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(lián)輸出串聯(lián)電源系統(tǒng)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(xué)多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 211106）

為了使輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)電源系統(tǒng)同時(shí)具備模塊級(jí)和系統(tǒng)級(jí)冗余能力，提出低冗余高可靠超寬電壓范圍電路結(jié)構(gòu)及其控制方法?；趦杉?jí)式電路和多模塊串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)超寬電壓輸出，通過(guò)模塊級(jí)部分子電路冗余設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)模塊級(jí)和系統(tǒng)級(jí)+雙重冗余，使得功率模塊部分失效或多個(gè)模塊全部失效時(shí)系統(tǒng)仍具有全電壓、全功率輸出能力。進(jìn)一步提出模塊化電源系統(tǒng)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(yīng)力均衡、并使得輸出電壓在目標(biāo)值范圍內(nèi)，集中控制確?？傒敵鲭妷壕?。該文詳細(xì)分析所提電路結(jié)構(gòu)及其控制策略的原理、特性和實(shí)現(xiàn)方案，并通過(guò)0～1 000 V/50 kW輸出電源系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提方案的有效性。

低冗余 高可靠 輸入并聯(lián)輸出串聯(lián) 下垂控制

0 引言

電源系統(tǒng)是國(guó)防裝備的重要組成部分。戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、工況復(fù)雜，提高電源系統(tǒng)的裝備適應(yīng)性和環(huán)境適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)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(shí)工況高可靠性要求[1]。

通過(guò)元件、電路和系統(tǒng)等不同層面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠在一定程度上提高電源系統(tǒng)的可靠性，但依然無(wú)法保證電源系統(tǒng)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(nèi)部開(kāi)關(guān)旁路的方法可以避免串并聯(lián)系統(tǒng)串聯(lián)端口的模塊開(kāi)路導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行的問(wèn)題，但是電路的損耗大幅增加[2]。冗余設(shè)計(jì)是提高裝備電源系統(tǒng)可靠性的有效方法[3-4]。通過(guò)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(tǒng)功能不受損失。然而，傳統(tǒng)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(tǒng)的體積、質(zhì)量，增加了電源系統(tǒng)整體的成本[5-6]。對(duì)于模塊化電源系統(tǒng)，基于+冗余設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整備份模塊的數(shù)量，能夠有效減小整個(gè)系統(tǒng)冗余所付出的體積、質(zhì)量和成本[7-8]。但若要同時(shí)在模塊級(jí)和系統(tǒng)級(jí)實(shí)現(xiàn)冗余和備份設(shè)計(jì)，則仍不能避免系統(tǒng)體積、質(zhì)量和成本的大幅增加。通過(guò)電路結(jié)構(gòu)的在線重構(gòu)，在部分元件失效時(shí)利用未失效器件構(gòu)建新的電路結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)故障運(yùn)行，可以在降低電源系統(tǒng)冗余度的同時(shí)提高其可靠性[2, 9-10]。例如，可以在全橋電路部分開(kāi)關(guān)器件失效時(shí)，將其運(yùn)行于半橋電路模式[2, 11]。但這種方式需要按照極端故障運(yùn)行模式選擇電路元件，過(guò)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(xué)者提出通過(guò)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(gòu)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(zhì)量，但如何設(shè)計(jì)與電源系統(tǒng)特性相匹配的冗余結(jié)構(gòu)，以及如何降低冗余電路所帶來(lái)的影響，依然是實(shí)際應(yīng)用中所面臨的難題。

模塊化串并聯(lián)系統(tǒng)是擴(kuò)展電源系統(tǒng)電壓、電流和功率輸出能力的有效手段[14]。如何實(shí)現(xiàn)各串并聯(lián)模塊的電壓、電流和功率應(yīng)力均衡，是模塊化串并聯(lián)系統(tǒng)所特有的問(wèn)題。采用集中式電壓電流控制器，可以較容易地實(shí)現(xiàn)各串并聯(lián)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(tǒng)的分布式特性，若集中控制器失效，則整個(gè)電源系統(tǒng)失效，降低了電源系統(tǒng)可靠性。針對(duì)多模塊輸出并聯(lián)系統(tǒng)，基于下垂控制的分布式控制方法在各類(lèi)研究中得到了廣泛應(yīng)用[16-17]。為了彌補(bǔ)下垂控制所帶來(lái)的輸出電壓精度下降問(wèn)題，可以利用集中控制器和低帶寬通信進(jìn)行二次補(bǔ)償[18-19]。此時(shí)雖然也采用了集中控制器，但集中控制器的失效不會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文基于模塊化輸入并聯(lián)-輸出串聯(lián)（Input-Parallel Output-Series, IPOS）結(jié)構(gòu)，提出低冗余、高可靠的超寬輸出電壓范圍IPOS電源電路結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了分布-集中混合式的控制方法，使得電源系統(tǒng)中任意功率模塊或局部受損時(shí)仍具有全電壓、全功率輸出能力，實(shí)現(xiàn)了電源系統(tǒng)的高可靠性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與工作原理

1.1 傳統(tǒng)雙重冗余電路結(jié)構(gòu)

雙冗余寬輸出電壓范圍電路拓?fù)浼捌銲POS系統(tǒng)如圖1所示。LLC級(jí)聯(lián)Buck變換器能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電壓從0到設(shè)計(jì)值之間連續(xù)寬范圍調(diào)節(jié)，因此在寬電壓范圍場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)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(lián)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(shí)由備份電路取代。

圖1 雙冗余寬輸出電壓范圍電路拓?fù)浼捌銲POS系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)輸出電壓和功率按需擴(kuò)展，同時(shí)使得電源系統(tǒng)具備冗余供電能力，以圖1a電路為標(biāo)準(zhǔn)模塊，并采用圖1b所示的+冗余IPOS結(jié)構(gòu)，其中，為電源系統(tǒng)正常工作所需模塊數(shù)量，為備份的冗余模塊數(shù)量。

圖1所示電路和系統(tǒng)方案不僅能夠?qū)崿F(xiàn)超寬電壓范圍輸出、輸出電壓和功率按需擴(kuò)展，而且功率模塊和電源系統(tǒng)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(huì)影響電源系統(tǒng)輸出能力。然而，為了實(shí)現(xiàn)模塊級(jí)和系統(tǒng)級(jí)雙重冗余，需要增配大量的備份電路和功率模塊，整個(gè)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功率容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于額定輸出功率容量，大大增加了電源系統(tǒng)體積和質(zhì)量。以=8、=3為例，電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功率容量將是其額定輸出功率容量的2.75倍。

1.2 改進(jìn)的低冗余電路結(jié)構(gòu)

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出的低冗余寬輸出LLC級(jí)聯(lián)Buck電路及其IPOS電源系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 提出的低冗余電路拓?fù)浼捌銲POS系統(tǒng)

為了解決主電路整體備份導(dǎo)致的模塊功率容量和體積加倍的問(wèn)題，本文提出了基于電路子單元冗余備份的設(shè)計(jì)方法。如圖2a所示，在電路一次側(cè)將全橋LLC分解為輸入并聯(lián)的雙半橋結(jié)構(gòu)，然后以半橋電路為基本單元，只需要額外增加一個(gè)由S5、S6構(gòu)成的半橋諧振電路單元，即可實(shí)現(xiàn)一次側(cè)全橋開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的冗余備份，單個(gè)半橋開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)失效，變換器輸出能力不受影響，即僅通過(guò)半橋電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)全橋電路的備份，減少了冗余單元。變換器二次側(cè)三路輸出等效串聯(lián)后級(jí)聯(lián)三輸入Buck開(kāi)關(guān)單元。正常情況下，與備份半橋單元級(jí)聯(lián)的由Sb3和VDb3構(gòu)成的Buck開(kāi)關(guān)單元不工作，其余兩個(gè)Buck開(kāi)關(guān)單元正常工作。串聯(lián)冗余備份電路結(jié)構(gòu)使得二次側(cè)電路中任意開(kāi)關(guān)器件損壞時(shí)變換器輸出能力不受影響，變換器具備模塊級(jí)冗余供電能力。

圖3給出了模塊電路一次側(cè)上管短路故障與二次側(cè)二極管開(kāi)路故障的重構(gòu)過(guò)程。如圖3a所示，S3發(fā)生短路故障，將S4與Sb2關(guān)斷，S5、S6與Sb3開(kāi)始切入系統(tǒng)工作；圖3b中，當(dāng)VDb2發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，將S3、S4關(guān)斷，二次側(cè)整流橋代替原來(lái)的VDb2保證電路正常運(yùn)行。

圖3 模塊電路重構(gòu)拓?fù)?/p>

在圖2a中的冗余電路單元采取了等效串聯(lián)輸出結(jié)構(gòu)，當(dāng)多功率模塊構(gòu)成IPOS系統(tǒng)時(shí)，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(tǒng)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(shí)也可以提供系統(tǒng)級(jí)的冗余能力，系統(tǒng)級(jí)無(wú)需設(shè)置多余的冗余功率模塊，而當(dāng)其中任意功率模塊失效時(shí)，電源系統(tǒng)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(lián)結(jié)構(gòu)提供了低冗余、高可靠性能力，同時(shí)開(kāi)關(guān)器件應(yīng)力更低，但冗余串聯(lián)模塊會(huì)額外增加續(xù)流二極管導(dǎo)通損耗，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以采用同步整流技術(shù)降低其影響。

綜上所述，以圖2a所示電路為基本功率模塊構(gòu)建IPOS超寬電壓范圍電源系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)模塊級(jí)和系統(tǒng)級(jí)雙重冗余，功率模塊和電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功率容量?jī)H為實(shí)際額定輸出功率容量的1.5倍，即僅通過(guò)增加50%的功率電路，就實(shí)現(xiàn)了功率模塊和電源系統(tǒng)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(jià)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)電源系統(tǒng)的高可靠性。

1.3 功率模塊調(diào)制策略

圖2a所示電路中，正常情況下備份模塊無(wú)需工作，三輸入Buck電路中開(kāi)關(guān)管Sb3保持關(guān)斷狀態(tài)，電感電流經(jīng)二極管VDb3續(xù)流，電流無(wú)需流經(jīng)對(duì)應(yīng)LLC二次側(cè)整流橋。其余兩個(gè)開(kāi)關(guān)管Sb1和Sb2可以采用交錯(cuò)180°開(kāi)關(guān)調(diào)制模式，調(diào)制策略如圖4所示，圖4中，c1、c2和c3分別為對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管Sb1、Sb2和Sb3的載波，m為與載波交截的控制信號(hào)，gsb1、gsb2和gsb3分別為開(kāi)關(guān)管Sb1、Sb2和Sb3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖4 調(diào)制策略

然而，如果采用交錯(cuò)開(kāi)關(guān)調(diào)制模式，備份單元中開(kāi)關(guān)管Sb3工作時(shí)的相位則需要根據(jù)電路的故障模式進(jìn)行設(shè)置。例如，當(dāng)Sb1或Sb2故障時(shí)，c3需要設(shè)置成與載波c1或c2相同；若其他功率模塊故障，需要啟動(dòng)該模塊中的Sb3時(shí)，需要同時(shí)調(diào)整c1、c2和c3的相位相互交錯(cuò)120°。這需要復(fù)雜的故障檢測(cè)電路配合，還需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整各載波的相位，導(dǎo)致控制實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文采用圖4b所示載波層疊調(diào)制策略。當(dāng)輸出電壓較低時(shí)，只需要開(kāi)關(guān)管Sb1高頻開(kāi)關(guān)，Sb2和備份單元中的開(kāi)關(guān)管Sb3都保持關(guān)斷。當(dāng)Sb1故障或者輸出電壓升高使得Sb1占空比達(dá)到1時(shí)，Sb2開(kāi)始高頻開(kāi)啟。而當(dāng)Sb2故障或者輸出電壓升高使得Sb2占空比達(dá)到1時(shí)，Sb3開(kāi)始高頻開(kāi)啟。

2 電源系統(tǒng)分布-集中混合式控制策略

2.1 分布式無(wú)主從均壓下垂控制策略

IPOS電源系統(tǒng)中各功率模塊的分布式無(wú)主從控制，是實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)按需擴(kuò)展、高可靠和故障冗余的關(guān)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(shù)，p為PWM環(huán)節(jié)增益，()為功率電路傳遞函數(shù)，outi為模塊總輸出電壓采樣系數(shù)，outref為總輸出電壓參考值，若各模塊均對(duì)總輸出電壓進(jìn)行控制，由于器件參數(shù)的離散性，很難保證各模塊工作狀態(tài)的一致性?？紤]將各模塊控制環(huán)節(jié)參數(shù)的不一致歸一化為采樣系數(shù)outi的偏差，則等效outi值越大的模塊優(yōu)先輸出，并首先達(dá)到模塊最大輸出電壓，其余各模塊也依據(jù)等效outi由大至小的順序逐次輸出，直至有一個(gè)模塊使總輸出電壓達(dá)到參考值。

圖5 直接采樣輸出總電壓控制框圖

以三個(gè)模塊IPOS系統(tǒng)為例，假設(shè)各模塊等效采樣系數(shù)滿足out1＞out2＞out3，采用圖5控制方案時(shí)，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(dāng)總輸出電壓out=1.5om時(shí)，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(fā)現(xiàn)，各模塊同時(shí)調(diào)節(jié)總輸出電壓會(huì)導(dǎo)致模塊間電壓的嚴(yán)重不均衡。為此，將各模塊自身輸出電壓oi作為下垂調(diào)節(jié)的參數(shù)，對(duì)各模塊總輸出電壓基準(zhǔn)進(jìn)行微調(diào)，基于下垂特性的自主均壓控制策略如圖7所示，則穩(wěn)態(tài)時(shí)模塊和系統(tǒng)總輸出電壓關(guān)系滿足

式中，kd為下垂系數(shù)。

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(shù)偏差但反比于下垂系數(shù)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(shù)的偏差。仍以3個(gè)模塊IPOS系統(tǒng)為例，由式（2）得到模塊輸出電壓與總輸出電壓關(guān)系曲線如圖8所示。顯然，無(wú)論總輸出電壓為何值，各模塊均同時(shí)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(dǎo)致輸出電壓跌落，實(shí)際總輸出電壓與參考電壓之間滿足

顯然，下垂系數(shù)越大，各模塊輸出電壓越高，實(shí)際總輸出電壓偏離其目標(biāo)值越遠(yuǎn)。因此，下垂控制可以實(shí)現(xiàn)IPOS系統(tǒng)的分布式自主控制，無(wú)需集中控制器即可使得輸出電壓達(dá)到設(shè)定值范圍內(nèi)，且保證各模塊輸出電壓均衡，保證系統(tǒng)良好的可擴(kuò)展性和故障冗余性。但僅依靠下垂控制，則損失了系統(tǒng)總輸出電壓精度，若對(duì)系統(tǒng)總輸出電壓精度有特殊要求，則需要進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行調(diào)控。

2.2 低帶寬通信總輸出電壓校正調(diào)節(jié)

為了保證總輸出電壓精度，可以依托低帶寬通信對(duì)總輸出電壓進(jìn)行校正。這可以利用各模塊間的通信實(shí)現(xiàn)，也可以利用上層總控制器實(shí)現(xiàn)。利用上層總控制器和低帶寬通信實(shí)現(xiàn)總輸出電壓校正控制如圖9所示，其中o()為上層控制的調(diào)節(jié)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(zhǔn)，即上層控制器通過(guò)對(duì)各模塊的總輸出電壓基準(zhǔn)進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)總輸出電壓精確調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)帶寬遠(yuǎn)低于模塊本地控制環(huán)路的帶寬，對(duì)各模塊自身控制環(huán)路不造成影響。上層控制器實(shí)際為IPOS系統(tǒng)的集中控制環(huán)節(jié)，若該環(huán)節(jié)失效，僅影響系統(tǒng)輸出電壓的精度，各模塊仍可以按照?qǐng)D7方式正常運(yùn)行。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)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(tǒng)的工作原理與控制策略，搭建了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，系統(tǒng)主要參數(shù)見(jiàn)表1，整個(gè)系統(tǒng)由8個(gè)功率模塊IPOS連接構(gòu)成，系統(tǒng)總輸出電壓DC 0～DC 1 000 V連續(xù)可調(diào)，額定輸出功率50 kW。

單個(gè)功率模塊采用圖2a所示電路實(shí)現(xiàn)，其中LLC和Buck電路開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)頻率均為150 kHz，包括備份單元在內(nèi)，單個(gè)功率模塊的最大輸出電壓為200 V。單個(gè)模塊和整個(gè)電源系統(tǒng)的照片分別如圖10a、圖10b所示。

表1 電源系統(tǒng)主要參數(shù)

Tab.1 Parameters of the power system

圖10 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

圖11給出了其中一個(gè)功率模塊的故障冗余實(shí)驗(yàn)波形。圖11a中，模塊輸出電壓為120 V，正常情況下開(kāi)關(guān)管Sb1直通、Sb2高頻開(kāi)關(guān)，模擬Buck開(kāi)關(guān)管Sb1故障，從圖中可以看到，故障發(fā)生后Sb2轉(zhuǎn)為直通、備份單元開(kāi)關(guān)管Sb3高頻開(kāi)關(guān)，模塊輸出電壓保持不變。圖11b中，在模塊輸出電壓為120 V時(shí)模擬Buck開(kāi)關(guān)管Sb2故障，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，當(dāng)Sb2故障后，開(kāi)關(guān)管Sb1仍保持直通，Sb3取代Sb2高頻開(kāi)關(guān)，模塊輸出電壓保持不變。圖11實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，備份開(kāi)關(guān)單元同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)其他兩個(gè)單元的冗余備份，模塊部分受損時(shí)仍正常輸出。

圖12給出了在單模塊o=25 V時(shí)Sb1、Sb2依次故障的實(shí)驗(yàn)波形。從圖中可知，Sb1故障后，Sb2自動(dòng)取代Sb1，而Sb2進(jìn)一步故障后，Sb3則自動(dòng)取代Sb2。這表明，采用圖2a所示單元式電路結(jié)構(gòu)，使得功率模塊具備多重冗余能力，保證了模塊級(jí)高可靠性。

圖11 功率模塊實(shí)驗(yàn)波形

圖12 功率多次故障實(shí)驗(yàn)波形

圖13給出了3個(gè)模塊IPOS系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形，其中圖13a為集中控制器失效的實(shí)驗(yàn)波形，圖13b為集中控制器正常運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)波形。采用分布式下垂控制，3個(gè)模塊輸出串聯(lián)時(shí)，無(wú)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(shí)，若集中控制器失效，如圖13a所示，下垂控制調(diào)節(jié)其余模塊增加模塊輸出電壓，保證總輸出電壓滿足負(fù)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(huì)使總輸出電壓緩慢恢復(fù)至跌落前的電壓值。

圖14給出了8個(gè)模塊IPOS系統(tǒng)在out=1 000 V時(shí)部分模塊故障恢復(fù)時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。由圖14可知，其中一個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文所提出的IPOS電源系統(tǒng)具備系統(tǒng)級(jí)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(shí)驗(yàn)波形

圖14 Vout=1 000 V時(shí)故障重構(gòu)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形

圖14給出了單模塊在額定電壓125 V時(shí)的效率曲線和滿載情況時(shí)的損耗分布。如圖15a所示，當(dāng)o＞20 A時(shí)，模塊的效率均高于96%，最高效率能達(dá)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(qū)動(dòng)及PCB損耗等。

圖16給出了IPOS電源系統(tǒng)在最大1 000 V輸出時(shí)的效率曲線，系統(tǒng)最高效率約為96.5%，且大部分負(fù)載范圍內(nèi)效率高于95%。相比單模塊，多模塊串聯(lián)組合后連接線導(dǎo)致系統(tǒng)效率略有下降，但整機(jī)效率仍然很高。相比并聯(lián)冗余方案，本文采用串聯(lián)冗余方案使得電流流經(jīng)更多的器件，但器件電壓應(yīng)力大幅降低，可以采用更低導(dǎo)通電阻、更優(yōu)開(kāi)關(guān)性能的低壓器件，而冗余串聯(lián)模塊中的續(xù)流二極管采用同步整流管后，其引入的附加導(dǎo)通損耗很小，從而保證了模塊和整機(jī)系統(tǒng)仍能實(shí)現(xiàn)高效率。

圖15 單模塊效率和損耗分布

4 結(jié)論

本文提出了低冗余、高可靠性超寬電壓范圍IPOS電源系統(tǒng)及其控制方法。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）通過(guò)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(shè)計(jì)，使得功率模塊和電源系統(tǒng)同時(shí)具備冗余輸出能力，保證了系統(tǒng)高可靠性。

2）采用下垂控制，實(shí)現(xiàn)了IPOS電源系統(tǒng)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(tǒng)的可擴(kuò)展性和可靠性。

3）結(jié)合上層控制器和低帶寬通信，實(shí)現(xiàn)了IPOS系統(tǒng)總輸出電壓的精確校正，彌補(bǔ)了分布式下垂控制導(dǎo)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(guó)家自然科學(xué)基金（52122708）和江蘇省自然科學(xué)基金（BK20200017）資助項(xiàng)目。

2022-12-21

2023-04-27

宋 猛 男，1996年生，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。E-mail: songm@nuaa.edu.cn

吳紅飛 男，1985年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。E-mail: wuhongfei@nuaa.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠(chéng)）