模塊化直流電源并聯均流控制方法分析

蓋忠偉+++程林林

摘 要：利用多臺中/小功率的電源并聯，不僅可以達到負載功率要求，降低應力；而且還可以應用冗余技術，提高系統的可靠性。為了使直流電源并聯系統可靠工作，必須采取有效的均流控制措施，保證系統各模塊近似均分負載電流。

關鍵詞：直流電源；并聯均流；模塊化

1 模塊化直流電源并聯的優勢

為適應大功率供電系統負載安全性的考慮，開始對分布式電源系統進行初步研究。傳統的供電系統為提高供電的可靠性，每個負載需要備有兩套完全一樣的電源設備，其成本增加了一倍。分布式電源系統利用新電源系統，可以通過利用較小的電功率的電路，通過連接組合成大功率的電源系統，進行分布電源系統的時候，要保證電源體系的獨立性，并保證根據用戶的實際要求提高電源使用的效率，使電源系統的體積、重量大為降低。

2 并聯均流控制方法的介紹

（1）輸出阻抗法（droop法）并聯的各模塊的外特性呈下垂特性，負載越重，輸出電壓越低。在并聯時，外特性硬（內阻小）的模塊輸出電流大；外特性軟的模塊輸出電流小。輸出阻抗法的思路是，設法將外特性硬（內阻小、斜率小）的外特性斜率調整得接近外特性軟的模塊，使得兩個模塊的電流分配接近均勻。可以簡單的理解成輸出電流越大，模塊輸出電壓會越低，這樣兩個模塊并聯在一起，原來輸出電壓高的模塊，由于輸出電流的增加，模塊輸出電壓降低，自然就無法輸出更多的電流，那么電流就由其余模塊提供了。

（2）主從設置法就是說根據設置的電路版塊，根據設置的模式，跟隨設置的主要版塊模式，從各個電流進行統一的分析，需要根據主模塊的電流進行分析，保證電流的均流。需要人為設置一個主模塊，所有模塊以該模塊為參考，輸出電流。在對工作模式的作用下，設置單元分類，其中一個單元就是對工作電流的分配方式，保障其余單元電流的工作效果，實際上就是對原來的電壓和電流之間的電流進行控制，也就是說電壓控制的電流源。這種均流方式最大的缺點就是，主模塊是我們設計過程中指定的，如果工作過程中主模塊發生問題，那么整套系統將癱瘓。

（3）平均電流法這也就是對每個模塊取相應的平均電流模塊，對于各個模塊之間設置電流的調節輸出電流，因此達到有效的均流的效果。首先要得到一個平均電流，對于電流的設置中，要對模塊的總數進行分析，其中各個模塊之間的電流需要進行有效分析，對于電流相對較大的時候，要對電壓進行調節。在平均電流法中，將所有模塊的輸出電流，通過一個電阻接到一起，就可以得到所有模塊輸出電流的平均值，這個點我們稱之為均流母線。如果V1～V4分別是四臺模塊的輸出電流值，只要R1～R4選值一樣，則A點電壓值就是（V1+V2+V3+V4）/4，也就是均流母線上的電壓值就是所有模塊輸出電流的平均值。我們采用簡單的LM324，就可以實現平均電流均流法，VI代表本模塊輸出電流，通過一個1K的電阻引出到均流母線，均流母線上的電壓為所有并聯模塊輸出電流的平均值，當模塊單獨工作的時候，均流母線是懸空的，運放輸入是高阻態，所以本模塊電流VI與均流母線上電壓一致，也就是本模塊電流與均流母線電流沒有偏差，整個電路輸出電壓（N104的1腳）為0V。這個時候通過設置R1R2的值，可以得到模塊自身的輸出電壓，當模塊并聯工作的時候，如果本模塊輸出電流小于平均電流，即VI電壓小于均流母線電壓，則經過查分放大及后級放大電路后，在1腳可以得到一個VI與均流母線電壓誤差90倍放大后的電壓值，且輸出電壓為正，這樣就會抬高Vref的電壓值，從而提高模塊輸出電壓，增加模塊輸出電流。如果本模塊輸出電流大于平均電流，就會輸出一個低的電壓，降低基準，從而調低輸出電壓。

（4）峰值電流法將平均值均流法連到均流母線的電阻改為二極管。由于二極管的單向導電性，參與調節的模塊是各模塊中的輸出電流最大的模塊，且這個最大電流模塊是隨機的，就變成了峰值電流均流法。模塊自動選舉產生一位主模塊，其余所有模塊電流向該模塊靠攏，企圖達到主模塊的電流。平均電流均流法中，連接到均流母線的電阻換成二極管假設有N個模塊并聯，模塊輸出電流對應的電壓分別為V1V2…Vn，很明顯可以看到，均流母線上體現的將是模塊輸出電流最大的模塊的電壓Vx。這個模塊我們稱之為主模塊，電路會調整所有模塊輸出電流向主模塊對應的電流靠近，但由于均流母線電壓與主模塊電流對應的電壓相差一個二極管壓降，所以從模塊輸出電流永遠是緊跟主模塊，但超不過主模塊。與主從設置法比較，這種均流方式里面的主模塊，是由并聯模塊自己選就產生的，所以這種均流方式，也稱為民主均流模式。當主模塊故障的時候，在其余模塊里會再次選舉產生一個模塊作為主模塊，系統仍可以正常工作。

3 幾種均流控制方法優缺點對比

控制方式的設置的好壞也就對輸出的電壓進行直接控制，在對較小的電流的時候需要保證分配的差異性，出現的電流保持穩定。（1）對于導致電壓模塊出現下降的時候，對于電流均流的精度相對較低。（2）其中各個模塊的進行有效的串聯。（3）對于不同的定額功率的模塊要實現有效的設置精度的分析，控制結構簡單，對于模塊出現的故障，整個系統也就會出現嚴重的問題，不適于冗余并聯系統；同時電壓環境工作的要求較高，容易產生超生等干擾，主從模塊有聯系，模塊間連線復雜平均電流法使用的效果比較好，可以很好的保證均流的要求，可以有效的構成冗余系統，均流模塊數理論上可以不限。同時對于均流的母線出現故障的時候，可以有效的保證母線的電壓的降低，從而使模塊輸出的電壓降低，達到使用的要求，對于整個系統出現的故障可以保證最大電流法均流效果較好，易實現準確均流；有成熟的芯片，如uc3902（8腳，外圍結構很簡單），uc3907（16腳）。

4 結束語

想要實現多個模塊電源的并聯均流輸出，可以采用不同的方法來完成并聯設計。各種均流控制方法各有其優點與缺點，這就要求我們電氣工程師根據實際使用場合來進行選擇使用。

參考文獻

[1]趙麗娟.模塊式大功率直流電源并聯均流技術的研究[D].河北工業大學，2012.

[2]路秋虎.電源并聯均流技術[J].通訊電源技術，2000.