模塊化數控開關電源并聯系統

摘 要：模塊化開關電源并聯系統采用模塊化并聯供電結構，支持故障模塊的不停機更換。能夠提高電源模塊的功率密度、減小了電源系統的重量、體積，使電源系統的使用更加方便靈活。同時由于多個模塊均等分擔負載電流，功率半導體器件的電流應力降低使得系統可靠性也得到提高。能有效地實現M+N冗余供電工作模式以及基于多模式切換的加減載控制算法，使系統不但能夠滿足負載對其供電電源穩態性能要求，而且還滿足了負載對供電電源的瞬態響應要求。

引言

開關電源被譽為高效節能電源，它代表著穩壓電源的發展方向，現已成為穩壓電源的主流產品。但隨著科技的快速發展，對電源系統的要求也越來越高，尤其是大容量、高安全性、不間斷供電的電源。如果僅靠增大單一電源的容量來實現功率的增長，不但不能滿足大功率電子設備對功率增長的要求，而且會增加大功率元器件的研制困難，增加產品的研發周期，增大研發成本。另外單一電源供電容易引起整個電源系統效率低下、降低電源系統供電可靠性。因此，研發高可靠性、低成本、低開發周期的開關電源是當前電源技術的發展方向之一[1-2]。

相比于傳統集中式電源供電系統，模塊化開關電源并聯電源系統具有的優點非常顯著：使電源系統的使用更加靈活；讓電源系統能夠達到兆赫級別的開關頻率，從而能夠提高電源模塊的功率密度，能夠減小電源系統的重量、體積；能降低各個電源模塊的功率半導體器件的電流應力，從而使系統的可靠性得到提高；能可靠的達到N+M冗余模式供電；可以減少產品種類，便于標準化、模塊化。但是，由于單個電源模塊的個性差異，模塊化分布式電源系統仍存在均流、環流、各模塊間協調控制、啟動等問題，所以對模塊化數控開關電源系統研究迫在眉睫[3-9]。

1 系統硬件設計

模塊化數控開關電源并聯系統主電路的單個子模塊包括EMI濾波、三相不可控整流、基于BUCK的PFC降壓、輸出濾波等功能模塊。用交流市電為系統提供輸入電源，通過整流模塊轉成DC，再通過Buck調壓器實現穩定的DC輸出，其系統的功能框圖如圖1所示。

模塊化數控開關電源并聯系統主電路采用基于BUCK變換器的模塊并聯結構?？刂葡到y采用STC12C5A60S2型號單片機為控制核心，單個模塊采用雙閉環控制策略。模塊間采用平均電流模式實現各并聯模塊間的均流。模式切換控制器用來實現各模塊之間的協調以及系統快速的加減載。系統的主要拓撲及控制電路原理框圖如圖2所示。

2 系統控制器及加載方案設計

2.1 系統控制器設計

模塊化分布式數控開關電源控制系統將采用STC12C5A60S2型號單片機為控制核心，通過檢測各模塊電流和負載電壓，由MCU的軟件計算出誤差信號，調節各模塊的PWM波占空比來實現均流和系統的監控及故障判斷、處理?？刂屏鞒虉D如圖3所示。

2.2 多模式切換加載控制方案

在如圖4所示的雙模塊Buck變換器并聯電路中，假設所有電路元件均為理想元件。穩態工作時采用電壓、電流雙閉環控制策略。且在加載之前Modle-1已經工作在穩態模式下，穩定輸出電壓為U0，輸出電流為I0。為了防止Modle-2在并入過程中由于兩模塊的輸出電壓不一致而產生電流沖擊，給Modle-2的電容預先充一定電荷使其空載輸出電壓等于其穩態值U0。在加載瞬間開關K和開關管S2同時導通，然后通過控制器使開關管S2保持在開通狀態，再在某一特定時刻關閉S2，并在電感電流iL2重新回到穩態時刻讓控制器切換成雙閉環控制模式，兩模塊開始同時向負載提供額定大小功率，在此期間開關管S1在控制器作用下始終以穩態時的占空比開通和關斷。

3 仿真及實驗結果

3.1 仿真分析

用matlab對多模式切換的加載控制方案進行仿真，其中Buck并聯系統中單模塊的電路參數和設計指標如下：輸入電壓Vin=110V，輸出電壓期望Vo=48V，負載電阻R在t=0.1s時，由4.8Ω躍變為2.4Ω，濾波電感L1=L2=675μH，濾波電容C1=C2=100μF。經計算可得該雙模塊Buck并聯系統的加載時刻和各控制模式切換時間t0=0.1s；t2=0.10018s；tsi=0.10027s；Umin=45.3V。

基于多模式切換的快速加載控制算法研究和仿真實現，如圖5所示。

仿真結果如下：

圖6、7分別為負載電流由10A躍變為20A的傳統Buck并聯加載控制和多模式切換加載控制的加載輸出電壓、輸出電流、電感電流及開關管驅動仿真波形圖。

由圖6、圖7對比明顯可知基于多模式切換的雙模塊Buck變換器的瞬態特性優于傳統模式控制下的Buck變換器。

4 結束語

本作品為一款數控開關電源系統，它具有：快速的加減載瞬態響應能夠滿足敏感用電器件用電要求，提高其使用壽命；模塊化結構，支持在不停機的情況下進行故障模塊更換；能夠自動實現故障檢測、輸出功率等級的切換、冗余模塊的并入和故障模塊的切除；能夠實時顯示各模塊運行狀態及系統的耗電量情況；能夠自動對負載進行識別以確定最優的模塊個數及模塊的工作模式等功能。而如何進一步提高系統的智能化程度、穩定性和可靠性以及加載瞬態響應速度，將會是進一步研究的方向。

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作者簡介：張方元（1983-），男，湖南寧鄉，講師，電力電子及電機傳動。