《电子技术应用》

开关电源并联运行及其均流技术

韦聪颖 张波
摘要: 大功率输出和分布式电源是电源技术发展的方向,这使得电源的并联均流技术成为一个研究热点。为此,本文系统地分析和总结了目前电源并联均流技术原理、主要均流方法。

Abstract:

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、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 


图2(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-=Kv×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阻的下垂法。缺点为串联电阻会消耗额外电能。较为经济的办法是串联热敏电阻,其阻值随在电阻上消耗的热能变化而改变,同样达到近似均流。

  而且,电流不连续模式下的Buck、Boost、Buck-Boost变换器和串联谐振变换器本身就固有一定的外特性下垂率,这类变换器可以直接并联运行,实现自然均流。

  下垂法的特点可归纳如下:模块之间无互连通讯线;实为开环控制,小电流时均流效果差,随着负载增加均流效果有所改善;对稳压源而言,希望外特性斜率越小越好,而下垂法则以降低电压调整率为代价来获取均流,该法可以应用在均流精度大于或等于10%的场合;对于不同额定功率的并联模块,难以实现均流。

  3.2有源均流法

  有源均流法是均流方法中的一大类别,其特征是采用互连通讯线连接所有的并联模块,用于提供共同的电流参考信号。一般并联变换器采用电流型控制,即电流内环和电压外环双环控制,以下把功率级和电流内环作为变换器的基本单元。在基本单元外设计控制结构和母线连接方式,形成各类有源均流法,如主从法、平均电流法、最大电流法等。

  控制结构指均流环与电压环如何配置,图4为有源均流法的三种控制结构:电压环环外调整、环内调整和双环调整。环外调整中均流环从电压环外部叠加(图 4a),均流母线带宽低,对噪音不敏感,但由于受到低带宽电压环限制,均流控制反应比较缓慢;环内调整中均流环从电压环内叠加(图4b),均流环可以很好的和电流环结合起来,整个结构简单,均流信号从环内注入,其带宽不受电压环的限制,反应速度快,均流母线的电压从电压调整放大器获得,但容易引起噪声;双环调整中均流环和电压环并行一起作用于基本单元(图4c)。

 


图4 三种控制结构

  均流母线连接方式指如何从所有的模块中获取公共电流参考信号,表明了模块间的主从关系。图5显示了三种均流母线的连接:自主配置、平均配置和指定配置。自主配置(图5a)中,各个模块和母线之间通过二极管连接,只有具备最大电流的模块对应的二极管才能导通,均流母线上代表的是最大电流信号;平均配置(图5b)中,各个模块和母线之间通过参数完全一致的电阻连接,均流母线上代表的是平均电流;指定配置(图5c)中,只有人为指定的模块直接连接均流母线,成为主模块。

 


图5 三种均流母线连接方式

  3.2.1 最大电流法(民主均流法、自动均流法)

  图6所示为最大电流法控制框图,对比图4、图5可见最大电流均流技术由环外调整和母线自主配置相结合而成,不改变模块基本单元的内部结构,只需在电压环外面叠加一个均流环,各模块间接一条均流母线CSB。

 


图6 最大电流法

  因为二极管单向性,只有电流最大的模块才能与均流母线相连,该模块即为主模块。其余为从模块,比较各自电流反馈与均流母线之间电压的差异,通过误差放大器输出来补偿基准电压达到均流。

  特点是:(1)这种均流方法一次只有一个单元参与调节工作,主模块永远存在且是随机的,为实现冗余最常用的方法;(2)二极管总存在正向压降,因此主模块的均流会有误差;(3)均流是一个从模块电流上升并超过主模块电流的过程,系统中主、从模块的身份不断交替,各模块输出电流存在低频振荡。

  Unitrode IC公司开发的均流控制芯片UC3902、UC3907正是基于最大电流自动均流的思想,简化了并联电源系统的设计与调试,得到广泛应用。文献[2]指出,UC3902在满载时均流误差达到2%,在20%负载时误差约15%。

  3.2.2 平均电流法

  环外调整结构和母线平均配置相结合形成平均电流均流法。即将图6中的二极管用一个电阻R代替。如果所有电阻R参数完全一致,均流母线的电压反映了所有模块电流的平均值。当Ua=Ucsb时表明已经达到均流,如果电流分配不均,电阻R上出现电压,该电压通过误差放大器输出一个误差电压,从而修正基准电压,以达到均流目的。

  平均电流法是一项专利技术,可以实现精确的均流。缺点是当均流母线短路或某个模块不工作时母线电压下降,将促使每个模块电压下调,甚至达到下限,造成故障。解决办法是自动地把故障模块从均流母线上切除。

  3.2.3 主从均流法

  在并联电源系统中,人为的指定一个模块为主模块,直接连接到均流母线,其余的为从模块,从母线上获取均流信号。图7为采用电压环内调整结构的主从均流法。主模块工作于电压源方式,从模块的误差电压放大器接成跟随器的形式,工作于电流源方式。因为系统在统一的误差电压下调整,模块的输出电流与误差电压成正比,所以不管负载电流如何变化,各模块的电流总是相等。

 


图7 主从均流法

  采用这种均流法,精度很高,控制结构简单,模块间联线复杂。缺点是一旦主模块出现故障,整个系统将完全瘫痪,宽带电压回路容易产生噪声干扰。使用中主、从模块间的联线应尽量短。

  3.2.4 其他均流方法

  基于三种控制结构和三种母线连接方式,可以设计出其他均流方法。图8为双环调整和平均配置相结合的均流方法文献。这种控制方式降低了电压环和均流环相互之间的影响,设计灵活,是权衡环外调整和环内调整优缺点的折中方案。此外,热应力自动均流法是按照每个模块的温度来实现均流,使温度高的模块减小输出电流,温度低的模块增加电流。外部控制器法是外加一个均流控制器,比较各模块的电流信号,并据此补偿相应的反馈信号以均衡电流。该法需要附加控制器且联线较多[1]。

 


图 8 双环并行调整的均流方法

4 总结

  由于大功率负载的需要和模块化电源系统的发展,为了实现完全稳定可靠的冗余电源系统,模块化电源的并联技术则显得尤为重要。而每个模块的外特性不一致,分担的负载电流也不均衡,承受电流多的模块可靠性大为降低。因此,并联运行系统必须引入有效的负载分配控制策略,保证各模块间电应力和热应力的均匀分配。这是实现高性能模块化大功率电源系统的关键。

  本文介绍均流技术的一般原理,全面详细地讨论了各种均流技术及其优缺点。在不断提高均流精度和动态响应速度的同时,均流控制技术将朝着增加并机数目及不同容量模块并联的方向发展。随着控制系统的逐步数字化和微处理器的发展,应用如单片机或DSP完成电源系统的检测、运算和控制,可以更好地采用复杂的控制策略,实现均流冗余、故障检测、热拔插维修和模块的智能管理。

参考文献

  1 蔡宣三. 开关电源的均流技术. 十一届电源年会论文集;250-253

  2 Mark Jordan, “UC3907 load share IC simplifies parallel power supply design”, Unitronde application note U-129,1993-1994

  3 张占松. 开关电源的原理与设计 电子工业出版社 2001

   4 Brian T. Irving and Milan M. Jovanovic, “Analysis, design, and performance evaluation of droop current-sharing method” APEC’2000, vol.1 pp. 235 -241

   5 Chang-Shiarn Lin and Chern-Lin Chen,"Single-wire current-share parallelling of current-mode-controlled DC power supply" Trans.Industrial Electronics,Vol.47,No.4 pp.780-786.August 2000.

继续阅读>>