基于開關電源的多電源并聯控制系統設計

劉洲洲

摘要：本文研制一個基于開關電源的多電源的并聯控制系統設計方案，采用UC3825和UC3907作為系統和均流控制系統的核心芯片，同時采用移相式全橋變換器的拓撲結構作為逆變電路，實驗仿真結果表明它基本達到設計要求，具有輸出電壓可調、輸出電流大、紋波小等特點。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/164386.htm

關鍵詞：開關多電源；移相式變化器；逆變電路

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.007

*基金項目：陜西省自然科學基金資助項目（2011K09-16）

引言

傳統的線性穩壓電源[1-3]具有穩定性能好、輸出電壓紋波小、使用可靠等優點，但其通常都需要體積大且笨重的工頻變壓器與體積和重量都很大的濾波器。由于調整管工作在線性放大狀態，為了保證輸出電壓穩定，其集電極與發射極之間必須承受較大的電壓差，導致調整管的功耗較大，電源效率很低，一般只有45%左右。另外，由于調整管上消耗較大的功率，所以需要采用大功率調整管并裝有體積很大的散熱器，很難滿足現代電子設備發展的需要。開關電源是一種采用開關方式控制的直流穩壓電源，通過控制開關的占空比來調整輸出電壓。它以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備等幾乎所有的電子設備，是當今電子信息產業飛速發展不可缺少的一種電源形式。

方案設計

本設計基本要求：實時監控電源的輸出電壓和輸出電流。通過 RS485通信接口與上位機監控系統通信，上位機可實時監控電源的工作狀態和各種參數。具有輸出過壓、過流以及過熱等多種檢測和保護電路，帶有告警指示燈可以在線設置和修正電源的參數和運行狀態。具有自動均流功能，可以實現系統的任意擴展，滿足現場實際需要。指標要求采用大功率電源設計，輸出電源0～100伏，輸出電流10A采用4組并聯，最大輸出電流40A各組電流不平衡誤差小于5%。

輸入回路將交流電通過整流模塊變換成含有脈動成分的直流電，然后通過電容使得脈動直流電變為較平滑的直流電。功率開關橋將濾波得到的直流電變換為高頻的方波電壓，通過高頻變壓器傳送到輸出側。最后，由輸出回路將高頻方波電壓濾波成為所需要的直流電壓或電流，主回路進行正常的功率變換所需的觸發脈沖由控制電路提供。

在本系統中采用四路電源并聯，由于每個模塊的結構相同，故在下面框圖中，只畫出來了一個模塊。其余三個模塊跟下圖中的模塊并聯，并同時受監控電路控制。在本設計中，UC3825作為控制電路的核心，產生PWM波以控制主電路的電壓輸出。UC3907芯片作為均流控制系統的核心，用于保障四個模塊的輸出電流保持在穩定狀態，使系統處于最佳的狀態。我們采用STC80S52單片機作為監控電路的核心，單片機的任務是采集每一個模塊的輸入電壓和輸出電壓、電流，并將其數據通過通信接口電路上傳給上位機，相反，上位機同樣可以通過此電路設置系統的輸出參數。系統一個模塊的示意圖如圖1所示。

均流控制系統設計

大功率電源系統需要采用若干臺開關電源并聯，以滿足負載功率的要求，并聯系統中，每個變換器只處理較小的功率，降低了應力，提高了系統的可靠性。由于大功率負載需求和分布式電源系統的發展，開關電源并聯技術的重要性日益增加。但是并聯的開關變換器模塊間需要采用均流措施，它是實現大功率電源系統的關鍵。用以保證模塊間電流應力和熱應力的均勻分配，防止一臺或多臺模塊運行在電流極限（限流）狀態。在本設計中，采用基于最大值電流自動均流法的集成芯片UC3907作為均流控制系統的核心。

電路工作過程如下：UC3907的調節放大器將模塊自身的電流和均流母線的電流相比較，當模塊自身的電流小于均流母線的電流，即它為從模塊時，調節器使基準電壓升高100mV，使輸出電壓增大，對應的輸出電流增大。當模塊自身的電流和均流母線的電流差不別不大時，該模塊有可能是主模塊。但是下一次，該模塊又可能是從模塊，如此循環往復。在本設計中輸出電流最大值為10A，采用電阻來檢測電流。根據芯片資料，UC3907內部電流放大器的輸出最高電壓可達5V。為此，我取4V。根據測算，此時需要送給UC3907檢測的電壓為0.2V。UC3907內部的驅動放大器將電壓放大器輸出電壓轉換成電流信號送給光耦電路。根據所選擇的光耦電路參數，光耦電路原方電流應小于1 mA。根據芯片資料和調試經驗，可以得到相關參數。R1=330kΩ，R2=2kΩ，R3=10kΩ，R4=7kΩ，R5=10kΩ，R6=5kΩ，R7=10kΩ，C1=C2=0.22μF。

所以加在輸出整流二極管上最高的反壓為705.7V。輸出整流二極管流出的電流即為流過輸出濾波電感的電流，所以其有效值為11.51A。所以根據以上分析，同時考慮一定的裕量，選取RURU3O12O作為輸出二極管。該二極管的耐壓為120V，額定電流為30A。控制和保護單元電路的設計采用PWM（脈沖寬度調制）作為控制方式。在本系統中我們選用的PWM集成控制器為UC3825。UC3825適用于電壓型或電流型開關電源電路，實際開關頻率可達到1MHz，輸出脈沖的最大傳輸延遲時間為50ns，具有兩路大電流推拉式輸出，具有軟啟動控制功能，并具有良好的保護功能。并采用IR2110作為驅動芯片。過流保護我們采用了三重保護：一是在系統的輸入級的三相交流引入處安置熔斷保險管，在系統出現短路和其它意外重大故障的時候切斷外部電源的輸入以保護系統免受損壞；二是在用于控制軟啟動的觸發器后級安置熔斷保險管，以防止啟動浪涌電流的過大而破壞功率器件；三是系統的最主要的過流保護部分，通過對系統電流的檢測來控制PWM信號脈寬從而達到過流保護的目的。在本設計中，監控單元采用STC80S52單片機作為控制核心。系統主監控模塊作為一個獨立的模塊，可以監控整個電源系統各單元的運行狀況，具有對系統的運行參數進行采集、顯示及設置的功能。監控單元還能不斷接受上位機的送來的命令，并根據命令對電源系統進行操作或者將電源系統的運行參數反送給上位機，完成遠程控制。

系統主控制程序設計

系統主控制程序流程圖如圖4所示。

系統實際測試

（1）穩壓測試

測試條件：Uin=15V，負載由1kΩ減少到2Ω（表1）。

（2）均流測試 （表2）。

參考文獻：

[1] 康華光. 電子技術基礎數字部分[M]北京：高等教育出版社.2006.1

[2] 徐愛鈞. 智能化測量控制儀表原理與設計[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，1996.1

[3] 徐愛均. 8051單片機實踐教程[M] . 北京：電子工業出版社，2005.3