背景
随着科技的发展,电子设备往往需要大容量直流电源供电。由于单个电源组件的功率容量毕竟是有限的,在需要大容量供电的情况下,如果采用单个电源,开关管与整流管的开关应力就会变得非常难以处理,散热问题也难以解决,因而设计与实现都非常困难。由于单电源供电在实现大容量和保证高可靠性方面存在困难,人们才将目光转向了分布式电源系统。所谓分布式电源系统,即是由若干小容量的电源模块组合而成的一个大容量的电源系统。从理论上说,分布式电源系统的构成可以有串联、并联以及串联与并联混合等方式,不过实际应用中通常只是对电源的输出电流要求很高,而对输出电压的要求并不高,因此相比较而言,并联电源系统得到了更广泛的应用。较之传统的单电源供电而言,并联电源具有很多优点,如可实现大容量、高效率,能够保证较高的可靠性,能够根据需要配置成为冗余系统,能够实现电源的模块化,能够实现电源容量的可扩充性,能够降低成本投入等等1。
均流控制的意义直接并联的问题并联电源系统较之传统的单电源供电有一些明显的优势,但如果将各模块直接并联的话,就会存在一些问题,这些问题主要是由于系统中参与并联各模块特性难以做到完全一致造成的。
由于工艺水平的限制以及误差的不可避免性,实际系统中参与并联的各个模块,它们彼此的参数或多或少都会有些差别,这种差别只可以尽量缩小,却难以完全避免。此外,各个模块的参数还会随着时间和温度等外界因素的变化而发生变化,而这种由于外界因素而产生的各模块参数的差别可能要比模块本身固有的差别要大的多。
鉴于系统中参与并联的各电源模块的参数无法做到完全一致,如果将模块直接并联的话,也势必很难保证各模块均匀分担负载电流,可能会出现某些模块输出的电流比较大,某些模块输出的电流比较小,甚至还有些模块可根本没有输出电流的情况。在并联电源系统中,如果各个模块输出的电流不一致,也即各个模块并没有均担负载电流的话,就可能会导致很多问题2:
首先,各个模块输出电流不一致,势必会导致某些模块输出电流比较大,相应的,这些模块所承受的电压和电流的应力也比较大,这就会使它们损坏的机率上升。其次,当系统工作在大负载状况时,如果各个模块输出电流不一致,则必然会导致其中输出电流最大的模块率先达到模块的最大电流限制,引起系统的保护动作,进而导致整个并联系统不能正常工作。此外,在动态过程中,会出现更大的输出电流不均衡现象,严重时甚至能够导致系统无法稳定工作。
均流控制的一般原理对于多个DC/DC模块并联的电源系统,参与并联的每个模块都可以等效为一个电压源(代表空载电压)和一个电阻(代表输出电阻)的串联,这种等效方法可以为进一步研究DC/DC并联时的电流分布情况提供便利。通过计算可准确获得两个并联DC/DC模块之间的输出电流差值。如果针对两个模块并联的情况,要么空载电压存在差别,要么输出电阻存在差别,而非两者同时存在差别。更一般的,如果不是两个模块而是多个模块并联,如果各模块的空载电压和输出电阻都存在差别,那么,输出电流的情况就可想而知了。因此,在采用并联技术实现分布式电源系统的同时,必须采取一定的措施来保证每个模块平均分担输出电流(即所谓的均流),只有这样,方能保证系统稳定可靠的工作,充分发挥并联电源的优点3。
均流的衡量标准和必要性衡量标准负载均分性能一般以不平衡度指标来衡量,不平衡度越小,其均分性能越好,即各模块实际输出电流值距系统要求值的偏离点和离散性越小。国家有关标准和信息产业部入网要求其均分负载不平衡度不大于输出额定电流值的5%。
必要性以两个Buck变换器模块并联组成的系统为例来说明一下均流的重要性。系统未加均流控制,每个Buck模块的输入电压为48V,输出电压为12V,额定电流为10A,电感值为130uH,输出电容值为110uF,开关频率为100kHz。没有采用均流措施时,两个BUCK变换器的滤波电感的寄生电阻分别取0.2欧姆,0.1欧姆。当输出电流为10A时。稳态时两个Buck模块的输出稳态电流分别为3.5A和6.5A。此时,均流误差为60%,远远超出允许值5%。不符合均流规范要求2。
考虑极端的情况,某个并联模块可能负担了系统的大部分负载,而有的模块可能没有任何输出功率。结果使得分担电流多的模块热应力增大,使用寿命降低。据专家分析,当电子元器件温度从25℃上升到5O℃时,其寿命将大为降低,仅为25℃时的1/6。因此在并联系统中,并联均流技术是其关键技术。
常见均流方法的简介从本质上讲,模块并联运行需要均流的主要原因是由于模块输出是电压源性质,输出电压的微小偏差会导致输出电流的很大差别。因此均流可以通过改变电压源的特性(使特性变软)或改变电压源的幅值来实现。从目前国内外对均流技术的研究看,在并联的电源系统中,实现均流控制常用的几种并联均流技术有以下几种:
1、下垂法(又称作输出阻抗法或者电压调整率法)
2、主/从设置法
3、平均电流自动均流法
4、最大电流自动均流法(民主均流法)
5、热应力自动均流法
6、外加均流控制器均流法
下面简单的介绍一下前几种均流方法。
下垂法下垂法是一种通过调节变换器输出阻抗(即调节外特性倾斜度),实现并联模块均流。下垂法是最简单的均流方法,在小电流时电流分配特性差,重载时分配特性要好一些,但仍是不平衡。其缺点是:电压调整率下降,为达到均流,每个模块必须个别调整;对于不同额定功率的并联模块,难以实现均流。
右图为基于外特性下垂法的均流控制电路。R为模块电流的检测电阻,与负载电阻串联。检测到的电流信号经过电流放大器输出Vi,与模块输出的反馈电压V,综合加到电压放大器的输入端。这个综合信号电压与基准电压Vr比较后,其误差经过放大得到Ve,控制脉宽调制器及驱动器,用以自动调节模块的输出电压。当某模块电流增加得多,Vi上升,Vo下降,使该模块的输出电压随着下降,即外特性向下倾斜(输出阻抗增大),接近其它模块的外特性,使其它模块电流增大,实现均流4。
主/从设置法主从设置法适用于采用电流型控制的并联开关电源系统中,所谓电流型控制是指开关电源模块中有电压控制和电流控制,形成电压/电流双闭环系统。电压环用于调节输出电压、电流环用于调节电感电流。主从设置法是在并联的n个变换器模块中,任意指定其中一个为“主模块”;其余各模块跟从主模块分配电流,称为从模块。例如以n个DC-DC变换器模块并联为例。每个模块都采用电流型控制。设其中任一模块为主模块,按电压控制规律工作,其余的n-1个模块按电流型控制方式工作。各个从模块的电流都按同一值调制,与主模块电流基本一致,从而实现了均流。
主从控制法均流的精度很高,但存在的最大缺点是一旦主控电源出现故障,整个系统将完全失控。此外,由于系统在统一的误差电压控制下,任何非负载电流引起的误差电压的变化,都会导致各并联电源电流的再分配,从而影响均流的实际精度。通常主控电源电压取样反馈回路的带宽不宜太宽,主从电源间的连线应尽量短5。
平均电流自动均流法均流控制器如右图所示。
Va与Vb之差代表均流误差,通过调整放大器输出一个调整用的电压Vc。当Va=Vb时,电阻R上的电压为零,表明这时己实现了均流。当R上有电压出现,说明模块间电流分配不均匀,Va与Vb不相等,这时基准电压将按下式修正:Vr±Vc,相当于通过调整放大器改变Vr’,以达到均流的目的。这就是按平均电流法实现自动均流的原理2。
最大电流自动均流法最大电流自动均流法与平均电流自动均流法的差别,仅在于将连接在电流放大器和均流总线之间的电阻用二极管(令a点接二极管阳极,b点接阴极)代替。这时均流母线上的电压Vb反映的是并联各电流放大器输出Vi的最大值。由于二极管的单向导通性,只有电流最大的模块,二极管才导通,a点才能与均流母线相连。设各模块分配的电流均衡的正常情况下,如果某个模块电流突然增大,成为n个模块中电流最大的一个,于是Vi上升,该模块自动成为主模块,其它各模块为从模块。通过调整放大器调整基准电压,自动实现均流2。
常见的均流方法的优劣比较前述几种均流技术,各有特点,其中输出阻抗法和最大电流自动均流法应用较为广泛,并且己有现成的集成控制芯片。下面对它们作简单的比较:
1、主从设置法均流利用双环控制,提高了均流效果,主要缺点是:(1)主从模块间必须有通讯联系,使系统复杂。(2)如果主模块失效,则整个电源系统不能工作,团此这个方法不适用于冗余并联系统。(3)电压环的带宽大,容易受外界干扰。
2、平均电流法可以精确地实现均流,但具体应用时,会出现一些特殊问题。例如,当均流母线发生短路,或接在母线上的任一个模块不能工作时,母线电压下降,将促使各模块电压下调,甚至到达其下限,结果造成故障。而当某一模块的电流上升到其极限时,该模块大幅度增大,也会使它的输出电压自动调节到下限。
3、采用外加均流控制器虽然可以获得很好的均流效果和电压调整率,但需要外加一个均流控制器,一旦它发生故障,系统将无法正常工作;而且当并联模块较多时,并联系统的连线也较多,在一定程度上也降低了系统的可靠性。基于这些原因,这种方法使用的不多。
4、下垂法不需要在并联模块电源间建立联系,是最简单的实现并联均流的方法。但它的缺点也很明显:首先它是通过改变模块等效内阻实现均流,在提高均流性能的同时会导致模块的电压调整率下降。
5、采用最大电流自动均流法的并联模块电源间不是孤立的,通过一条均流母线联系起来的。它为每一个模块电源提供了一个电流基准值,而所有并联模块电源则依据这个基准值来调整其输出电流,实现系统总电流在各并联电源中的精确均分,因而是一种优良的均流方法。
结论与展望结论首先简要的说明了均流原理,然后介绍了当前常见的几种均流方法。最后对几种均流技术优劣进行了对比。
(1)下垂法由于其简单性,在小功率电源中,被广泛应用。通过理论分析和仿真计算,对小功率场合常用的串电阻法、输出电流反馈法和有源droop法进行比较分析。最后得出,在对均流精度要求较高的场合,有源droop法是比较好的一种方案。
(2)自主均流法由于控制精度高,应用广泛,有很多专家和学者研究对其进行了详细地研究。该方法目前有四种具体实现的策略,通过对它们的结构分析,得出其中一种改进式自主均流法是其中较好的一种。
展望目前的均流方法众多,此外,随着控制芯片的不断发展,新的控制方法也不断涌现。其他均流方法需要在今后的对其适用性继续研究。