開關電源模塊并聯的三環控制系統設計

王 輝 ，周錦榮，周小方

（1.漳州師范學院計算機科學與工程系，福建漳州363000;2.漳州師范學院物理與電子工程系，福建漳州363000）

引言

直流電源模塊化并聯運行是直流電源模塊化產品擴容的有效手段，廣泛用于計算機、通訊設備、電瓶車等用電設備中。在多個直流電源模塊可靠地并聯工作中，各模塊間的電流合理分配是需要解決的關鍵問題之一，并聯運行配流控制方法將直接制約著電源模塊化發展。傳統的電源并聯配流多采用模擬技術來實現，常用的方法有自主均流法[1]、自動主從控制法、外加均流控制器均流法等[2-5]，這些方法具有抗干擾能力差，易受環境因素的影響等問題。而采用數字控制方法能較好地克服模擬技術處理方法所存在的問題，并且采用數字控制更易實現精確、快速的配流控制。下面主要針對數字控制方法中的雙環控制和配流環做了系統分析，并給出實現該方法的系統模型，通過實驗仿真驗證其可行性。

1 DC/DC變換電源及其基本控制原理

圖1 所示是采用Buck電路結構的DC/DC電源系統設計的一般結構圖，其中PID調節器為無靜差調節器，它能夠保證輸出電壓平均值與設定值相等。在CPU控制過程中，如圖2所示，采用電壓的單閉環PID控制，參考電壓Uref及該模塊實際輸出電壓Uf進行比較，再通過串聯校正裝置[6，7]，改善閉環Buck變換器系統的穩定性，然后經PID調整，最終生成PWM控制信號，進而控制DC/DC模塊中開關狀態，實現穩壓輸出。

2 三環控制的電流均流控制模型

在工程實現中，常采用專用集成芯片 (如UC3907)組成大規模集成電路或采用微處理器 (如DSP)編程組成的單片機系統來實現數字化配流控制。相比較而言，采用CPU和相應的外圍電路組成的單片機系統，只需要改變單片機內部存儲的源程序的相應算法，即可實現控制方案的轉變，無需對硬件電路進行任何變動，具有系統響應快，控制方式多變等特點[8]。圖3為三環控制的系統整體結構圖，由內到外分別為瞬時值輸出電流環、模塊配流環和瞬時值輸出電壓環。其中瞬時值輸出電流環可看作為一個隨動系統主作用是根據外部擾動作用的不同進行自我調節，模塊配流環主要作用是采集各模塊電流進行配流，瞬時輸出電壓環主要作用為對這個系統負載電壓進行調節維持穩定。三環控制的思想如下：系統輸出負載電壓與各模塊參考電壓進行比較，通過串聯校正后進行PID調節，調整后的值與模塊配流環分配電流值一起作為電流內環的參考值，進行PID調節，最后送入PWM調制。這里模塊配流環實時采集到各模塊的電流在模塊內部進行數字運算可實現平均電流、最大均流或者進行階段性電流分配等，再結合外環調節(OLRM)等控制模式可達到理想結果。這里利用電壓外環作為采用數字化控制設計，結構靈活，便于擴展和維修，在某個模塊失效的情況下，具有極高的容錯量，符合直流電源發展趨勢。

當n=2時，DC/DC電源并聯運行主電路如圖4所示，每個模塊輸出端接有二極管，利用它單向導電的特性，防止模塊間構成回路，而毀壞器件。圖5為DC/DC電源并聯運行控制框圖，相比單個模塊多了電流內環，提取各模塊電源的負載電流信號，在CPU內部進行模塊電流分配處理，產生各個模塊的參考電流Iref，與各模塊比較和整定后的電壓信號求和，再與各模塊的負載電流信號IL進行比較和整定，產生輸出電壓，最后自適應調整產生PWM驅動輸出。當單個模塊工作時電流內環不起作用，圖5等效為圖2的控制結構僅有電壓環，因此，這種控制結構具有自適應性，適合電源模塊化的擴展。

3 三環控制直流電源并聯模型仿真分析

為了驗證系統設計的正確性，以及電源模塊間電流分配的效果，本節利用MATLAB軟件建立仿真電路以及對其進行仿真分析。利用上述方法，以Buck電路為主電路，在仿真軟件中建立如圖6所示的簡單的直流電源并聯模型，來對以上設計的系統結構進行了驗證。其中，對S-FunctionBuilder進行設置以及程序編寫來模擬單片機系統中CPU的作用。

本實驗系統指標：電源輸入電壓UIN為28 V，經過Buck電路斬波輸出電壓為穩定在15 V。主開關管可使用MOSFET，工作頻率可為100 kHz，負載電流穩定在5 A。電路中電感值選為5×10-5H，電容值為5×10-4F，負載為阻值為3 Ω的電阻。

圖6 所示為DC/DC電源并聯運行MATLAB仿真模型，主要包括2個并聯的Buck電路構成的主電路,一個電流控制模塊（Subsystem），2個控制模塊（control1，control2）。其中電流控制仿真模型為圖7所示，采集到子模塊的負載電流后通過CPU（SFunctionBuilder）進行分配，包括均流分配、各個階段允許范圍內的比例分配等。圖8所示為控制模塊的仿真模型，為各個子模塊進行電壓電流調整，包含兩個PID控制模塊，一個串聯校正模塊（gc），以及一個脈寬調制模型（PWMProduct）。

圖9 為脈沖寬度調制模型仿真模塊(PWMProduct)，能夠自適應調整占空比，仿真利用積分關系來產生三角波，Simulink中Sources有脈沖發生器(PulseGenerator)，使其產生頻率為 100 kHz，幅值為4×104，占空比為50%的信號。

圖10 所示為有負載波動情況下，單個直流電源模塊所表現出來的負載特性。負載波動是由一個開關模塊和一個階躍模塊構成。仿真時間為0.02 s，在0.01 s時，階躍信號為1，使開關閉合，從而使負載并入一個阻值為3 Ω的電阻，起到波動負載的作用。圖10可知該電源模塊在負載受擾動的情況下，保持電壓的恒定不變，并且通過串聯校正后的輸出特性較好，說明系統具有很好自調節能力，穩定性能較好，為模塊并聯運行提供了可能性。

當n=2個模塊并聯運行時，采用圖5的主電路結構及圖6的控制結構，通過檢測各模塊輸出負載電流，S-FunctionBuilder進行運算處理，分配給各個模塊作為電流的參考電流，通過校正及雙閉環控制，可得到理想結果。為了體現均流效果和實驗可靠性，把兩個控制器模型的P，I，D參數設置為不同，模塊1電流環控制器參數分別為10，0，0，電壓環分別為70，1，0.001，模塊2電流環控制器參數分別為 6，0，0，電壓環分別為 60，1，0.001，串聯校正模型為表1 為在負載波動情況下，仿真過程中所測量到的兩個電源模塊運行過程中均流分配電流的數據。

圖11 為電源模塊并聯運行時輸出電壓設定在15 V時，在負載波動的情況下，系統負載輸出電壓電流波形圖。表2則為在輸出電壓設定在9 V和15 V時，負載波動的情況下，模塊間電流比按照2：3的比例進行分配時的實測數據。

表1 為兩電源模塊均流控制仿真測量數據

表2 兩電源模塊2∶3配流控制仿真測量數據

4 結論

利用MATLAB仿真上述方法中由單片機構成的多環控制開關電源并聯運行系統，仿真結果表明該方法構成的電源并聯系統在不同負載條件下具有控制結構可靠、輸出性能穩定、動態響應好等特點。整個系統實質上采用了三環控制，配流控制環采用比例控制調整各模塊的參考電流，其中對SFunctionBuilder編程實現相應的算法，可實現在不改變硬件結構的情況下，調整分配電流的控制方案，這是模擬電路無法比擬的。另外，利用電壓外環和電流內環的雙環控制來實現并聯運行狀態下維持在負載波動情況下電壓的穩定和電流的分配，具有很強靈活性。既適合單個模塊運行狀態，也適合多個模塊直接擴展并聯運行，為實現擴展并聯模塊數目及容量提供了一種方案參考。

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