高頻開關電源雙閉環(huán)反饋并聯(lián)系統(tǒng)

南昌市工業(yè)技術研究院 熊先明

1.前言

高頻開關電源在二十世紀八十年代進入我國后，由于其具有體積小、重量輕、效率高、噪音低等優(yōu)點，大量地進入我國郵電通訊、電力部門及其它領域，其發(fā)展迅速，市場潛力巨大，取代了許多傳統(tǒng)的中小功率可控硅整流電源。而在傳統(tǒng)的工礦企業(yè)，如電解電鍍、電化、電火花、電池充電、水處理、熱處理、焊接、冶煉等諸多領域，目前還在大量使用傳統(tǒng)的可控硅整流電源，不符合國家環(huán)保節(jié)能的政策。目前市場上的單臺高頻開關電源功率受到器件的約束及其它因素的限制，難以在大功率（50KW以上）場合實用需要。為了把功率做大，簡單的方法就是把許多單臺高頻開關電源，將其輸出簡單并聯(lián)，形成擴流輸出。但這種方法有一個局限性，那就是并聯(lián)后的系統(tǒng)只能是穩(wěn)流輸出，而不能適應穩(wěn)壓輸出的應用場合。本文設計思想就是在上述簡單并聯(lián)后的基礎上，再單獨設計一個輸出電壓負反饋系統(tǒng)，利用電壓反饋系統(tǒng)的輸出來控制各臺高頻開關電源，形成雙閉環(huán)反饋，從而達到并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)壓輸出。由于單臺高頻開關電源的工作原理眾所周知，故以下著重從自動控制系統(tǒng)原理方面介紹并聯(lián)系統(tǒng)的工作原理。

2.系統(tǒng)控制原理圖

并聯(lián)系統(tǒng)的自動控制原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的自動控制原理圖

在自動控制電機直流調速系統(tǒng)中，有一種轉速、電流雙閉環(huán)反饋系統(tǒng)，又稱串級系統(tǒng)。外環(huán)是轉速反饋，內環(huán)是電流反饋。任何系統(tǒng)內外擾動或電網電流變化造成的轉速變化，都能通過外環(huán)或內環(huán)的反饋系統(tǒng)調節(jié)，達到穩(wěn)定的轉速輸出。本文正是基于此設計思想，設計了如圖1的高頻開關電源雙閉環(huán)反饋并聯(lián)自動控制系統(tǒng)。圖中各臺高頻開關電源本身就是可以獨立工作的，且內部形成電壓或電流負反饋系統(tǒng)。并聯(lián)系統(tǒng)電壓反饋屬于外環(huán)，內環(huán)由高頻開關電源內部形成。這種并聯(lián)系統(tǒng)之所以簡單，就是在單臺獨立工作的電源基礎上，把輸出端簡單并聯(lián)在一起。而輸入端的給定由外環(huán)統(tǒng)一加到各臺獨立的高頻開關電源。

圖1中虛線框內1#、2#、……、N#為各臺高頻開關電源，其內部自動控制原理圖簡化為一階系統(tǒng)比例積分環(huán)節(jié)，所以各臺高頻開關電源的穩(wěn)流或穩(wěn)壓精度很高。圖中它們工作在穩(wěn)流狀態(tài)下。

3.系統(tǒng)工作設計原理

3.1 單臺高頻開關電源設計及總體框圖

單臺高頻開關電源的技術指標：

輸入電壓：380V，50HZ

輸出電壓：DC 18V

輸出電流：DC 800A

限流值：850A

限壓值：18.5V

保護：過流保護、熱保護、過壓保護、欠壓保護

轉換效率：＞80%

單臺高頻開關電源總體框圖如圖2所示。整機電路可分為變換主回路和控制電路兩大部分。交流380V電壓經輸入電源濾波器、輸入直流整流濾波得到550V左右的直流電壓，供給脈寬調制器，它有兩組IGBT模塊、高頻變壓器及輸出整流濾波組成。

圖2 單臺高頻開關電源框圖

由PWM控制電路提供交變脈沖經驅動電路來控制IGBT模塊的通斷，將直流電壓變換成交變的20KHZ脈沖電壓，經高頻變壓器隔離變換成所需的電壓，再經輸出整流二極管全波整流，得到平均幅值為18V的直流電壓。

控制電路由PWM控制電路、驅動電路、反饋取樣電路、限流限壓電路及輔助電源組成。PWM控制電路輸出兩路彼此相位差180°，并有一定死區(qū)的脈沖，經驅動電路放大，控制主回路IGBT模塊的通斷。為了得到穩(wěn)定的輸出電壓或電流，對輸出電壓或電流進行采樣、反饋，與基準值比較、放大，控制PWM電路的脈沖寬度，調整IGBT的占空比來實現穩(wěn)壓或穩(wěn)流。同時通過軟啟動、過流過壓保護、短路保護及限壓限流電路對電源本身實施保護措施。

圖3 高頻開關電源自動控制原理圖

單臺高頻開關電源構成一個電流負反饋控制系統(tǒng)，簡稱內環(huán)。自動控制原理如圖3所示。

圖3中采用了PI調節(jié)器的單閉環(huán)電流負反饋控制系統(tǒng)，既保證了動態(tài)穩(wěn)定性，又能做到無靜差，很好地解決了動、靜態(tài)的矛盾。其調節(jié)原理：在電流給定值不變的情況下，當負載變動或電源內部原因造成了電源輸出電流變動時，自動控制調節(jié)過程為：

通過以上的調節(jié)過程，可以保證單臺高頻開關電源輸出穩(wěn)定的電流。這樣，把各個單獨工作的高頻開關電源輸出并聯(lián)在一起，且工作在穩(wěn)流狀態(tài)下，接受同一的電流給定值，就可保證各臺高頻開關電源輸出同樣大小的電流。從而實現并聯(lián)系統(tǒng)的擴流輸出。為了提高系統(tǒng)的整體可靠性，還可根據系統(tǒng)的要求，增加N+1冗于設計。這種簡單的組合在一起，當某臺高頻開關電源出現故障，可立即把其關電退出運行并斷開輸出連接，把備份的高頻開關電源通電投入運行即可。從而把處理故障的時間減少到最小。

圖4 系統(tǒng)自動控制原理框圖

3.2 系統(tǒng)自動控制原理

雙閉環(huán)并聯(lián)系統(tǒng)自動控制原理如圖4所示。

圖4中在高頻開關電源系統(tǒng)外增加了一個比例積分調節(jié)器，用來調節(jié)并聯(lián)系統(tǒng)的電壓。把并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓反饋和并聯(lián)系統(tǒng)給定值進行比較，其差值經信號放大，作為高頻開關電源系統(tǒng)電流給定值，而高頻開關電源系統(tǒng)根據不斷變化的電流給定值來調節(jié)自身的輸出電壓，以此保證自身的輸出電流根據給定值變化而變化。從而也保證了并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定。從閉環(huán)反饋的結構上看，電流調節(jié)環(huán)在高頻開關電源系統(tǒng)內部，是內環(huán)；電壓調節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)。二者之間實行串級連接，即以電壓調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出作為并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓的控制，那么兩種調節(jié)器作用就能互相配合，相輔相成了。這就形成電壓、電流雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，兩個調節(jié)器一般都采用PI調節(jié)器。

當由于負載擾動，造成了并聯(lián)系統(tǒng)電壓輸出變動，則系統(tǒng)自動控制調節(jié)過程為：

上述電壓調節(jié)過程可以保證并聯(lián)系統(tǒng)在穩(wěn)壓工作狀態(tài)下，輸出電壓穩(wěn)定。若系統(tǒng)要工作在穩(wěn)流狀態(tài)下，只需通過系統(tǒng)內部的選擇開關，把外環(huán)電壓反饋單元關閉，直接把電壓給定信號加到各臺高頻開關電源，由于各臺高頻開關電源本身工作在穩(wěn)流狀態(tài)下，從而可以保證并聯(lián)系統(tǒng)的每臺高頻開關電源輸出同等大小電流。

從動態(tài)穩(wěn)定性上看，在設計過程中，先把單臺高頻開關電源設計調整好，使之能穩(wěn)定的輸出額定電流。然后把各臺并聯(lián)連接在一起，加上電壓反饋外環(huán)，再按系統(tǒng)設計要求并調整外環(huán)，使系統(tǒng)輸出電壓保持穩(wěn)定。需要注意的是：內環(huán)根據其設計指標要逐一開啟和外環(huán)連調，等所有的內環(huán)調整好后，再把所有內環(huán)開啟，與外環(huán)一同調節(jié)系統(tǒng)的輸出電壓和電流。

4.實驗與結論

應用以上原理，制作了一臺組合式并聯(lián)的72KW高頻開關電源。具體參數為：AC380V±10%，穩(wěn)壓輸出18VDC；限流電流4100ADC；穩(wěn)流輸出4000ADC；限壓電壓18.5VDC。該并聯(lián)系統(tǒng)由五臺單獨的高頻開關電源并聯(lián)組合，每臺高頻開關電源都輸出同等的800A/18V。系統(tǒng)在穩(wěn)壓工作時，即使輸出短路也能限流在4100A穩(wěn)定工作；穩(wěn)流工作時，輸出端開路能實現限壓而穩(wěn)定工作。若為了提高并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性，還可增加一臺備份。該電源在電鍍行業(yè)鍍鉻工藝中現場運行已有近兩年，基本上達到了設計要求，用戶反應良好。

[1]陳伯時.自動控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1980.

[2]劉勝利.現代高頻開關電源[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.