开关电源的数字化和数字均流技术越来越成为其发展趋势

计算机、通讯、空间站等的广泛应用,要求组建大容量、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,电压应力大,给功率器件的选择、开关频率和功率密度的提高带来困难,且一旦电源发生故障,则整个系统崩溃。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,其系统中每个模块处理较小功率,解决了单台电源遇到的问题。然而一般情况下不允许模块输出之间直接进行并联,必须采用均流技术以确保每个模块分担相等的负载电流。若采用多个电源模块并联供电,不但可提供所需电流,而且可形成n+m冗余结构,提高系统的稳定性。随着采用数字控制的成本逐步降低及开关电源非线性控制理论和方法的不断完善,开关电源的数字化和数字均流技术越来越成为其发展趋势。本文先从电源的并联均流的一般原理出发,介绍几种传统的并联均流方案,并结合简单电路图,讨论其工作原理及优缺点,最后详细介绍一种新型实用的基于AVR单片机的数字均流方案。  

1、并联均流的一般原理  

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。正常情况下,各并联模块输出电阻为恒值,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用各自输出电流信号,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。  

2、传统的电源均流技术  

2.1 主从方式均流法  

实质是指定一定模块为主模块,工作在电压源方式下,它直接连接到均流母线;其余的为从模块,工作在电流源方式下,它们从母线上获取均流信号,由于存在统一的误差ΔU,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的,从而实现均流控制。这种方式均流精度很高,可达0.5%以内。  

分析可知采用这种均流法有以下特点:  

①一旦主模块出现故障,整个系统将崩溃;  

② 电压环工作频带宽,容易产生噪声干;  

③ 精度高,控制结构简单;  

④ 主/从单元有均流母线联系,模块间连线复杂。  

2.2 平均电流法(自动均流)  

它是将并联工作的每个模块电流取平均值后,将平均电流值送给每个模块,各模块都以这个平均电流值为目标自动调节自己的输出电流。  

N 个并联模块中的一个模块按平均电流自动均流的控制电路原理图,并联的各模块的电流放大器输出端,通过一个电阻R 接到均流母线上,电压放大器输入为基准电压和均流控制电压的综合,它与Uf 进行放大后,产生电压误差Ue 控制PWM 及驱动器。Ui 为电流放大器的输出信号,和每个模块的负载电流成正比,Ub 为母线电压。假设N=2,也就是两个模块并联运行状态下,Ui1 和Ui2 分别为模块1 和2 的电压信号,都经过阻值为R 的电阻接到母线B ,母线电流I 值计算如下:I=(Ui1-Ub)/R+(Ui2-Ub)/R 当母线电流I=0 时,由上式得出:Ub=(Ui1-Ui2)/2。母线电压Ub 是Ui1 和Ui2 的平均值,也代表了模块1、2 的输出电流平均值。代表均流误差的Ui与Ub 之差,经过调节放大器,输出调整电压Uc,Uc 值可正可负。当Ub=Ui 时,电阻R 上的电压为零,调整电压Uc=0, 实现了均流。一旦模块间的电流分配不均匀,Ub≠Ui,电阻R 承受电压,由这个电压控制A1,再由A1 控制功率级输出电流,以达到均流目的。  
它的特点是:  

Ⅰ.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;  

Ⅱ.均流效果较好,易实现准确均流;  

Ⅲ.可以构成冗余系统,均流模块数理论上可以不限,但应根据实际的调试确定模块数。  

2.3 最大电流法     

由于二极管的单向导电性,这样只有当N 个单元中输出电流最大的一个电流放大器输出才能使二极管导通,与均流母线相连。该模块即为主模块,其余的为从模块,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,进而达到该单元均流调节作用。其特点是:在这种均流方式下,参与调节的单元由N 个单元中的最大输出电流单元决定,一次只有这个最大输出电流单元工作,这个最大电流单元是随机的,所以它有称作“民主均流法”;由于二极管存在正向压降,因此主模块均流总有误差,而从单元的均流效果总是最好的。  

并联强迫均流与计算机均流控制  

3.1 并联强迫均流  

所谓强迫均流,就是通过监控模块实现均流。实现方式主要有软件控制和硬件控制两种。由监控模块获得所有并联模块的平均电流值,再用这个平均电流值与模块电流值比较,比较的结果用来补偿电压基准。软件控制是通过软件计算,比较模块电流与系统平均电流,再调整模块电压,使其电流与平均电流相等。软件方式易于实现,均流精度高,但其瞬态响应较差,调节时间长。软件控制时实现恒流控制的算法较多。

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