《电子技术应用》

DC/DC开关电源模块并联供电系统均流控制研究

来源:电子技术应用2012年第9期
易映萍1, 杨 坚1, 姚为正2
((1. 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 200093; 2. 许继集团有限公司,河南 )
摘要: 介绍了由两个DC/DC开关电源模块并联构成的供电系统电路结构和工作原理。该系统采用ARM芯片STM32为主控芯片产生驱动功率开关器件MOSFET的PWM脉冲[1],对供电系统的输出电压和各个模块的输出电流均实现了全数字闭环PI控制。系统输出电压稳定,能实现两个模块电流的比例分配,同时具有输出负载短路及延时恢复功能。仿真和实验结果验证了控制技术的正确性和可行性。

Abstract:

摘   要: 介绍了由两个DC/DC开关电源模块并联构成的供电系统电路结构和工作原理。该系统采用ARM芯片STM32为主控芯片产生驱动功率开关器件MOSFET的PWM脉冲[1],对供电系统的输出电压和各个模块的输出电流均实现了全数字闭环PI控制。系统输出电压稳定,能实现两个模块电流的比例分配,同时具有输出负载短路及延时恢复功能。仿真和实验结果验证了控制技术的正确性和可行性。
关键词: DC/DC模块;并联;均流;STM32; 开关电源

    大功率电源系统需要用单个大功率电源或者多个开关电源并联来提供,但是单个的大功率电源在设计和制造中存在很大的困难,成本也较高,同时可靠性和稳定性也难以保障。多个开关电源的并联系统能够很好地克服这些缺点,并具备单个电源所不具备的优点:大容量、高效率、高可靠性、冗余特性、模块化和成本低[1]。并联系统中,每个变换器只处理较小功率,不但降低了应力,还可以应用冗余技术,提高系统可靠性。采用冗余技术,还可以实现热更换,即在保证系统不间断供电情况下,更换系统的实效模块。由于以上原因,以及大功率负载需求和分布式电源系统的发展要求,开关电源并联技术的重要性日益增加。但是并联开关变换器模块间输出特性存在差异,致使各个模块之间的输出电流不一致,这样会导致某些模块的电流应力过大,增加了损坏的机率,而且还会由于某个模块达到最大电流限制造成整个并联系统不能正常工作。因此均流技术必然是并联系统的关键技术,具有重要的研究价值[2]。
1 两个DC/DC开关电源模块并联的供电系统
    采用两个DC/DC开关电源模块并联的供电系统的主电路拓扑结构如图1所示。系统由主电路、控制电路、驱动电路、保护电路等组成。输入直流电压经滤波,通过DC/DC并联Buck结构降压均流[3],经STM32芯片采样、控制和调节,输出稳定的直流电压[4]。控制和调节完全由芯片程序和算法实现,节省了硬件资源,同时通过算法使系统能随时调节电路以达到理想状态,避免了单纯采用硬件控制时不可调节的缺点,使系统更加稳定和灵活。同时系统带有过流保护电路,采样电流或电压大于设定值时,系统会自动断开电源,起到保护作用,保障系统安全。

2 模块并联均流控制的技术策略
    在模块化电源系统中,各电源模块并联运行,为保证各模块间电应力和热应力的均匀合理分配,以实现电源系统中各模块承受的电流的自动平衡均流,以及当输入电压或负载电流发生变化时,保持各模块输出电压稳定,同时具有较好的瞬态均流特性,需引入有效的并联均流技术。均流控制是DC/DC模块并联中十分重要的部分,通过均流保障每个模块的电流相同,从而防止某个模块过流,导致器件损坏。稳压控制以输出电压作为反馈信号构成单闭环型控制系统[5]。在稳压的基础上通过电流环进行反馈矫正均流相应电流值,从而实现了均流和稳压,采用电压外环和电流内环的双环控制系统的框图如图2所示。

3 仿真研究
3.1 仿真模型搭建

    根据DC/DC模块并联开关电源系统结构及工作原理搭建系统仿真模型,如图3所示。其输入电压为24 V,电感L为1.5 mH,滤波电容C为4 700 μF,开关频率为20 kHz,输出电压基准值为8 V,输出负载电阻为8 Ω。
3.2 仿真结果
    仿真结果如图4所示,输出电压稳定在8 V左右,两支路输出电流基本保持在0.5 A,符合设计要求,达到了稳压均流的效果。

 

 

4 实验研究
    为了验证前述控制方法及仿真原理的正确性,设计并制作了一个由两个额定输出功率均为16 W的8 V DC/DC 模块构成的并联供电系统。在该实验平台上利用本文所述控制方法对该样机进行了相关实验研究,调整负载电阻,通过示波器测量显示输出的电压值和两路电流值。由图5可看出两路电流值分别为0.485 A和0.520 A,基本实现了均流效果。输出电压在8.55 V保持稳定,满足了稳压条件。
    本文通过介绍采用数字PI外环电压内环电流调节的双环控制方法实现系统的稳压均流,设计并制作了并联供电系统,完成了相关软件设计及调试,并给出了相关实验波形。实验结果验证了本文所述电路参数的正确性及控制策略的可行性,对设计和制作开关电源模块并联的供电系统的均流技术的研究具有一定的参考价值。
参考文献
[1] 符赞宣,瞿文龙,张旭.平均电流模式DC/DC变换器均流控制方法[J].清华大学学报,2003,43(3):337-340.
[2] 高承博,赵龙章.一种新型开关电源的并联均流技术的实现方法[J]. 通信电
源技术,2009,26(6):35-37,47.
[3] 王兆安.电力电子技术第5版[M]. 北京:机械工业出版社,2009.
[4] 刘军. 例说STM32[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011.
[5] 张占松.开关电源原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2002.

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