摘    要： 本文主要對(duì)高頻電力操作電源的均流控制原理進(jìn)行了介紹，同時(shí)給出了幾種均流控制方案，并介紹了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，最后本文采用UC3902來實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的均流控制。

關(guān) 鍵 字：均流控制；UC3902；

Abstract：In this paper, the current sharing control principle of the high frequency electric power are introduced, some were also given the program flow control, and describes their respective advantages and disadvantages, and finally by UC3902 to realize this system are flow control.

Keywords：Current sharing control；UC3902；

      電力操作電源系統(tǒng)在現(xiàn)代動(dòng)力系統(tǒng)中占有重要的地位，主要用于發(fā)電廠、變電站中，作為直流機(jī)構(gòu)、繼電保護(hù)、信號(hào)、自動(dòng)控制、事故照明、儀器儀表以及應(yīng)急事故負(fù)荷等的重要電源。其性能和質(zhì)量直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全運(yùn)行和設(shè)備的安全。

      本文通過對(duì)常用的均流方法的分析以及兩種自動(dòng)選主的均流方法的小信號(hào)模型的建模分析，選擇了自動(dòng)選主的主從均流方法。采用該均流方法可實(shí)現(xiàn)模塊電源間的均流，提高均流環(huán)的響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)模塊電源并聯(lián)系統(tǒng)的冗余。使用均流集成控制芯片UC3902實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均流，并設(shè)計(jì)了基于自動(dòng)選主的主從均流的控制電路，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的均流控制。

      為了能使各電源均分負(fù)載電流，首先需要深入分析電源電流分配不均的機(jī)理，然后采取相應(yīng)的對(duì)策。多個(gè)電源并聯(lián)后的情況如圖1所示。所有電源輸出連接在一起，因此它們的輸出電壓都是相同的，但每個(gè)電源的給定量、反饋比例系數(shù)略有差異，再考慮到運(yùn)放的失調(diào)電壓也各不相同，因此各電源誤差信號(hào)也各不相同(下角標(biāo)k均表示第k個(gè)電源)。各電源的電壓調(diào)節(jié)器通常都采用比例-積分(PI)調(diào)節(jié)器。

當(dāng)各電源的輸出剛并聯(lián)到一起時(shí)，有的電源誤差信號(hào)為正，電壓調(diào)節(jié)器正向積分，開路電壓提高，輸出電流增加；有的電源為負(fù)，電壓調(diào)節(jié)器反向積分，開路電壓降低，輸出電流變小。

當(dāng)負(fù)載電流小于單臺(tái)電源的最大限流值時(shí)，最終進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的情況是，有一臺(tái)電源的為零，調(diào)節(jié)器正常工作，而其它電源的為負(fù)值，調(diào)節(jié)器處于下限飽和狀態(tài)。全部的負(fù)載電流都由為零的點(diǎn)源承擔(dān)，其它電源輸出電流為零。

圖1并聯(lián)后的電源系統(tǒng)

       當(dāng)負(fù)載電流較大，超過了單臺(tái)電源的最大限流值，情況就稍微復(fù)雜一些。有些電源的為正，有些電源 為負(fù)，最多有一個(gè)電源為零。 為正的電源輸出電流為最大限流值， 為負(fù)的電源輸出電流為零， 為零的電源輸出電流介于零和限流值之間。所有的電源的輸出電流和等于負(fù)載電流。

根據(jù)以上的分析，電源并聯(lián)后輸出電流不相等的原因是，在輸出電壓相同的條件下，電壓調(diào)節(jié)器誤差信號(hào)不同，這反映了電路參數(shù)的分散性。為了能夠補(bǔ)償這種分散性，使各電源的輸出電流相等，并且都等于零，必須采取控制措施。因此，并聯(lián)運(yùn)行均流控制的基本原理就是通過檢測(cè)模塊的輸出電流，判斷它的不均流程度，用這個(gè)信號(hào)去改變直流輸出電壓的給定或者反饋的量，使電壓調(diào)節(jié)器誤差信號(hào)為零以及各模塊電源電壓調(diào)節(jié)器輸出的電流給定相同，以達(dá)到控制均流的目的。

      實(shí)現(xiàn)均流的方式多種多樣，他們的均流精度以及均流原理也是各不相同。根據(jù)控制機(jī)理可以分為兩大類，即下降特性法和動(dòng)態(tài)電流均衡法，其中動(dòng)態(tài)均流法包括結(jié)構(gòu)規(guī)劃與電流規(guī)劃兩個(gè)方面。

      下降特性法又稱為Droop(傾斜)法，電壓調(diào)整法，如下圖，其機(jī)理是調(diào)節(jié)變換器的外特性傾斜度（輸出阻抗）在各模塊間合理分配電流，實(shí)質(zhì)是利用開關(guān)電源輸出阻抗的開環(huán)技術(shù)來獲取電流輸出平衡。當(dāng)某個(gè)模塊的電流增加的很多，上升，下降，使得該模塊的輸出電壓隨著下降，即外特性下降，接近其他模塊的外特性，從而使其他模塊電流增大，實(shí)現(xiàn)近似均流，但是模塊本身的電壓調(diào)整率變差。

      這種均流的缺點(diǎn)很明顯，本質(zhì)上是一種開環(huán)控制。由于通常的變換器都設(shè)計(jì)成低輸出阻抗的電壓源，為了達(dá)到下降特性實(shí)現(xiàn)均流，弱化了負(fù)載調(diào)節(jié)能力；在重載時(shí)分配性能好一些，而且各模塊需要個(gè)別調(diào)整，對(duì)于不同額定功率的模塊難以實(shí)現(xiàn)均流。

圖2下降特性法均流控制原理圖

      動(dòng)態(tài)電流均衡法包含控制結(jié)構(gòu)和電流規(guī)劃策略兩部分?；镜目刂平Y(jié)構(gòu)有三種：內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、外環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、外部控制器結(jié)構(gòu)。

（1）在內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)中，各個(gè)模塊采用共同的參考電壓、反饋電壓和調(diào)節(jié)器。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是電流均衡穩(wěn)定、輸出電壓調(diào)節(jié)準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是降低了系統(tǒng)的模塊性和容錯(cuò)性。對(duì)于具有電流內(nèi)環(huán)的開關(guān)變換器，實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)非常方便，只需要一個(gè)變換器的電壓外環(huán)控制所有變換器的電流內(nèi)環(huán)；

（2）在外環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)中，各個(gè)變換器利用電流規(guī)劃誤差調(diào)節(jié)電壓外環(huán)的給定來達(dá)到電流均衡，它的主要特征是每個(gè)變換器模塊有獨(dú)立的輸出電壓反饋。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是具有適合工業(yè)生產(chǎn)的模塊性和標(biāo)準(zhǔn)性、系統(tǒng)易擴(kuò)展易維護(hù)、對(duì)單個(gè)模塊失效有很好的容錯(cuò)性，不足是暫態(tài)過程可能出現(xiàn)不穩(wěn)定、電壓反饋增益受限；

（3）外部控制器結(jié)構(gòu)則采用一個(gè)外部控制器控制所有的變換器來實(shí)現(xiàn)電流均衡，由它比較各模塊的負(fù)載電流信號(hào)并調(diào)整各模塊的反饋信號(hào)來均衡電流。這種系統(tǒng)能夠獲得很好的性能，但需要一個(gè)外部控制器和各個(gè)控制器和電源之間的互連。但是由一個(gè)控制器控制所有的模塊，系統(tǒng)的可靠性就會(huì)降低，大量的相互連線也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不安全。但是隨著現(xiàn)代的分布式電源系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，這種技術(shù)顯示了很多優(yōu)勢(shì)，使用也越來越多。它采用集中控制，有利于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)脈沖交錯(cuò)以降低電磁干擾、易實(shí)現(xiàn)錯(cuò)監(jiān)測(cè)、易于利用已存在的監(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)到很好的電流均衡和輸出電壓調(diào)節(jié)性能。

      從電流的規(guī)劃上可得到很多的均流方法。電流規(guī)劃策略是動(dòng)態(tài)電流均衡策略的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它的作用是協(xié)調(diào)各個(gè)并聯(lián)變換器的電壓調(diào)節(jié)器，獲得每個(gè)模塊的電流均衡誤差并通過誤差放大器反饋給電壓調(diào)節(jié)器，目前此常用的主要有兩類：平均電流規(guī)劃策略和主從電流規(guī)劃策略。

1)        平均電流規(guī)劃策略 

      平均電流規(guī)劃策略由各個(gè)模塊電流總和經(jīng)加權(quán)獲得各模塊的參考電流值，與反饋電流相比較獲得電流誤差，再通過誤差放大器反饋給各模塊的電壓調(diào)節(jié)器，各模塊調(diào)節(jié)自身輸出電壓以保持在輸出總電流所占比重。

就目前比較成熟的技術(shù)，自動(dòng)均流平均電流法應(yīng)用比較廣泛。各個(gè)模塊的內(nèi)部均流原理如圖3所示。電阻R上的壓降代表該模塊均流誤差電壓。通過此誤差信號(hào)調(diào)節(jié)輸出使得該模塊的輸出端的等效直流電勢(shì)減少，使得輸出電流向計(jì)算的平均電流靠近，起到均流作用。它的缺點(diǎn)是明顯的。任何模塊故障或者均流母線短路都會(huì)使得系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作，而且當(dāng)某種模塊輸出到達(dá)極限值時(shí)，其他模塊輸出電壓會(huì)下降到極限。

圖3平均電流控制法均流控制原理

2)        主從均流策略 

      主從電流規(guī)劃策略由選定主模塊的電流信號(hào)作為所有模塊的參考電流值，和反饋電流相比較獲得電流誤差，由此調(diào)節(jié)其他主從模塊自身輸出電壓以保持其在輸出總電流所占比重。缺點(diǎn)是主模塊的故障會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，無冗余性能；各模塊高頻帶環(huán)被連接在一起，給系統(tǒng)帶來很大噪聲干擾。

這一類的策略主要有：制定主模塊法,輪流主模塊法,自動(dòng)主模塊法。圖4描述了自主均流的簡(jiǎn)要原理。通過單向緩沖電路實(shí)現(xiàn)輸出電流最大的模塊控制均流母線電壓，可以實(shí)現(xiàn)主模塊的自動(dòng)選擇，對(duì)故障模塊自動(dòng)隔離，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冗余和熱插拔，母線開路或短路都不影響各模塊獨(dú)立工作，提高系統(tǒng)的可靠性。

圖4 低差自動(dòng)主從均流控制原理簡(jiǎn)圖

      基于以上的分析，下降法的均流精度比較低，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)復(fù)雜，不利于技術(shù)的轉(zhuǎn)化。動(dòng)態(tài)均流中三環(huán)控制與電流規(guī)劃相結(jié)合，可以得到很多均流精度較高的控制方法，在要求較高的系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)均流越來越被廣泛的應(yīng)用，尤其是主從控制法。

      目前Unitrode公司生產(chǎn)的UC3902、UC3907的均流控制芯片是理想的。本文采用UC3902設(shè)計(jì)了電源的均流控制電路。UC3902負(fù)載均流集成控制器是一種能為多臺(tái)獨(dú)立電源并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)精確均分系統(tǒng)總電流功能的單片均流控制集成電路。

UC3902本身即是根據(jù)自主均流的原理來設(shè)計(jì)的，所以它集成了均流補(bǔ)償電路，它的外圍只需要小量的無源器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖以及外圍參數(shù)的連接如圖5。

      參數(shù)設(shè)置前，必須了解額定輸出電壓、最大輸出電流和電壓最大允許調(diào)節(jié)范圍。

      對(duì)于母線電壓的選擇要綜合考慮對(duì)噪聲的敏感度、均流度、以及并聯(lián)模塊的個(gè)數(shù)。因?yàn)閷?shí)際均流母線只由主模塊驅(qū)動(dòng)，每個(gè)從模塊在母線上代表10kΩ的電阻，就是每增加一個(gè)模塊將會(huì)增加主模塊100uA的供電電流。為提高均流精度，檢測(cè)電阻要采用高精度的電阻， (電流檢測(cè)放大器最高輸出電壓，它是10V與中較小的一個(gè))選用6V,電流檢測(cè)放大器增益為40，模塊最大輸出電流40A。因此：

RSENSE=6/(40×40)=0.00357Ω                1)

圖5 UC3902內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

即調(diào)整放大器的最大電流,它的值保持在，因?yàn)檩^低一點(diǎn)可能會(huì)引起系統(tǒng)對(duì)噪聲的敏感。它的實(shí)際電流由ADJR管腳電壓（2.6V）和與之連接電阻決定。

                2)

實(shí)際取。

的選擇應(yīng)該盡量減少，典型值在20-120之間，以確保不影響變換器正常電壓反饋，選取

     3)

因?yàn)榫鳝h(huán)嵌入在已存在的電壓環(huán)上，要避免各控制環(huán)節(jié)之間的干擾，以保證電壓環(huán)的穩(wěn)定性，所以均流環(huán)的交越頻率至少低于電壓環(huán)交越頻率的1/10，以最小化電流環(huán)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

均流補(bǔ)償電容的設(shè)計(jì)是為獲取期望的均流環(huán)交越環(huán)交越頻率。

              4)

式中—均流環(huán)路誤差放大器的跨導(dǎo)，通常為4.5ms

—均流放大系數(shù)，UC3902中為固定值40

—電壓環(huán)在交越頻率處的增益

綜合分析，設(shè)定均流環(huán)交越頻率為600（rad/sec）,此時(shí)電壓環(huán)增益40DB,計(jì)算的為3.06 ,實(shí)際取5 （2個(gè)10 電容并聯(lián)）。

                               5)

由此可得,實(shí)際取51。

本文通過對(duì)模塊化電源并聯(lián)系統(tǒng)分析得到均流的基本原理，即使電壓調(diào)節(jié)器誤差信號(hào)為零以及各模塊電源電壓調(diào)節(jié)器輸出的電流給定相同，從而達(dá)到均流的目的。針對(duì)本課題中輸出電流較大，元器件承受高電壓大電流的實(shí)際情況，采用了UC3902芯片實(shí)現(xiàn)自主均流，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的均流系統(tǒng)和信號(hào)采集、反饋電路，解決了并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性問題，從而保證實(shí)驗(yàn)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.         路秋生,張艷杰.電源并聯(lián)均流技術(shù).通信電源技術(shù).2000, (6):12~14

2.         謝勤嵐,陳紅.開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)的均流技術(shù).船舶電子工程.2003,(4) :75~78