DC/DC開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)均流控制研究*

易映萍,楊 堅(jiān),姚為正

（1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000）

大功率電源系統(tǒng)需要用單個(gè)大功率電源或者多個(gè)開關(guān)電源并聯(lián)來提供，但是單個(gè)的大功率電源在設(shè)計(jì)和制造中存在很大的困難，成本也較高，同時(shí)可靠性和穩(wěn)定性也難以保障。多個(gè)開關(guān)電源的并聯(lián)系統(tǒng)能夠很好地克服這些缺點(diǎn)，并具備單個(gè)電源所不具備的優(yōu)點(diǎn)：大容量、高效率、高可靠性、冗余特性、模塊化和成本低[1]。并聯(lián)系統(tǒng)中，每個(gè)變換器只處理較小功率，不但降低了應(yīng)力，還可以應(yīng)用冗余技術(shù)，提高系統(tǒng)可靠性。采用冗余技術(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)熱更換，即在保證系統(tǒng)不間斷供電情況下，更換系統(tǒng)的實(shí)效模塊。由于以上原因，以及大功率負(fù)載需求和分布式電源系統(tǒng)的發(fā)展要求，開關(guān)電源并聯(lián)技術(shù)的重要性日益增加。但是并聯(lián)開關(guān)變換器模塊間輸出特性存在差異，致使各個(gè)模塊之間的輸出電流不一致，這樣會導(dǎo)致某些模塊的電流應(yīng)力過大，增加了損壞的機(jī)率，而且還會由于某個(gè)模塊達(dá)到最大電流限制造成整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)不能正常工作。因此均流技術(shù)必然是并聯(lián)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，具有重要的研究價(jià)值[2]。

1 兩個(gè)DC/DC開關(guān)電源模塊并聯(lián)的供電系統(tǒng)

采用兩個(gè)DC/DC開關(guān)電源模塊并聯(lián)的供電系統(tǒng)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由主電路、控制電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路等組成。輸入直流電壓經(jīng)濾波，通過DC/DC并聯(lián) Buck結(jié)構(gòu)降壓均流[3]，經(jīng)STM32芯片采樣、控制和調(diào)節(jié)，輸出穩(wěn)定的直流電壓[4]。控制和調(diào)節(jié)完全由芯片程序和算法實(shí)現(xiàn)，節(jié)省了硬件資源，同時(shí)通過算法使系統(tǒng)能隨時(shí)調(diào)節(jié)電路以達(dá)到理想狀態(tài)，避免了單純采用硬件控制時(shí)不可調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定和靈活。同時(shí)系統(tǒng)帶有過流保護(hù)電路，采樣電流或電壓大于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會自動斷開電源，起到保護(hù)作用，保障系統(tǒng)安全。

2 模塊并聯(lián)均流控制的技術(shù)策略

在模塊化電源系統(tǒng)中，各電源模塊并聯(lián)運(yùn)行，為保證各模塊間電應(yīng)力和熱應(yīng)力的均勻合理分配，以實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)中各模塊承受的電流的自動平衡均流，以及當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，保持各模塊輸出電壓穩(wěn)定，同時(shí)具有較好的瞬態(tài)均流特性，需引入有效的并聯(lián)均流技術(shù)。均流控制是DC/DC模塊并聯(lián)中十分重要的部分，通過均流保障每個(gè)模塊的電流相同，從而防止某個(gè)模塊過流，導(dǎo)致器件損壞。穩(wěn)壓控制以輸出電壓作為反饋信號構(gòu)成單閉環(huán)型控制系統(tǒng)[5]。在穩(wěn)壓的基礎(chǔ)上通過電流環(huán)進(jìn)行反饋矯正均流相應(yīng)電流值，從而實(shí)現(xiàn)了均流和穩(wěn)壓，采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制系統(tǒng)的框圖如圖2所示。

3 仿真研究

3.1 仿真模型搭建

根據(jù)DC/DC模塊并聯(lián)開關(guān)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理搭建系統(tǒng)仿真模型,如圖3所示。其輸入電壓為24 V，電感 L為 1.5 mH，濾波電容 C為 4 700 μF，開關(guān)頻率為20 kHz,輸出電壓基準(zhǔn)值為8 V，輸出負(fù)載電阻為8 Ω。

3.2 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖4所示，輸出電壓穩(wěn)定在8 V左右，兩支路輸出電流基本保持在0.5 A，符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了穩(wěn)壓均流的效果。

4 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證前述控制方法及仿真原理的正確性，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)由兩個(gè)額定輸出功率均為16 W的8 V DC/DC模塊構(gòu)成的并聯(lián)供電系統(tǒng)。在該實(shí)驗(yàn)平臺上利用本文所述控制方法對該樣機(jī)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，調(diào)整負(fù)載電阻，通過示波器測量顯示輸出的電壓值和兩路電流值。由圖5可看出兩路電流值分別為0.485A和0.520A，基本實(shí)現(xiàn)了均流效果。輸出電壓在8.55V保持穩(wěn)定，滿足了穩(wěn)壓條件。

本文通過介紹采用數(shù)字PI外環(huán)電壓內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)的雙環(huán)控制方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)壓均流，設(shè)計(jì)并制作了并聯(lián)供電系統(tǒng)，完成了相關(guān)軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試，并給出了相關(guān)實(shí)驗(yàn)波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所述電路參數(shù)的正確性及控制策略的可行性，對設(shè)計(jì)和制作開關(guān)電源模塊并聯(lián)的供電系統(tǒng)的均流技術(shù)的研究具有一定的參考價(jià)值。

[1]符贊宣，瞿文龍，張旭.平均電流模式DC/DC變換器均流控制方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，43(3):337-340.

[2]高承博，趙龍章.一種新型開關(guān)電源的并聯(lián)均流技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法[J].通信電源技術(shù)，2009，26(6):35-37,47.

[3]王兆安.電力電子技術(shù)第5版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4]劉軍.例說 STM32[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[5]張占松.開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.