袁亦青，李 碩

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

4 kW DC 270 V/DC 28 V分布式電源研究與設(shè)計

袁亦青，李 碩

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

針對新一代自行武器的電源需求，提出了4 kW分布式DC 28 V電源方案，通過分析分布式供電電源技術(shù)及大功率DC/DC電源設(shè)計方法，采用IPOP電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用雙環(huán)控制平均電流法實現(xiàn)整個分布式電源的并聯(lián)勻流。仿真結(jié)果表明，該雙環(huán)控制勻流方案可行，為大功率分布式電源設(shè)計提供可行性依據(jù)，進(jìn)而為雙電源供電體制在新一代自行武器中的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

電子技術(shù)；分布式電源；模塊化并聯(lián)；并聯(lián)勻流技術(shù)；正激變換器

隨著新一代自行武器機(jī)動性、防護(hù)性、保障性和自動化程度的大幅度提高，自行武器中增加設(shè)備、功率是必然趨勢。因此針對新一代自行武器供配電系統(tǒng)的供電能力就提出了新的要求，即供電容量的增加，而提高功率有兩種方法：增大電流和提高電壓。對大功率電器負(fù)載來說提高供電電壓可減小電流，從而改變使用低壓供電時電纜粗大的現(xiàn)象，可提高布線工藝性、減小熱損耗、提高電源轉(zhuǎn)換效率，重要的是易于與固態(tài)配電技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)自行武器供配電系統(tǒng)智能化。而針對一些低壓動力和控制設(shè)備，其功率并不大，采用低壓28 V供電就可完成對用電設(shè)備的供電。一般的發(fā)電機(jī)都是輸出同一類型的電壓以保證其穩(wěn)定性和高效率，對于其他等級的電壓需求常通過二次電源變換給與滿足，某新一代自行武器采用270 V、28 V雙電源供電體制，270 V一次電源輸出后，再經(jīng)DC 270 V/DC 28 V電源將270 V轉(zhuǎn)換為28 V，供炮內(nèi)低壓動力設(shè)備和控制設(shè)備使用。對于該自行武器的電源系統(tǒng)來說，DC 270 V/DC 28 V電源的設(shè)計[1]就尤為重要，它關(guān)系到整個低壓動力電網(wǎng)乃至整個電源系統(tǒng)的可靠性。

1 DC 270 V/DC 28 V電源設(shè)計

1.1 DC 270 V/DC 28 V電源性能指標(biāo)

由新一代自行武器方案可知DC 270 V/DC 28 V電源基本性能指標(biāo)為：

1)輸入電壓范圍：DC 200～380V；輸出額定電壓：DC 27.5±0.5 V；輸出可調(diào)電壓范圍：DC 24～30 V。

2)額定輸出功率為4 kW。

3)效率不得小于90%。

1.2 DC 270 V/DC 28 V分布式電源設(shè)計

1.2.1 分布式供電技術(shù)

分布式供電是相對于集中式供電而言的，是將相對較小的電源功率電源(模塊)通過不同的組合方式，形成積木式、智能化的大功率電源系統(tǒng)的供電技術(shù)。由指標(biāo)要求可知電源功率要求較大，筆者應(yīng)用分布式供電技術(shù)[2]，通過對小功率電源分布式、模塊集成化的組合來實現(xiàn)大功率電源的設(shè)計，有利于提高電源的擴(kuò)展性和可靠性。

1.2.2 DC 270 V/DC 28 V電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與設(shè)計

采用分布式供電技術(shù)、模塊化集成技術(shù)的DC/DC電源有很多種組合方式，其中最為重要且常用的一種就是模塊化DC/DC電源的串并聯(lián)，即將小功率DC/DC電源模塊的輸入端和輸出端分別串聯(lián)或并聯(lián)。因此，根據(jù)輸入、輸出不同的連接方式，電源模塊的串并聯(lián)組合系統(tǒng)可分為4種基本類型：輸入、輸出皆并聯(lián)(IPOP)、輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)(IPOS)、輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)(ISOP)和輸入輸出皆串聯(lián)(ISOS)，并且每種組合方式都有其特定的應(yīng)用場合。

由于DC/DC電源所要求輸出的額定功率為4 kW，基于電源效率以及功率冗余考慮,筆者采用將幾個小功率電源模塊輸入、輸出皆并聯(lián)(IPOP)，如圖1所示的方式進(jìn)行組合，構(gòu)成4kW DC 270 V/DC 28 V分布式電源。與分離元器件方式所設(shè)計的大功率電源單機(jī)相比，采用小功率電源模塊輸入、輸出并聯(lián)的分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計大功率電源具有以下優(yōu)點(diǎn)：電路本身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方案簡單，能夠縮短研制周期，降低成本；分布式、模塊化設(shè)計取代系列化，便于擴(kuò)容、易組成m+1冗余供電系統(tǒng)，實現(xiàn)電力冗余，提高系統(tǒng)可靠性； IPOP電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠應(yīng)用于輸出電流較大的場合，每個并聯(lián)的DC/DC模塊只需處理較小的功率，可降低電流應(yīng)力。

2 DC/DC分布式電源并聯(lián)勻流

由文獻(xiàn)[2]可知，兩個電源結(jié)構(gòu)相同的電源模塊，由于其等效電壓和等效電阻的不同，就會導(dǎo)致輸出電流不均分的問題。若不采用勻流技術(shù)，就會因為各并聯(lián)模塊特性的不一致，使得輸出電壓較高的電源模塊承擔(dān)更多的負(fù)載；而輸出電壓低的模塊則會處于輕載工作，甚至是空載運(yùn)行，導(dǎo)致分擔(dān)電流多的模塊熱應(yīng)力大、壽命下降，從而降低了整個系統(tǒng)，即大功率分布式電源的可靠性。

2.1 DC/DC小功率電源勻流控制設(shè)計

并聯(lián)勻流[3]的方法有輸出阻抗法、主從設(shè)置法、平均電流勻流法、最大電流勻流法等。筆者借鑒平均電流法，采用雙環(huán)控制平均電流勻流系統(tǒng)實現(xiàn)并聯(lián)勻流，如圖2所示，內(nèi)環(huán)為電壓環(huán)，外環(huán)為勻流環(huán)，當(dāng)小功率電源輸出電流大于平均電流，即電流放大器輸出電壓UI大于勻流母線電壓Ub(各模塊電流取樣電壓的平均值)時，勻流控制器輸出電壓Uc變小，繼而使得基準(zhǔn)電壓Ur=Uref+Uc變小，電壓調(diào)節(jié)器輸出電壓變小，負(fù)載電流降低，最終達(dá)到UI等于Ub，從而實現(xiàn)勻流目的。

2.2 勻流控制方案建模分析

以DC 270 V/DC 28 V變換器為例對雙環(huán)控制平均電流勻流法進(jìn)行建模分析，該DC/DC變換器采用反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。其中Lp為變壓器二次繞組懸空(無電流流過)時測得的一次電感。

DC/DC變換器參數(shù)如表1所示。

表1 DC/DC變換器參數(shù)

由于反激變換器與buck-boost變換器存在許多相似點(diǎn)，同時結(jié)合變壓器電壓關(guān)系，可將反激變換器等同于DC/DC(僅僅基于電感而言)buck-boost來進(jìn)行分析、設(shè)計勻流控制電路。該等效模型實質(zhì)上是將隔離變壓器電壓和電流從一側(cè)折算至另一側(cè)進(jìn)行分析，等效buck-boost模型如圖4所示，其中Co′=Co/N2，Uo′=Uo×N，L=Lp。

基于此等效模型，由圖2所示控制方案建立小信號模型如圖5所示，得到頻域模型，用傳遞函數(shù)進(jìn)行表示，以穩(wěn)定性為要求對此勻流控制電路進(jìn)行設(shè)計。

2.2.1 控制到輸出電壓、電流部分

從圖3可知DC/DC反激變換器占空比d=NUo/(Uin+NUo)，由表1所列變換器參數(shù)可計算得到d=0.49。結(jié)合圖5，可知反激變換器等效模型中等效LC濾波器的電感為Lp′=Lp/(1-d)2=3.84 mH,控制與輸出電壓的傳遞函數(shù)以及控制與輸出電流的傳遞函數(shù)分別為：

(1)

(2)

2.2.2 脈寬調(diào)制器

脈寬調(diào)制器是主要由電壓比較器構(gòu)成，將電壓調(diào)節(jié)器輸出的控制信號Uk與幅值為Um、頻率為Fs的鋸齒波電壓ST進(jìn)行比較，得到脈沖序列T，如圖6所示。Uk范圍是0～5 V，所以本文取Um為8 V，PWM控制器傳遞函數(shù)為

(3)

2.2.3 電壓環(huán)

電壓環(huán)由Gud(s)、PWM控制器、電壓采樣和電壓調(diào)節(jié)器組成。電壓采樣通過分壓電阻實現(xiàn)，由圖2可知βUo=Uref,當(dāng)輸出電壓為28 V,Uref取5 V時，采樣電路傳遞函數(shù)β為0.179。采樣電路如圖7所示，R15=22 kΩ，R16=4.7 kΩ。根據(jù)比例-積分性質(zhì)和文獻(xiàn)[3]，取C1=330 nF，R2=18 kΩ，R1=4.5 kΩ，C2=457 mF。

(4)

分析式(4)可知,若不加電壓調(diào)節(jié)器則會導(dǎo)致系統(tǒng)低頻增益不夠，穩(wěn)態(tài)誤差很大[4]。所以，為減小穩(wěn)態(tài)誤差，同時增強(qiáng)電路高頻抑燥能力，釆用PI控制器作為電壓調(diào)節(jié)器，如圖8所示。

2.2.4 勻流環(huán)

勻流環(huán)主要由電流采樣、放大以及勻流調(diào)節(jié)器組成。Rs為電流采樣電阻，選用5 mΩ低阻值電阻作為采樣電阻，電源模塊輸出最大電流為10 A，采樣電阻兩端輸出最大電壓為50 mV。As為電流放大系數(shù)，電流放大器采用差分放大電路，差分輸入為采

樣電阻兩端電壓，即50 mV，輸出最大值為5 V，所以As為100。

(5)

通過分析式(5)可知勻流環(huán)需要采用勻流調(diào)節(jié)器，即如圖9所示差分輸入比例電路，以保證勻流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，減小干擾，增強(qiáng)電路抗噪聲能力，R4=R5=1 kΩ，C3=470 pF，R3=R6=3 kΩ。

2.3 勻流控制仿真分析

通過以上電壓環(huán)、電流環(huán)設(shè)計，最終可得勻流電路，如圖10所示。

為驗證勻流電路正確及合理性，筆者采用PSIM 9.0電路仿真軟件對該勻流電路進(jìn)行仿真，仿真采用如圖3所示的兩個反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的DC/DC變換器并聯(lián)。并聯(lián)勻流性能好壞可由勻流誤差來衡量，公式為[5]

(6)

式中：ΔIomax為并聯(lián)電源模塊的輸出電流中最大值與最小值之差；Io為并聯(lián)系統(tǒng)輸出的總電流；m則為并聯(lián)的電源模塊個數(shù)。

假設(shè)兩個反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的DC/DC變換器的內(nèi)阻分別為0.1 Ω和0.3 Ω，負(fù)載電阻取5 Ω，則并聯(lián)后輸出電流為5.6 A。圖11、12為負(fù)載電阻為5 Ω時，未加勻流控制和加入勻流控制的兩個DC/DC模塊輸出電流的動態(tài)仿真波形。

仿真結(jié)果表明未加勻流控制時兩個DC/DC模塊并聯(lián)輸出的電流差約為1.5 A，由勻流誤差公式計算可知勻流誤差為53.6%；而加入勻流控制時，兩個并聯(lián)模塊輸出的電流差約為0.2 A，勻流誤差為7.14%，負(fù)載電流基本可以實現(xiàn)平均分配。

3 結(jié)束語

通過對大功率DC/DC電源設(shè)計方法進(jìn)行研究，采用分布式電源輸入、輸出模塊化并聯(lián)技術(shù)對4 kW DC 270 V/DC 28 V大功率電源進(jìn)行設(shè)計，同時采用雙環(huán)控制平均電流勻流法實現(xiàn)并聯(lián)勻流，并通過仿真分析表明此雙環(huán)控制平均電流勻流法基本可以實現(xiàn)對負(fù)載電流的平均分配，對于實際大功率電源產(chǎn)品設(shè)計具有一定參考性。

References)

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Research and Design of the DC 270 V/DC 28 V 4 kW Distributed Power Supply

YUAN Yiqing，LI Shuo

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang 712099,Shaanxi,China)

In view of the power demand of the new generation of self-propelled weapons, this paper proposes a distributed DC 28 V power supply scheme based on 4kW. Through research and analysis of the distributed power supply technology and the high power DC/DC power supply, IPOP power topological structure is to be adopted and the average-current and dual-loop control method is to be applied to achieve parallel balanced current of the distributed power system. The simulation results show that the control method of parallel balanced current and dual-loop is feasible, which provides a feasible and technical basis for the design of high power distributed power supply. Furthermore, the high power distributed power supply provides technical support for the application of dual-power supply system in the new generation of self-propelled weapons.

electron technology; distributed power supply; modular parallel; technique of parallel balanced current；forward converter

10.19323/j.issn.1673-6524.2017.01.014

2016-07-18

袁亦青(1991—)，女，碩士研究生，主要從事智能供配電技術(shù)研究。E-mail：1024196291@qq.com

TJ30

A

1673-6524(2017)01-0069-05