摘 要：大功率輸出和分布式電源是電源技術(shù)發(fā)展的方向，這使得電源的并聯(lián)均流技術(shù)成為一個研究熱點。為此，本文系統(tǒng)地分析和總結(jié)了目前電源并聯(lián)均流技術(shù)原理、主要均流方法。 關(guān)鍵詞：并聯(lián) 均流控制 外特性 模塊 Abstract：Paralleled converters operation and current sharing technologies have been one of research hotspots in power supply for the development tendency of improving capability and implementing distributed modules. Therefore, this paper detailed analyzes and concludes the parallel principle and the existed current-sharing technologies. Keyword：parallel current sharing control output droop characteristic module 1 引言 　　大量電子設備，特別是計算機、通訊、空間站等的廣泛應用，要求組建一個大容量、安全可靠、不間斷供電的電源系統(tǒng)。如果采用單臺電源供電、該變換器勢必處理巨大的功率、電應力大，給功率器件的選擇、開關(guān)頻率和功率密度的提高帶來困難。并且一旦單臺電源發(fā)生故障，則導致整個系統(tǒng)崩潰。采用多個電源模塊并聯(lián)運行，來提供大功率輸出是電源技術(shù)發(fā)展的一個方向。并聯(lián)系統(tǒng)中每個模塊處理較小功率，解決了上述單臺電源遇到的問題。 　　八十年代起，分布式電源供電方式成為電力電子學新的研究熱點。相對于傳統(tǒng)的集中式供電，分布式電源利用多個中、小功率的電源模塊并聯(lián)來組建積木式的大功率電源系統(tǒng)。在空間上各模塊接近負載，供電質(zhì)量高，通過改變并聯(lián)模塊的數(shù)量來滿足不同功率的負載，設計靈活，每個模塊承受較小電應力，開關(guān)頻率可以達到兆赫級，從而提高了系統(tǒng)的功率密度。 　　大功率輸出和分布式電源，使電源模塊并聯(lián)技術(shù)得以迅速發(fā)展。然而一般情況下不允許模塊輸出間直接進行并聯(lián)，必須采用均流技術(shù)以確保每個模塊分擔相等的負載電流，否則，并聯(lián)的模塊有的輕載運行，有的重載甚至過載運行，輸出電壓低的模塊不但不為負載供電，反而成了輸出電壓高的模塊的負載，熱應力分配不均，極易損壞。 　　對于多個模塊并聯(lián)運行電源系統(tǒng)的基本要求是[2]：一是輸入電壓或者負載發(fā)生變化時，保持輸出電壓穩(wěn)定;二是控制各模塊的輸出電流，實現(xiàn)負載電流平均分配，均流動態(tài)響應良好。為提高系統(tǒng)可靠性，并聯(lián)系統(tǒng)應該具備以下特性：實現(xiàn)冗余。當任意模塊發(fā)生故障時，其余模塊繼續(xù)提供足夠電能，整個電源系統(tǒng)不會崩潰;實現(xiàn)熱拔插，電源系統(tǒng)真正意義上的不間斷供電;均流方案無需外加均流控制單元;使用一條公共的低帶寬均流總線來連接各模塊單元。 2 并聯(lián)特性及均流一般原理 　　圖1為兩個模塊并聯(lián)工作時的等效電路及其外特性曲線。如果兩個模塊的參數(shù)完全相同，即V1max=V2max，R1=R2，兩條外特性曲線重合，負載電流均勻分配。如果其中一個模塊的電壓參考值較高，輸出電阻較小（外特性斜率?。鐖D1中的模塊1，則該模塊將承受大部分負載電流，負載增大，模塊1將運行于滿載或超載限流狀態(tài)，影響了系統(tǒng)可靠性。 [align=center] （a）并聯(lián)等效電路 （b）輸出外特性 圖1兩個模塊并聯(lián)均流原理圖[/align] 　　可見，并聯(lián)電源系統(tǒng)中各模塊按照外特性曲線分配負載電流，外特性的差異是電流難以均分的根源。均流性能的優(yōu)劣用均流精度來衡量。均流精度定義為： 　　CSerror=ΔIomax / （Io/N） 　　式中N為并聯(lián)模塊數(shù)，Io為負載電流，ΔIomax為最大電流與最小電流之差。 　　正常情況下，各并聯(lián)模塊輸出電阻是個恒值，輸出電流不均衡主要是由于各模塊輸出電壓不相等引起。均流的實質(zhì)即是通過均流控制電路，調(diào)整各模塊的輸出電壓，從而調(diào)整輸出電流，以達到電流均分的目的。一般開關(guān)電源是一個電壓型控制的閉環(huán)系統(tǒng)，均流的基本思想是采樣各自輸出電流信號，并把該信號引入控制環(huán)路中，來參與調(diào)整輸出電壓。選擇不同的電流信號注入點，可以直接調(diào)節(jié)系統(tǒng)基準電壓、反饋電壓誤差、或者反饋電流誤差，形成多種均流方案，以滿足不同的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)響應。 3 均流方法 　　根據(jù)并聯(lián)電源系統(tǒng)中模塊之間有無傳遞均流信號的互連線，所有均流方法可歸成兩大類：下垂法和有源均流法，下垂法為模塊之間只有輸出端導線相連;有源均流法除了連接輸出導線外，還用均流母線把各模塊連在一起。 　　3.1下垂法[4] 　　下垂法（又叫斜率法，輸出阻抗法）是最簡單的一種均流方法。其實質(zhì)是利用本模塊電流反饋信號或者直接輸出串聯(lián)電阻，改變模塊單元的輸出電阻，使外特性的斜率趨于一致，達到均流。由圖1（b）可見，下垂法的均流精度取決于各模塊的電壓參考值、外特性曲線平均斜率及各模塊外特性的差異程度。 　　選擇不同的電流反饋信號注入點，可以修正控制環(huán)路的反饋電壓值或基準電壓。圖2（a）為采用調(diào)節(jié)基準電壓來改變電壓參考值的方式下所對應的外特性曲線圖。可見電壓參考值的差異越小，均流效果越好。圖2（b）為采用調(diào)節(jié)反饋電壓值來改變斜率的方式下所對應的外特性曲線圖。外特性斜率越陡，均流效果越好。 [align=center] 圖2 （a）調(diào)節(jié)基準電壓　 圖2（b）調(diào)節(jié)反饋電壓[/align] 　　常用的下垂法均流控制框圖如圖3所示。Vi為電流放大器輸出信號，與模塊輸出電流成比例Ki，Vf為電壓反饋信號，顯然V-=Kv×Vo+Ki×Io，當某模塊電流增加時，Vi上升，Ve下降，通過反饋使該模塊輸出電壓隨之下降，即外特性向下傾斜，接近其他模塊的外特性，從而其他模塊電流增大，實現(xiàn)近似均流。電壓誤差放大器E/A具有很大的直流增益Ko，假設Ko→∞時，Vo=Vref /Kv-IoKi /Kv=Vomax-IoKi /Kv，改變電壓環(huán)電流環(huán)的參數(shù)可以獲取期望的外特性。 [align=center] 圖3 下垂法均流控制框圖[/align] 　　此外，在模塊輸出端與負載之間串聯(lián)一定的電阻值也是一種調(diào)節(jié)輸出電阻的下垂法。缺點為串聯(lián)電阻會消耗額外電能。較為經(jīng)濟的辦法是串聯(lián)熱敏電阻，其阻值隨在電阻上消耗的熱能變化而改變，同樣達到近似均流。 　　而且，電流不連續(xù)模式下的Buck、Boost、Buck-Boost變換器和串聯(lián)諧振變換器本身就固有一定的外特性下垂率，這類變換器可以直接并聯(lián)運行，實現(xiàn)自然均流。 　　下垂法的特點可歸納如下：模塊之間無互連通訊線;實為開環(huán)控制，小電流時均流效果差，隨著負載增加均流效果有所改善;對穩(wěn)壓源而言，希望外特性斜率越小越好，而下垂法則以降低電壓調(diào)整率為代價來獲取均流，該法可以應用在均流精度大于或等于10%的場合;對于不同額定功率的并聯(lián)模塊，難以實現(xiàn)均流。 　　3.2有源均流法 　　有源均流法是均流方法中的一大類別，其特征是采用互連通訊線連接所有的并聯(lián)模塊，用于提供共同的電流參考信號。一般并聯(lián)變換器采用電流型控制，即電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)雙環(huán)控制，以下把功率級和電流內(nèi)環(huán)作為變換器的基本單元。在基本單元外設計控制結(jié)構(gòu)和母線連接方式，形成各類有源均流法，如主從法、平均電流法、最大電流法等。 　　控制結(jié)構(gòu)指均流環(huán)與電壓環(huán)如何配置，圖4為有源均流法的三種控制結(jié)構(gòu)：電壓環(huán)環(huán)外調(diào)整、環(huán)內(nèi)調(diào)整和雙環(huán)調(diào)整。環(huán)外調(diào)整中均流環(huán)從電壓環(huán)外部疊加（圖4a），均流母線帶寬低，對噪音不敏感，但由于受到低帶寬電壓環(huán)限制，均流控制反應比較緩慢;環(huán)內(nèi)調(diào)整中均流環(huán)從電壓環(huán)內(nèi)疊加（圖4b），均流環(huán)可以很好的和電流環(huán)結(jié)合起來，整個結(jié)構(gòu)簡單，均流信號從環(huán)內(nèi)注入，其帶寬不受電壓環(huán)的限制，反應速度快，均流母線的電壓從電壓調(diào)整放大器獲得，但容易引起噪聲;雙環(huán)調(diào)整中均流環(huán)和電壓環(huán)并行一起作用于基本單元（圖4c）。 [align=center] 圖4 三種控制結(jié)構(gòu)[/align] 　　均流母線連接方式指如何從所有的模塊中獲取公共電流參考信號，表明了模塊間的主從關(guān)系。圖5顯示了三種均流母線的連接：自主配置、平均配置和指定配置。自主配置（圖5a）中，各個模塊和母線之間通過二極管連接，只有具備最大電流的模塊對應的二極管才能導通，均流母線上代表的是最大電流信號;平均配置（圖5b）中，各個模塊和母線之間通過參數(shù)完全一致的電阻連接，均流母線上代表的是平均電流;指定配置（圖5c）中，只有人為指定的模塊直接連接均流母線,成為主模塊。 [align=center] 圖5　三種均流母線連接方式[/align] 　　3.2.1 最大電流法（民主均流法、自動均流法） 　　圖6所示為最大電流法控制框圖，對比圖4、圖5可見最大電流均流技術(shù)由環(huán)外調(diào)整和母線自主配置相結(jié)合而成，不改變模塊基本單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只需在電壓環(huán)外面疊加一個均流環(huán)，各模塊間接一條均流母線CSB。 [align=center] 圖6 最大電流法[/align] 　　因為二極管單向性，只有電流最大的模塊才能與均流母線相連，該模塊即為主模塊。其余為從模塊，比較各自電流反饋與均流母線之間電壓的差異，通過誤差放大器輸出來補償基準電壓達到均流。 　　特點是：（1）這種均流方法一次只有一個單元參與調(diào)節(jié)工作，主模塊永遠存在且是隨機的，為實現(xiàn)冗余最常用的方法;（2）二極管總存在正向壓降，因此主模塊的均流會有誤差;（3）均流是一個從模塊電流上升并超過主模塊電流的過程，系統(tǒng)中主、從模塊的身份不斷交替，各模塊輸出電流存在低頻振蕩。 　　Unitrode IC公司開發(fā)的均流控制芯片UC3902、UC3907正是基于最大電流自動均流的思想，簡化了并聯(lián)電源系統(tǒng)的設計與調(diào)試，得到廣泛應用。文獻[2]指出，UC3902在滿載時均流誤差達到2%，在20%負載時誤差約15%。 　　3.2.2 平均電流法 　　環(huán)外調(diào)整結(jié)構(gòu)和母線平均配置相結(jié)合形成平均電流均流法。即將圖6中的二極管用一個電阻R代替。如果所有電阻R參數(shù)完全一致，均流母線的電壓反映了所有模塊電流的平均值。當Ua=Ucsb時表明已經(jīng)達到均流，如果電流分配不均，電阻R上出現(xiàn)電壓，該電壓通過誤差放大器輸出一個誤差電壓，從而修正基準電壓，以達到均流目的。 　　平均電流法是一項專利技術(shù)，可以實現(xiàn)精確的均流。缺點是當均流母線短路或某個模塊不工作時母線電壓下降，將促使每個模塊電壓下調(diào)，甚至達到下限，造成故障。解決辦法是自動地把故障模塊從均流母線上切除。 　　3.2.3 主從均流法 　　在并聯(lián)電源系統(tǒng)中，人為的指定一個模塊為主模塊，直接連接到均流母線，其余的為從模塊，從母線上獲取均流信號。圖7為采用電壓環(huán)內(nèi)調(diào)整結(jié)構(gòu)的主從均流法。主模塊工作于電壓源方式，從模塊的誤差電壓放大器接成跟隨器的形式，工作于電流源方式。因為系統(tǒng)在統(tǒng)一的誤差電壓下調(diào)整，模塊的輸出電流與誤差電壓成正比，所以不管負載電流如何變化，各模塊的電流總是相等。 [align=center] 圖7 主從均流法[/align] 　　采用這種均流法，精度很高，控制結(jié)構(gòu)簡單，模塊間聯(lián)線復雜。缺點是一旦主模塊出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)將完全癱瘓，寬帶電壓回路容易產(chǎn)生噪聲干擾。使用中主、從模塊間的聯(lián)線應盡量短。 　　3.2.4 其他均流方法 　　基于三種控制結(jié)構(gòu)和三種母線連接方式，可以設計出其他均流方法。圖8為雙環(huán)調(diào)整和平均配置相結(jié)合的均流方法文獻。這種控制方式降低了電壓環(huán)和均流環(huán)相互之間的影響，設計靈活，是權(quán)衡環(huán)外調(diào)整和環(huán)內(nèi)調(diào)整優(yōu)缺點的折中方案。此外，熱應力自動均流法是按照每個模塊的溫度來實現(xiàn)均流，使溫度高的模塊減小輸出電流，溫度低的模塊增加電流。外部控制器法是外加一個均流控制器，比較各模塊的電流信號，并據(jù)此補償相應的反饋信號以均衡電流。該法需要附加控制器且聯(lián)線較多[1]。 [align=center] 圖 8 雙環(huán)并行調(diào)整的均流方法[/align] 4 總結(jié) 　　由于大功率負載的需要和模塊化電源系統(tǒng)的發(fā)展，為了實現(xiàn)完全穩(wěn)定可靠的冗余電源系統(tǒng)，模塊化電源的并聯(lián)技術(shù)則顯得尤為重要。而每個模塊的外特性不一致，分擔的負載電流也不均衡，承受電流多的模塊可靠性大為降低。因此，并聯(lián)運行系統(tǒng)必須引入有效的負載分配控制策略，保證各模塊間電應力和熱應力的均勻分配。這是實現(xiàn)高性能模塊化大功率電源系統(tǒng)的關(guān)鍵。 　　本文介紹均流技術(shù)的一般原理，全面詳細地討論了各種均流技術(shù)及其優(yōu)缺點。在不斷提高均流精度和動態(tài)響應速度的同時，均流控制技術(shù)將朝著增加并機數(shù)目及不同容量模塊并聯(lián)的方向發(fā)展。隨著控制系統(tǒng)的逐步數(shù)字化和微處理器的發(fā)展，應用如單片機或DSP完成電源系統(tǒng)的檢測、運算和控制，可以更好地采用復雜的控制策略，實現(xiàn)均流冗余、故障檢測、熱拔插維修和模塊的智能管理。 參考文獻 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