多模塊并聯(lián)直流電源控制技術研究

梁倫發(fā)

（深圳藍信電氣有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

隨著我國科學技術的高速進步，電力電子技術和功率變換技術也得以快速發(fā)展。傳統(tǒng)的設備已經(jīng)不能滿足人們的日常需求，為了使人們有更好的使用感，集模塊化、小型化、綠色化以及數(shù)字化于一身的開關變換器成為了主流研究方向。

1 多模塊并聯(lián)直流電源的優(yōu)點

對于如今的電源需求來說，單個的Boost存在很多缺點。例如，開關管承受的電流太大導致無法找到滿足條件的元器件；為了保證儲能元件有足夠的內存只能將元件面積造得很大，不僅成本極高，而且穩(wěn)定性很差，變換器不夠靈活小巧；功率器件非常容易損耗，設計非常復雜，動態(tài)特性較差。而多模塊并聯(lián)直流電源可以很好地彌補以上缺點，應用效果較好。

模塊并聯(lián)直流電源的方式使每個并聯(lián)單元都分擔了部分電流，每個部件需要承受的電流大小也被降低，應力被有效減少，因此對元器件的功率要求也被降低，變換器的壓力減小，制造時可以將體積和重量大幅度縮小。此外，并聯(lián)電路還解決了功率損耗問題，從根本上降低了設計難度，為變換器的設計和制造節(jié)約了大量成本。

采用模塊并聯(lián)直流電源能夠實現(xiàn)冗余。所謂冗余是指N+n個模塊并聯(lián)，有N個模塊對應輸出功率的同時還有n個模塊被用來當作備用模塊，一旦輸出功率的過程中有模塊出現(xiàn)故障，則可以立刻將備用模塊替換進去，只要產(chǎn)生故障的模塊不超過n個，設備就可以一直順利運行[1]。系統(tǒng)在不停止工作的前提下替換故障模塊，大大提高了工作效率和容錯率，維修成本也大大降低。

將模塊并聯(lián)運行使用，能夠使設計和制造生產(chǎn)更加簡單、易操作，從而大大縮短制造周期，在節(jié)約成本的同時有助于批量自動化生產(chǎn)。此外，模塊并聯(lián)直流電源可以有效降低電磁干擾。DC/DC變換器并聯(lián)系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)，能夠通過反饋靈活調整輸出總線的電壓，進而實現(xiàn)負載均流[2]。

如今，并聯(lián)直流系統(tǒng)已經(jīng)在很多領域都得到了廣泛應用，例如軍事、航空、電動汽車以及工業(yè)控制等。為了使之能夠有進一步的發(fā)展，需要積極解決設計和生產(chǎn)過程中的各種難題。

2 多模塊Boost電路的結構

多個Boost電路并聯(lián)的結構是多種多樣的，這些不同結構主要是電感的位置和形式不同，本文以兩個Boost電路并聯(lián)的形式為例簡要介紹幾種不同的并聯(lián)拓撲結構。

2.1 對稱式并聯(lián)拓撲結構

對稱式并聯(lián)拓撲結構的兩個Boost單元的構成相同，并且直接在兩端并聯(lián)，如圖1所示[3]。圖1中，L1、S1、D1為一個單元，L2、S2、D2為第二個單元。

圖1 對稱式并聯(lián)拓撲結構

對稱結構是各種并聯(lián)結構中最基礎也最廣泛的一種，其設計簡單、模塊特性差別很小，能夠比較容易地實現(xiàn)。

2.2 耦合式并聯(lián)拓撲結構

電感耦合式并聯(lián)電路除了將電路中的電感進行耦合外，其他與對稱式結構沒有太大差別。電感耦合的方式就是將它們的同名端先連在一起，然后再接在輸入端。不過比起對稱式并聯(lián)結構，耦合式結構電路設備的體積更小，生產(chǎn)成本也更低。耦合式并聯(lián)拓撲結構如圖2所示。

圖2 耦合式并聯(lián)拓撲結構

在電感量和輸出功率都相同的情況下，耦合式結構并聯(lián)電路的電流更高，過大的電流使得電感和開關管的承受應力加重，而且元器件的損耗程度有明顯提升。此外，高電流會導致元器件必須提高功率等級和擴大電路體積，而效率則被間接降低了。要改善耦合電路的這一問題，使其在發(fā)揮自身優(yōu)勢的同時還兼具對稱式結構的優(yōu)點，一個必要前提是大大降低電感耦合系數(shù)，使其盡可能越小越好，避免電感之間相互影響。需要注意的是，一旦耦合系數(shù)降低，耦合性也會下降，那么耦合式結構的獨特意義將不復存在。

2.3 跨接式并聯(lián)結構

電感跨接式并聯(lián)結構如圖3所示。

圖3 跨接式并聯(lián)結構圖

以跨接方式并聯(lián)在一起的結構電路，開關轉化器狀態(tài)變化時的電流并不會受到元器件相關因素的影響。該結構電路中，電流被均勻分配給S1、S2兩個開關管，運行更加穩(wěn)定并且由開關轉換器導致的尖峰電流也被巧妙避免了，這是跨接式并聯(lián)結構的獨特優(yōu)勢。

跨接式結構對電路參數(shù)要求非常高，電感L2和L1之比必須盡量小，避免變換器的性能受到影響，同時也要避免增大元件的體積和重量。此外，跨接式電路還要求各支路的功率開關管特性和支路穩(wěn)態(tài)特性都非常接近。

3 多模塊Boost電路控制方法

3.1 峰值電流控制

峰值電流模式需要設置一個周期，周期開始時開關管就開啟，到達峰值電流時就關閉。峰值電感電流的變化幾乎和平均電流相同，且峰值電流具有易傳感的特點[4]。峰值電流控制方法的流程是對電流的數(shù)值進行實時檢測，并將值與基準值進行對比。如果電流的數(shù)值小于給定峰值，那么就一直讓開關管處于開啟狀態(tài)，等到兩者相等時關閉開關管，如此循環(huán)。

峰值電流控制模式具有很多優(yōu)點，首先這種模式非常容易實現(xiàn)且擁有磁通平衡功能，簡單實用。此外，這種模式的動態(tài)響應速度很快，而且能夠對峰值電流實現(xiàn)周期性限流。但是該模式也有一些缺點，例如誤差較大、穩(wěn)定性較差以及閉環(huán)響應效果不好等。

3.2 滯環(huán)電流控制

滯環(huán)電流控制方式采用脈沖頻率調制（Pulse Frequency Modulation，PFM），使用滯環(huán)邏輯比較器比較檢測電流數(shù)值和電流基準值之間的大小，并同樣根據(jù)比較結果決定開關管的狀態(tài)，直到檢測電流與基準值相等[5]。在這個過程中需要設置電流的上限基準值和下限基準值，如果電流數(shù)值接近下限就開啟開關管，使得電流線性提高，直到接近上限時斷開開關管，使電流再次回落。

在滯環(huán)電流控制方法中，滯環(huán)比較器的環(huán)寬會直接影響電流控制的精密度，環(huán)寬和精密度成反比，因此在設計時要讓環(huán)寬盡可能小。但是，太小的環(huán)寬會導致系統(tǒng)的開關狀態(tài)轉換次數(shù)大大增加，容易使開關管損壞。

滯環(huán)電流控制方法的優(yōu)勢在于控制簡單、具備限制電流的功能且動態(tài)響應很快，缺陷在于PFM使得開關管的狀態(tài)轉換不固定，非常容易造成電磁干擾，且大大提高了設計難度，增加元器件的體積和重量。

3.3 平均電流控制

平均電流控制方法的適用系統(tǒng)也是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)[6]。工作時檢測輸出電壓，并將檢測到的值與電壓基準值對比，將比較結果通過電壓調節(jié)器進行處理，處理后的值就是電流環(huán)的基準值。將此基準值和采樣的輸入電流作為誤差放大器的輸入值，產(chǎn)生的誤差高頻分量變化利用誤差放大器進行平均化，用來控制脈沖寬度調整波和開光管的狀態(tài)變化。

這種控制方法也具有自身獨特的優(yōu)勢，其電流檢測精度很高，且具有很好的抗干擾能力，非常容易實現(xiàn)均流。但這種方法的參數(shù)設計非常復雜，成本較高。

4 多模塊Boost直流并聯(lián)系統(tǒng)的并聯(lián)設計

本次研究使用最大電流自動均流法來實現(xiàn)多模塊Boost直流并聯(lián)電路的并聯(lián)設計，為了降低成本，在模塊間均流時控制模塊的總電流輸入，并進行實時檢測。當各模塊的電流平均值一致時，認為負載電流已經(jīng)處于均衡狀態(tài)。如今，市面上已經(jīng)有很多最大電流自動均流控制方法，本次主要討論目前最常用的3種最大電流自動均流控制方法，它們的結構如圖4所示。

圖4 自動均流控制方法原理圖

圖4 （a）的均流控制方法是電壓控制型。這個結構將自動均流產(chǎn)生的誤差信號用來矯正電壓環(huán)的給定值，而經(jīng)過矯正后的電壓環(huán)給定值則可以直接用來調整控制相關模塊的輸出電壓，從而使相關模塊的輸出電流也被調整到均流狀態(tài)。電壓控制型均流控制結構相對而言設計比較簡單，制作時也有現(xiàn)成芯片可以直接使用，制造成本相對較低。但是這種結構的各模塊電流并不可控，而且它的系統(tǒng)響應速度也比較慢，總體來說效率不高。

圖4 （b）則是電流控制型。這種結構也是將均流產(chǎn)生的誤差信號用來矯正電壓環(huán)的給定值，然后再將電壓給定值和相關模塊的反饋電壓相比，而電壓的誤差信號則通過調節(jié)器進行修正，再將修正之后的信號當作電流環(huán)的電流基準值。而電流的均衡狀態(tài)則需要利用電流環(huán)來進行調節(jié)和控制，這種均流控制結構的動態(tài)特性較好，其中的各模塊都是電流型，相比電壓型具有一定優(yōu)勢。此外，其并聯(lián)結構使得各模塊相互獨立，能夠靈活工作。但是，這種結構也是將均流環(huán)設計在了電壓環(huán)之外，因此它的系統(tǒng)響應速度同樣受到電壓環(huán)的影響，總體來說依然較慢。

圖4 （c）也為電流控制型。它和圖4（b）的主要區(qū)別在于這種結構進行了優(yōu)化調整，將均流環(huán)放在了電壓環(huán)之外，使系統(tǒng)的響應速度不再受到電壓環(huán)的影響，速度明顯加快。但是，這樣的并聯(lián)結構在工作中并沒有圖4（b）那么靈活。

在實際的應用中，通常圖4（b）這種類型是應用最廣泛的。其綜合能力較強，具有較好響應的同時也保證了模塊間的靈活性。

5 結 論

為了促進我國電力事業(yè)的不斷發(fā)展，應該在電力領域中對多模塊直流并聯(lián)電源控制技術不斷進行深入研究，促使我國電力能源實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。通過分析電路的并聯(lián)設計方案，希望能夠對從業(yè)人員有所幫助。