佘?chē)?guó)君

摘 要：開(kāi)關(guān)電源具有效率高、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，在交轉(zhuǎn)直供電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。然而隨著輸出功率的持續(xù)增加，如果僅單個(gè)大功率開(kāi)關(guān)電源供電，那么一旦出現(xiàn)故障就會(huì)帶來(lái)不可預(yù)測(cè)的損失，因此，出現(xiàn)了使用幾個(gè)小功率開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)使用的新模式。本文就對(duì)其中的并聯(lián)均流這一重要問(wèn)題進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源 并聯(lián)運(yùn)行 均流 分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TM44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）10（a）-0034-02

開(kāi)關(guān)電源體積小、效率高，在交轉(zhuǎn)直供電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。為彌補(bǔ)單個(gè)開(kāi)關(guān)電源無(wú)法斷電、功率不足等缺點(diǎn)，可以采用幾個(gè)開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)使用。并聯(lián)均流供電技術(shù)可較好地實(shí)現(xiàn)高可靠性運(yùn)行和大功率均勻供電，但要滿(mǎn)足如下要求。

（1）整個(gè)直流供電系統(tǒng)的外部特性在線(xiàn)電壓或者負(fù)載變化時(shí)要保持輸出電壓穩(wěn)定。

（2）為減少均流失敗的因素，各個(gè)供電模塊之間要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)負(fù)載均流，簡(jiǎn)化外部的控制。

（3）一個(gè)供電模塊發(fā)生故障時(shí)，其他模塊要能提供充分的電流容量，以維持整個(gè)系統(tǒng)正常工作。

（4）實(shí)現(xiàn)好的負(fù)載均流瞬態(tài)響應(yīng)；用低阻抗帶寬均流母線(xiàn)連接所有功率模塊。上述為附加要求。

開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)使用的示意圖和端口特性如圖1、圖2所示。

圖1中的R1和R2為單個(gè)開(kāi)關(guān)電源分別的輸出總電阻，其中包含了輸出端導(dǎo)線(xiàn)的電阻。在阻性負(fù)載情況下，輸出電壓和輸出電流呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系，電壓變化量和電流變化量的比值就是輸出總電阻。由于存在內(nèi)阻，結(jié)合圖1和圖2可列出兩條支路的端口特性表達(dá)式分別為式（1）和（2）：

由式（5）（6）可知單個(gè)開(kāi)關(guān)電源的輸出電流與輸出電阻，負(fù)載輸出電壓有關(guān)，故為了實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的并聯(lián)均流運(yùn)行需要關(guān)注下述兩點(diǎn)。

（1）在開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要盡量采用參數(shù)一致的電子元件，PCB布局和走線(xiàn)均要做到對(duì)稱(chēng)，減少對(duì)外參數(shù)的不對(duì)稱(chēng)。

（2）可以采用反饋控制的方法，通過(guò)負(fù)反饋解決兩路輸出外特性差異，從而讓兩路參數(shù)實(shí)現(xiàn)一致。

1 開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)均流原理與實(shí)現(xiàn)策略

為確保輸出外特性的穩(wěn)定，既要考慮采用并聯(lián)拓?fù)浜笏鶐?lái)的各路不對(duì)稱(chēng)差異，也要考慮采用負(fù)反饋控制回路消除各路差異，從而確保整個(gè)供電系統(tǒng)能夠在一個(gè)允許的輸出范圍內(nèi)安全運(yùn)行。目前常用的并聯(lián)均流技術(shù)有下垂均流法、主從均流法、平均電流自動(dòng)均流法以及最大電流自動(dòng)均流法等。

1.1 下垂均流法

如圖3所示，下垂均流法的檢測(cè)電路由電流放大器、電壓放大器以及檢測(cè)電阻組成。Rs為輸出電流的采樣電阻，Uf為電源模塊的輸出反饋電壓。電壓放大器充當(dāng)比較器，Ue輸出誤差電壓信號(hào)控制單元輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的均衡控制。由于參數(shù)一致性要求很高，故下垂均流法在低電流時(shí)均流效果不佳，但在大電流時(shí)能基本維持各個(gè)模塊間電流的均衡供電。總之，下垂均流法會(huì)使得負(fù)載調(diào)整率降低，且受到參數(shù)一致性要求高的約束，故不適合在輸出特性要求高的場(chǎng)合使用。

1.2 平均電流自動(dòng)均流法

如圖4所示，平均電流自動(dòng)均流法需要外部控制器，并需要通過(guò)一條公共的均流母線(xiàn)接到所有電源模塊上。該方式是通過(guò)反饋的方式進(jìn)行控制，電壓放大器的輸入是兩個(gè)參數(shù)的比較，通過(guò)電壓比較得到誤差電壓Ue。均流控制器比較來(lái)自均流母線(xiàn)的電流信號(hào)與各個(gè)模塊單元電流，并調(diào)整模塊單元電壓放大器的基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的均衡電流分配。各個(gè)模塊電流檢測(cè)器經(jīng)過(guò)電阻R驅(qū)動(dòng)公共母線(xiàn)，如果各分路電阻不同，均流控制器將感知到等效負(fù)載電流不平衡，并調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓，所有電阻連接點(diǎn)是平均負(fù)載電流參與的表現(xiàn)，因此，平均電流自動(dòng)均流法是單模塊負(fù)載電流與平均電流相比較，調(diào)節(jié)電壓放大器的基準(zhǔn)電壓而實(shí)現(xiàn)均流。在沒(méi)有均流的情況下電阻R上存在電壓，當(dāng)電阻上沒(méi)有電壓就表示已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了均流。雖然使用平均電流自動(dòng)均流法可以實(shí)現(xiàn)精確的電流均流，但是當(dāng)任何一個(gè)供電單元出現(xiàn)過(guò)電流的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)母線(xiàn)電壓降低。這時(shí)為了實(shí)現(xiàn)均流，各個(gè)模塊的反饋控制都會(huì)降低電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)增加輸出電流從而實(shí)現(xiàn)均流的目的。如果出現(xiàn)某單元短路則會(huì)出現(xiàn)輸出電流急劇升高損壞負(fù)載的情況，故有必要設(shè)置過(guò)電流保護(hù)電路。

1.3 主從均流法

如圖5所示，主從均流法是一種適用于有電流型控制的開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)。主從均流控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中電流控制環(huán)是內(nèi)環(huán)，電壓控制環(huán)為外環(huán)。在設(shè)置控制的時(shí)候，首先選擇一個(gè)主模塊，其余作為從模塊，主模塊按照電壓控制規(guī)律，從模塊作為電流源。在圖中所示的系統(tǒng)中，某模塊設(shè)置為主模塊，其余為從模塊。在主模塊部分，按電壓規(guī)律控制反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓放大器產(chǎn)生誤差信號(hào)，從模塊的電壓放大器工作在電壓跟隨器模式。主從均流技術(shù)有利于簡(jiǎn)化電流模式控制。由于誤差電壓信號(hào)Ue與負(fù)載電流成正比，如果各個(gè)模塊輸出電壓設(shè)計(jì)相似，誤差電壓將使所有單元成為相同負(fù)載電流的電流源。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載電流均勻分配但無(wú)冗余，如果主模塊出現(xiàn)故障損壞則整個(gè)并聯(lián)供電系統(tǒng)將失效。

1.4 最大電流自動(dòng)均流法

最大電流自動(dòng)均流法是平均電流自動(dòng)均流法和主從均流法的聯(lián)合使用。最大電流模塊與各模塊電流進(jìn)行比較，并適當(dāng)調(diào)節(jié)電壓基準(zhǔn)，以修正負(fù)載電流分配的不均勻。其原理圖只是把圖4中的采樣電阻R換為一個(gè)二極管，其余無(wú)差異。由于二極管的單向?qū)щ娦?，在出現(xiàn)不均流的時(shí)候，二極管的電流會(huì)出現(xiàn)一個(gè)突增，輸出電流最大的模塊會(huì)成為主模塊。但是與主從均流法不同的是，主模塊是不斷變化的，任何輸出電流最大的模塊都可以是主模塊，故某個(gè)模塊失效不會(huì)引起系統(tǒng)癱瘓。目前暢銷(xiāo)的歐姆龍S8VK-G系列開(kāi)關(guān)電源在配置S8VK-R冗余模塊后，能實(shí)現(xiàn)最大電流自動(dòng)均流功能。

2 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)關(guān)電源使用廣泛且功率要求不斷提高，故采用輸出并聯(lián)均流技術(shù)對(duì)于開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用發(fā)展具有重要意義。各種開(kāi)關(guān)電源的并聯(lián)均流技術(shù)需要有選擇性使用，從而不斷提高供電系統(tǒng)的輸出功率額度和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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