文档介绍：开关电源并联运行及其均流技术
1 引言
大量电子设备,特别是计算机、通讯、空间站等的广泛应用,要求组建一个大容量、安全可靠、不间断供电的电源系统。如果采用单台电源供电、该变换器势必处理巨大的功率、电应力大,给功率器件的选择、开关频率和功率密度的提高带来困难。并且一旦单台电源发生故障,则导致整个系统崩溃。采用多个电源模块并联运行,来提供大功率输出是电源技术发展的一个方向。并联系统中每个模块处理较小功率,解决了上述单台电源遇到的问题。
八十年代起,分布式电源供电方式成为电力电子学新的研究热点。相对于传统的集中式供电,分布式电源利用多个中、小功率的电源模块并联来组建积木式的大功率电源系统。在空间上各模块接近负载,供电质量高,通过改变并联模块的数量来满足不同功率的负载,设计灵活,每个模块承受较小电应力,开关频率可以达到兆赫级,从而提高了系统的功率密度。
大功率输出和分布式电源,使电源模块并联技术得以迅速发展。然而一般情况下不允许模块输出间直接进行并联,必须采用均流技术以确保每个模块分担相等的负载电流,否则,并联的模块有的轻载运行,有的重载甚至过载运行,输出电压低的模块不但不为负载供电,反而成了输出电压高的模块的负载,热应力分配不均,极易损坏。
对于多个模块并联运行电源系统的基本要求是[2]:一是输入电压或者负载发生变化时,保持输出电压稳定;二是控制各模块的输出电流,实现负载电流平均分配,均流动态响应良好。为提高系统可靠性,并联系统应该具备以下特性:实现冗余。当任意模块发生故障时,其余模块继续提供足够电能,整个电源系统不会崩溃;实现热拔插,电源系统真正意义上的不间断供电;均流方案无需外加均流控制单元;使用一条公共的低带宽均流总线来连接各模块单元。
2 并联特性及均流一般原理
图1为两个模块并联工作时的等效电路及其外特性曲线。如果两个模块的参数完全相同,即V1max=V2max,R1=R2,两条外特性曲线重合,负载电流均匀分配。如果其中一个模块的电压参考值较高,输出电阻较小(外特性斜率小),如图1中的模块1,则该模块将承受大部分负载电流,负载增大,模块1将运行于满载或超载限流状态,影响了系统可靠性。
(a)并联等效电路(b)输出外特性
图1两个模块并联均流原理图
可见,并联电源系统中各模块按照外特性曲线分配负载电流,外特性的差异是电流难以均分的根源。均流性能的优劣用均流精度来衡量。均流精度定义为:
CSerror=ΔIomax / (Io/N)
式中N为并联模块数,Io为负载电流,ΔIomax为最大电流与最小电流之差。
正常情况下,各并联模块输出电阻是个恒值,输出电流不均衡主要是由于各模块输出电压不相等引起。均流的实质即是通过均流控制电路,调整各模块的输出电压,从而调整输出电流,以达到电流均分的目的。一般开关电源是一个电压型控制的闭环系统,均流的基本思想是采样各自输出电流信号,并把该信号引入控制环路中,来参与调整输出电压。选择不同的电流信号注入点,可以直接调节系统基准电压、反馈电压误差、或者反馈电流误差,形成多种均流方案,以满足不同的稳态性能和动态响应。
3 均流方法
根据并联电源系统中模块之间有无传递均流信号的互连线,所有均流方法可归成两大类:下垂法和有源均流法,下垂法为模块之间只有输出端导线相连;有源均流