低冗余高可靠模塊化輸入并聯輸出串聯電源系統及其控制方法

宋 猛 吳紅飛 吳嘉昊 賈益行 徐鑫雨

低冗余高可靠模塊化輸入并聯輸出串聯電源系統及其控制方法

宋 猛 吳紅飛 吳嘉昊 賈益行 徐鑫雨

（南京航空航天大學多電飛機電氣系統工信部重點實驗室 南京 211106）

為了使輸入并聯輸出串聯電源系統同時具備模塊級和系統級冗余能力，提出低冗余高可靠超寬電壓范圍電路結構及其控制方法。基于兩級式電路和多模塊串并聯實現電源系統超寬電壓輸出，通過模塊級部分子電路冗余設計，實現模塊級和系統級+雙重冗余，使得功率模塊部分失效或多個模塊全部失效時系統仍具有全電壓、全功率輸出能力。進一步提出模塊化電源系統的分布-集中混合式控制策略，分布式自主控制保證了模塊間應力均衡、并使得輸出電壓在目標值范圍內，集中控制確保總輸出電壓精度。該文詳細分析所提電路結構及其控制策略的原理、特性和實現方案，并通過0～1 000 V/50 kW輸出電源系統實驗，驗證了所提方案的有效性。

低冗余 高可靠 輸入并聯輸出串聯 下垂控制

0 引言

電源系統是國防裝備的重要組成部分。戰場環境惡劣、工況復雜，提高電源系統的裝備適應性和環境適應性，實現電源系統在各裝備間的互通、互換、互用，不僅要求裝備電源具有極寬的輸出電壓范圍以滿足不同裝備供電需求，而且要求其在局部受損的情況下仍具備全電壓、全功率范圍輸出能力，以滿足真實工況高可靠性要求[1]。

通過元件、電路和系統等不同層面的優化設計，能夠在一定程度上提高電源系統的可靠性，但依然無法保證電源系統在局部損傷情況下不損失輸出能力。例如，在電路中加入外部放電支路或者內部開關旁路的方法可以避免串并聯系統串聯端口的模塊開路導致系統無法正常運行的問題，但是電路的損耗大幅增加[2]。冗余設計是提高裝備電源系統可靠性的有效方法[3-4]。通過增加備份模塊，在主功率模塊受損的情況下，可以利用備份模塊保障電源系統功能不受損失。然而，傳統主份+備份冗余方法需要增加跟主功率模塊完全相同的備份模塊，成倍地增加電源系統的體積、質量，增加了電源系統整體的成本[5-6]。對于模塊化電源系統，基于+冗余設計，通過調整備份模塊的數量，能夠有效減小整個系統冗余所付出的體積、質量和成本[7-8]。但若要同時在模塊級和系統級實現冗余和備份設計，則仍不能避免系統體積、質量和成本的大幅增加。通過電路結構的在線重構，在部分元件失效時利用未失效器件構建新的電路結構，從而實現故障運行，可以在降低電源系統冗余度的同時提高其可靠性[2, 9-10]。例如，可以在全橋電路部分開關器件失效時，將其運行于半橋電路模式[2, 11]。但這種方式需要按照極端故障運行模式選擇電路元件，過大的電壓、電流和功率定額，影響電路在正常模式下的性能。也有學者提出通過增加部分冗余器件，電路在故障情況下切換至備份器件所構造的電路[12-13]，這能夠有效地降低冗余電路所額外增加的體積和質量，但如何設計與電源系統特性相匹配的冗余結構，以及如何降低冗余電路所帶來的影響，依然是實際應用中所面臨的難題。

模塊化串并聯系統是擴展電源系統電壓、電流和功率輸出能力的有效手段[14]。如何實現各串并聯模塊的電壓、電流和功率應力均衡，是模塊化串并聯系統所特有的問題。采用集中式電壓電流控制器，可以較容易地實現各串并聯模塊的電壓電流均 衡[15]。然而，集中式控制改變了模塊化電源系統的分布式特性，若集中控制器失效，則整個電源系統失效，降低了電源系統可靠性。針對多模塊輸出并聯系統，基于下垂控制的分布式控制方法在各類研究中得到了廣泛應用[16-17]。為了彌補下垂控制所帶來的輸出電壓精度下降問題，可以利用集中控制器和低帶寬通信進行二次補償[18-19]。此時雖然也采用了集中控制器，但集中控制器的失效不會引起整個系統的崩潰。

針對以上問題，本文基于模塊化輸入并聯-輸出串聯（Input-Parallel Output-Series, IPOS）結構，提出低冗余、高可靠的超寬輸出電壓范圍IPOS電源電路結構，并設計了分布-集中混合式的控制方法，使得電源系統中任意功率模塊或局部受損時仍具有全電壓、全功率輸出能力，實現了電源系統的高可靠性。

1 系統架構與工作原理

1.1 傳統雙重冗余電路結構

雙冗余寬輸出電壓范圍電路拓撲及其IPOS系統如圖1所示。LLC級聯Buck變換器能夠實現輸出電壓從0到設計值之間連續寬范圍調節，因此在寬電壓范圍場合得到了廣泛應用[20]。為了使該變換器局部受損情況下不損失輸出能力，可以采用功率電路并聯冗余的方案，如圖1a所示。圖1a中，備份電路與主電路完全相同，主電路故障時由備份電路取代。

圖1 雙冗余寬輸出電壓范圍電路拓撲及其IPOS系統

為了實現電源系統輸出電壓和功率按需擴展，同時使得電源系統具備冗余供電能力，以圖1a電路為標準模塊，并采用圖1b所示的+冗余IPOS結構，其中，為電源系統正常工作所需模塊數量，為備份的冗余模塊數量。

圖1所示電路和系統方案不僅能夠實現超寬電壓范圍輸出、輸出電壓和功率按需擴展，而且功率模塊和電源系統具備雙重冗余備份能力，任意電路、任意功率模塊局部故障，均不會影響電源系統輸出能力。然而，為了實現模塊級和系統級雙重冗余，需要增配大量的備份電路和功率模塊，整個電源系統的設計功率容量遠遠大于額定輸出功率容量，大大增加了電源系統體積和質量。以=8、=3為例，電源系統的設計功率容量將是其額定輸出功率容量的2.75倍。

1.2 改進的低冗余電路結構

針對上述問題，本文提出的低冗余寬輸出LLC級聯Buck電路及其IPOS電源系統如圖2所示。

圖2 提出的低冗余電路拓撲及其IPOS系統

為了解決主電路整體備份導致的模塊功率容量和體積加倍的問題，本文提出了基于電路子單元冗余備份的設計方法。如圖2a所示，在電路一次側將全橋LLC分解為輸入并聯的雙半橋結構，然后以半橋電路為基本單元，只需要額外增加一個由S5、S6構成的半橋諧振電路單元，即可實現一次側全橋開關網絡的冗余備份，單個半橋開關網絡失效，變換器輸出能力不受影響，即僅通過半橋電路實現了對全橋電路的備份，減少了冗余單元。變換器二次側三路輸出等效串聯后級聯三輸入Buck開關單元。正常情況下，與備份半橋單元級聯的由Sb3和VDb3構成的Buck開關單元不工作，其余兩個Buck開關單元正常工作。串聯冗余備份電路結構使得二次側電路中任意開關器件損壞時變換器輸出能力不受影響，變換器具備模塊級冗余供電能力。

圖3給出了模塊電路一次側上管短路故障與二次側二極管開路故障的重構過程。如圖3a所示，S3發生短路故障，將S4與Sb2關斷，S5、S6與Sb3開始切入系統工作；圖3b中，當VDb2發生開路故障時，將S3、S4關斷，二次側整流橋代替原來的VDb2保證電路正常運行。

圖3 模塊電路重構拓撲

在圖2a中的冗余電路單元采取了等效串聯輸出結構，當多功率模塊構成IPOS系統時，任意功率模塊失效，可以由其他模塊的冗余電路單元提供電源系統缺失的輸出電壓和輸出功率能力，即各功率模塊中的冗余電路單元同時也可以提供系統級的冗余能力，系統級無需設置多余的冗余功率模塊，而當其中任意功率模塊失效時，電源系統仍具備全電壓范圍、全功率范圍輸出能力。相比圖1a，圖2a串聯結構提供了低冗余、高可靠性能力，同時開關器件應力更低，但冗余串聯模塊會額外增加續流二極管導通損耗，實際應用時可以采用同步整流技術降低其影響。

綜上所述，以圖2a所示電路為基本功率模塊構建IPOS超寬電壓范圍電源系統，為了實現模塊級和系統級雙重冗余，功率模塊和電源系統的設計功率容量僅為實際額定輸出功率容量的1.5倍，即僅通過增加50%的功率電路，就實現了功率模塊和電源系統雙重冗余供電能力。相比于圖1所示方案，所需增配的冗余電路減少了70%以上，即以低冗余代價實現了整個電源系統的高可靠性。

1.3 功率模塊調制策略

圖2a所示電路中，正常情況下備份模塊無需工作，三輸入Buck電路中開關管Sb3保持關斷狀態，電感電流經二極管VDb3續流，電流無需流經對應LLC二次側整流橋。其余兩個開關管Sb1和Sb2可以采用交錯180°開關調制模式，調制策略如圖4所示，圖4中，c1、c2和c3分別為對應開關管Sb1、Sb2和Sb3的載波，m為與載波交截的控制信號，gsb1、gsb2和gsb3分別為開關管Sb1、Sb2和Sb3的驅動信號。

圖4 調制策略

然而，如果采用交錯開關調制模式，備份單元中開關管Sb3工作時的相位則需要根據電路的故障模式進行設置。例如，當Sb1或Sb2故障時，c3需要設置成與載波c1或c2相同；若其他功率模塊故障，需要啟動該模塊中的Sb3時，需要同時調整c1、c2和c3的相位相互交錯120°。這需要復雜的故障檢測電路配合，還需要動態調整各載波的相位，導致控制實現復雜。

針對上述問題，本文采用圖4b所示載波層疊調制策略。當輸出電壓較低時，只需要開關管Sb1高頻開關，Sb2和備份單元中的開關管Sb3都保持關斷。當Sb1故障或者輸出電壓升高使得Sb1占空比達到1時，Sb2開始高頻開啟。而當Sb2故障或者輸出電壓升高使得Sb2占空比達到1時，Sb3開始高頻開啟。

2 電源系統分布-集中混合式控制策略

2.1 分布式無主從均壓下垂控制策略

IPOS電源系統中各功率模塊的分布式無主從控制，是實現電源系統按需擴展、高可靠和故障冗余的關鍵所在。

直接采樣輸出總電壓控制框圖如圖5所示，圖5中，()為控制器傳遞函數，p為PWM環節增益，()為功率電路傳遞函數，outi為模塊總輸出電壓采樣系數，outref為總輸出電壓參考值，若各模塊均對總輸出電壓進行控制，由于器件參數的離散性，很難保證各模塊工作狀態的一致性。考慮將各模塊控制環節參數的不一致歸一化為采樣系數outi的偏差，則等效outi值越大的模塊優先輸出，并首先達到模塊最大輸出電壓，其余各模塊也依據等效outi由大至小的順序逐次輸出，直至有一個模塊使總輸出電壓達到參考值。

圖5 直接采樣輸出總電壓控制框圖

以三個模塊IPOS系統為例，假設各模塊等效采樣系數滿足out1＞out2＞out3，采用圖5控制方案時，各模塊輸出電壓隨總輸出電壓變化曲線如圖6所示。圖6中，om為模塊的最大輸出電壓。當總輸出電壓out=1.5om時，模塊1處于最大輸出，模塊1電壓o1=om，模塊2電壓o2=0.5om，模塊3輸出電壓o3=0。

圖6 模塊輸出電壓隨總電壓變化曲線

可以發現，各模塊同時調節總輸出電壓會導致模塊間電壓的嚴重不均衡。為此，將各模塊自身輸出電壓oi作為下垂調節的參數，對各模塊總輸出電壓基準進行微調，基于下垂特性的自主均壓控制策略如圖7所示，則穩態時模塊和系統總輸出電壓關系滿足

式中，kd為下垂系數。

由式（1）可得

顯然，各模塊輸出電壓的偏差正比于等效采樣系數偏差但反比于下垂系數d。任意兩模塊之間的輸出電壓偏差為

式中，Dout為兩模塊間采樣系數的偏差。仍以3個模塊IPOS系統為例，由式（2）得到模塊輸出電壓與總輸出電壓關系曲線如圖8所示。顯然，無論總輸出電壓為何值，各模塊均同時工作，下垂控制的引入使得各模塊輸出電壓趨于均衡。

圖8 模塊輸出電壓隨總電壓變化曲線

然而，需要注意的是，引入下垂控制將不可避免地導致輸出電壓跌落，實際總輸出電壓與參考電壓之間滿足

顯然，下垂系數越大，各模塊輸出電壓越高，實際總輸出電壓偏離其目標值越遠。因此，下垂控制可以實現IPOS系統的分布式自主控制，無需集中控制器即可使得輸出電壓達到設定值范圍內，且保證各模塊輸出電壓均衡，保證系統良好的可擴展性和故障冗余性。但僅依靠下垂控制，則損失了系統總輸出電壓精度，若對系統總輸出電壓精度有特殊要求，則需要進一步對其進行調控。

2.2 低帶寬通信總輸出電壓校正調節

為了保證總輸出電壓精度，可以依托低帶寬通信對總輸出電壓進行校正。這可以利用各模塊間的通信實現，也可以利用上層總控制器實現。利用上層總控制器和低帶寬通信實現總輸出電壓校正控制如圖9所示，其中o()為上層控制的調節器。上層控制器采樣總輸出電壓，控制器的輸出即為各模塊的電壓基準，即上層控制器通過對各模塊的總輸出電壓基準進行修正，實現對總輸出電壓精確調節和校正。

圖9 總輸出電壓校正控制

需要注意的是，上層控制器的調節帶寬遠低于模塊本地控制環路的帶寬，對各模塊自身控制環路不造成影響。上層控制器實際為IPOS系統的集中控制環節，若該環節失效，僅影響系統輸出電壓的精度，各模塊仍可以按照圖7方式正常運行。

3 實驗結果與分析

為驗證所提出的低冗余高可靠模塊化超寬電壓范圍IPOS電源系統的工作原理與控制策略，搭建了實驗驗證系統，系統主要參數見表1，整個系統由8個功率模塊IPOS連接構成，系統總輸出電壓DC 0～DC 1 000 V連續可調，額定輸出功率50 kW。

單個功率模塊采用圖2a所示電路實現，其中LLC和Buck電路開關管開關頻率均為150 kHz，包括備份單元在內，單個功率模塊的最大輸出電壓為200 V。單個模塊和整個電源系統的照片分別如圖10a、圖10b所示。

表1 電源系統主要參數

Tab.1 Parameters of the power system

圖10 實驗樣機

圖11給出了其中一個功率模塊的故障冗余實驗波形。圖11a中，模塊輸出電壓為120 V，正常情況下開關管Sb1直通、Sb2高頻開關，模擬Buck開關管Sb1故障，從圖中可以看到，故障發生后Sb2轉為直通、備份單元開關管Sb3高頻開關，模塊輸出電壓保持不變。圖11b中，在模塊輸出電壓為120 V時模擬Buck開關管Sb2故障，從實驗結果可以看到，當Sb2故障后，開關管Sb1仍保持直通，Sb3取代Sb2高頻開關，模塊輸出電壓保持不變。圖11實驗結果表明，備份開關單元同時實現了對其他兩個單元的冗余備份，模塊部分受損時仍正常輸出。

圖12給出了在單模塊o=25 V時Sb1、Sb2依次故障的實驗波形。從圖中可知，Sb1故障后，Sb2自動取代Sb1，而Sb2進一步故障后，Sb3則自動取代Sb2。這表明，采用圖2a所示單元式電路結構，使得功率模塊具備多重冗余能力，保證了模塊級高可靠性。

圖11 功率模塊實驗波形

圖12 功率多次故障實驗波形

圖13給出了3個模塊IPOS系統實驗波形，其中圖13a為集中控制器失效的實驗波形，圖13b為集中控制器正常運行的實驗波形。采用分布式下垂控制，3個模塊輸出串聯時，無論集中控制器是否失效，各模塊輸出電壓都能保證均衡。單模塊故障時，若集中控制器失效，如圖13a所示，下垂控制調節其余模塊增加模塊輸出電壓，保證總輸出電壓滿足負載需求，但存在13 V的電壓跌落。而從圖13b可知，在故障模塊切除后，集中控制器會使總輸出電壓緩慢恢復至跌落前的電壓值。

圖14給出了8個模塊IPOS系統在out=1 000 V時部分模塊故障恢復時的實驗波形。由圖14可知，其中一個模塊故障、電壓跌落至0后，其余模塊電壓上升，總輸出電壓保持不變。實驗結果證明，本文所提出的IPOS電源系統具備系統級故障冗余能力，也證明了本文所采用的控制策略的有效性。

圖13 集中-分布混合控制實驗波形

圖14 Vout=1 000 V時故障重構動態實驗波形

圖14給出了單模塊在額定電壓125 V時的效率曲線和滿載情況時的損耗分布。如圖15a所示，當o＞20 A時，模塊的效率均高于96%，最高效率能達到96.7%。單模塊在滿載條件下的損耗分布如圖15b所示，主要損耗包括LLC損耗、Buck損耗、集成電感損耗和驅動及PCB損耗等。

圖16給出了IPOS電源系統在最大1 000 V輸出時的效率曲線，系統最高效率約為96.5%，且大部分負載范圍內效率高于95%。相比單模塊，多模塊串聯組合后連接線導致系統效率略有下降，但整機效率仍然很高。相比并聯冗余方案，本文采用串聯冗余方案使得電流流經更多的器件，但器件電壓應力大幅降低，可以采用更低導通電阻、更優開關性能的低壓器件，而冗余串聯模塊中的續流二極管采用同步整流管后，其引入的附加導通損耗很小，從而保證了模塊和整機系統仍能實現高效率。

圖15 單模塊效率和損耗分布

4 結論

本文提出了低冗余、高可靠性超寬電壓范圍IPOS電源系統及其控制方法。理論分析與實驗結果表明：

1）通過將全橋功率模塊拆分為雙半橋單元，利用電路單元的冗余設計，使得功率模塊和電源系統同時具備冗余輸出能力，保證了系統高可靠性。

2）采用下垂控制，實現了IPOS電源系統中各功率模塊的完全分布式控制和電壓均衡，保證了IPOS電源系統的可擴展性和可靠性。

3）結合上層控制器和低帶寬通信，實現了IPOS系統總輸出電壓的精確校正，彌補了分布式下垂控制導致的總輸出電壓精度下降。

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Low Redundancy High Reliability Modular Input-Parallel Output-Series Power System and Control Method

（Center for More-Electric-Aircraft Power System Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 211106 China）

The use of modular series-parallel systems is widespread across numerous fields owing to their capacity to scale up voltage, current, and power output in power systems. Redundancy is an effective method to improve the reliability of IPOS power systems, which are widely used in high-output voltage situations. However, traditional redundancy strategies result in a substantial increase in both cost and volume due to the doubling of power units. This paper proposes a circuit design with low redundancy, high reliability, and ultra-wide voltage range, which empowers IPOS power systems with module-level and system-level redundancy capabilities.

Module-level redundancy and system-level+redundancy have been achieved through sub-circuit redundancy design at the module level. The full bridge LLC is decomposed into a dual half bridge structure with an input parallel on the primary side of the circuit. The basic unit of the system is established using the half-bridge circuit, and only an additional half-bridge resonant circuit unit is required to achieve redundant backup of the primary side full bridge switching network. This approach effectively reduces redundant units while providing module-level redundant power supply capability. The IPOS system is equipped with multiple power modules, and the redundant circuit units of other modules can replace any malfunctioning power module, providing system-level redundancy capability. As a result, there is no need to set up redundant power modules at the system level, and the power system maintains full voltage range and output power capability even in case of any power module failure. Furthermore, the modulation strategy using carrier stacking technology has been designed to facilitate the rapid and convenient output of redundant units during fault conditions while ensuring the efficient operation of modules.

A novel distributed-centralized hybrid control strategy for modular power supply systems is proposed. The proposed strategy leverages distributed autonomous and centralized control mechanisms to prevent module stress imbalance and maintain a target output voltage range. Droop control allows for distributed autonomous control of the power system, thereby eliminating the need for a centralized controller to maintain output voltage within the prescribed range. It ensures balanced output voltage across all modules, improving the system's scalability and fault redundancy. However, droop control alone may compromise the accuracy of the system's total output voltage. Therefore, a low-bandwidth communication control strategy is implemented. The adjustment bandwidth of the upper controller is lowered, and the control loop of each module is preserved. The upper controller analyses the total output voltage and generates voltage references for each module to adjust and correct the total output voltage accurately. Overall, the proposed strategy improves the performance and reliability of modular power supply systems.

The principle, characteristics, and implementation scheme of the proposed circuit structure and control strategy have been analyzed. Through experiments on a 0～1 000 V/50 kW output power supply system, the effectiveness of the proposed scheme is verified.

Low redundancy, high reliability, input-parallel output-series, droop-control

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.222343

TM46

國家自然科學基金（52122708）和江蘇省自然科學基金（BK20200017）資助項目。

2022-12-21

2023-04-27

宋 猛 男，1996年生，博士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。E-mail: songm@nuaa.edu.cn

吳紅飛 男，1985年生，教授，博士生導師，研究方向為電力電子與電力傳動。E-mail: wuhongfei@nuaa.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠）