圖1(b)可見，當(dāng)負(fù)載電流為    

時(shí)，負(fù)載電壓為Uo，按兩個(gè)模塊的外特性(電壓調(diào)整率)分配負(fù)載電流ILd，斜率不相等，電流分配也不相等。當(dāng)負(fù)載電流增大到

時(shí)，負(fù)載電壓為

。顯見，模塊1外特性斜率小(即輸出電阻小)，分配電流的增長量比外特性斜率大的模塊2增長量大。如果能設(shè)法將模塊1的外特性斜率(即輸出電阻)調(diào)整得接近模塊2，則可使這兩個(gè)模塊的電流分配接近均勻。使模塊1和模塊2外特性相近的方法如下：

　　(1)盡量使用性能和參數(shù)一致的器件，并使結(jié)構(gòu)和安裝盡量對稱;

　　(2)利用反饋控制的方式，調(diào)整各個(gè)模塊的外特性，使它們接近一致。后者就是均流技術(shù)的基礎(chǔ)。
　　3 均流原理分析與研究   

　　實(shí)現(xiàn)均流的方式多種多樣，它們的均流精度以及均流原理也是各不相同。常見的均流方法如外特性下垂法、主從法、平均電流法、電流法、熱應(yīng)力自動(dòng)均流法、外加均流控制器法等。 信息來自:www.tede.cn

　　3.1 外特性下垂法

　　外特性下垂法又稱電壓調(diào)整率法，均流控制原理圖見圖2。其機(jī)理是調(diào)節(jié)變換器的外特性斜率(輸出電阻)，在各模塊間合理分配電流。實(shí)質(zhì)是利用開關(guān)電源輸出電阻的開環(huán)技術(shù)來獲取電流輸出平衡。這種均流的缺點(diǎn)很明顯，本質(zhì)上是一種開環(huán)控制，在小電流時(shí)電流分配特性差，重載時(shí)分配特性好一些，但仍不均衡。而且為了實(shí)現(xiàn)均流，各模塊需要個(gè)別調(diào)整，對于不同額定功率的模塊難以實(shí)現(xiàn)均流。

　　圖2 外特性下垂法均流控制原理圖

　　由于外特性下垂法的系統(tǒng)電壓調(diào)整率差，因此這一方法不可能用在電壓調(diào)整率很高(例如小于3%)的電源系統(tǒng)中。   

　　3.2 平均電流自動(dòng)均流法 信息來自:輸配電設(shè)備網(wǎng)

　　平均電流自動(dòng)均流不需要外部控制器，用單一總線連接電源模塊。此種均流方法是建立在一個(gè)數(shù)學(xué)模擬電路(平均值電路)的基礎(chǔ)上，其原理如圖3所示。由于模塊的輸出電流隨著輸出電壓變化，從而實(shí)現(xiàn)模塊間負(fù)載電流的均分。

　　(a) 單臺 (b) 兩臺并聯(lián)

　　圖3 平均電流自動(dòng)均流控制原理圖 信息來源:http://www.tede.cn

　　按平均電流均分負(fù)載電流的方法可以精確的實(shí)現(xiàn)負(fù)載均流，但它同時(shí)存在缺陷。例如當(dāng)均流母線發(fā)生短路或者在均流母線上的任何一個(gè)模塊出現(xiàn)故障時(shí)，將會使均流母線電壓降低，從而使得各模塊的輸出電壓降低，甚至達(dá)到其下限值，引起整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障。   

　　3.3 主從設(shè)置均流法

　　主從設(shè)置法適用于有電流型控制的并聯(lián)開關(guān)電源系統(tǒng)中。在采用電流型脈寬調(diào)制的集成控制器件的開關(guān)電源中，電源的輸出電流基本上決定于控制芯片內(nèi)誤差放大器的輸出電壓Ve。當(dāng)并聯(lián)的開關(guān)電源模塊控制芯片相同時(shí)，可以按圖4實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)均流。人為指定其中一個(gè)模塊為主模，其余的模塊為從模塊。主電源模塊監(jiān)控輸出電流，并確定誤差電壓。各個(gè)從模塊的電壓誤差放大器接成跟隨器的形式，主模塊的誤差電壓Ve輸入跟隨器，于是跟隨器的輸出均為Ve，它即是從模塊的電流基準(zhǔn)，各個(gè)從模塊的電流都按同一Ve調(diào)節(jié)，與主模塊電流基本一致，無論負(fù)載電流如何變化，均能實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流的均分。

　　圖4 主從設(shè)置法均流控制原理圖

　　這種均流方法的精度比較高，但它的缺陷是，一旦系統(tǒng)所選定的主模塊失靈，則整個(gè)系統(tǒng)就癱瘓了,因此這個(gè)方法不適用于冗余并聯(lián)系統(tǒng)。由于系統(tǒng)在同一個(gè)誤差電壓控制下，任何的非負(fù)載電流變化引起的誤差電壓變化，均能引起電流的重新分配，從而影響均流的實(shí)際精度，而且電壓環(huán)的帶寬大，容易受到外界噪聲干擾。    

　　3.4 電流自動(dòng)均流法

　　電流自動(dòng)均流法也叫均流，圖5描述了電流自動(dòng)均流法的簡要原理。這種方法和平均電流法相似，只是將后者和均流線相連的電阻換成了二管，由于二管的單向?qū)щ娦?，只有輸出電流模塊的電流信號能使二管導(dǎo)通，與均流母線相通，這使得均流母線上的電壓反映的是各模塊中輸出電流模塊的電流信號，從而實(shí)現(xiàn)了主模塊的自動(dòng)選擇。 信息來源:http://www.tede.cn

　　電流自動(dòng)均流法與主從設(shè)置均流法相比較，不同的是電流法實(shí)現(xiàn)負(fù)載均流時(shí)，其主電源模塊是隨時(shí)變換的。電流法能隨時(shí)根據(jù)系統(tǒng)中承擔(dān)電流的模塊，不斷調(diào)整各并聯(lián)模塊分擔(dān)的負(fù)載電流，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總電流在各電源模塊中的精確分配。因而這種控制方法能夠?qū)收夏K自動(dòng)隔離，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冗余和熱插拔，提高系統(tǒng)的可靠性。

　　圖5 電流法自動(dòng)均流控制原理圖   

　　基于以上的分析，外特性下垂法的均流精度比較低，主從設(shè)置法和平均電流法無法實(shí)現(xiàn)冗余技術(shù)，因而并聯(lián)電源系統(tǒng)的可靠性得不到保證，外加控制器法使得系統(tǒng)變得相當(dāng)?shù)膹?fù)雜。對于電力高頻電源，要求它的均流精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可以實(shí)現(xiàn)冗余技術(shù)等，故使用的電流自動(dòng)均流法非常合適。

　　4 均流仿真與分析 信息請登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng)

　　為了驗(yàn)證電流自動(dòng)均流法的均流效果，本節(jié)利用psim軟件建立仿真電路對其行進(jìn)仿真分析。仿真時(shí)特建立了輸出特性不一致的兩個(gè)模塊進(jìn)行并聯(lián)均流分析。對比加入均流控制前后，兩模塊的輸出電流，檢驗(yàn)其均流效果。無均流控制時(shí)，兩模塊并聯(lián)運(yùn)行的輸出電路波形如圖6所示。加入均流控制時(shí)，兩模塊并聯(lián)運(yùn)行的輸出電流波形如圖7所示。

　　圖6 無均流控制時(shí)，兩模塊并聯(lián)輸出電流波形

　　圖7 均流控制時(shí)，兩模塊并聯(lián)運(yùn)行的輸出電流波形   

　　5 結(jié)論

　　本文介紹了幾種常用的負(fù)載均流方法及電路分析。通過比較幾種均流方法，總結(jié)出電流自動(dòng)均流法是高頻模塊并機(jī)使用的方案。并對電流自動(dòng)均流的均流控制電路進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，必將推動(dòng)高頻開關(guān)電源均流朝著更的方向發(fā)展。