DC/DC變換器并聯(lián)均流技術(shù)（一）

摘要：開關(guān)電源多模塊并聯(lián)系統(tǒng)發(fā)揮了分布式電源供電大容量、高效率和低成本等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)提高了整個(gè)電源系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)平均分配各模塊負(fù)載電流的并聯(lián)均流技術(shù)是開關(guān)電源模塊并聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)之一。常用DC/DC并聯(lián)均流技術(shù)有無源法與有源法，有源法依據(jù)輸出電壓調(diào)節(jié)方式和均流母線產(chǎn)生方式不同而有多種組合控制方法。對(duì)目前電源并聯(lián)均流技術(shù)原理、主要均流方法進(jìn)行分析，綜述無主模塊均流控制和無均流線控制等新型均流策略，指出并聯(lián)均流技術(shù)朝著智能化、數(shù)字化方向發(fā)展的趨勢(shì)。

隨著科技的迅猛發(fā)展，大量電子設(shè)備需要安全、可靠、大容量的電源供電，單電源難以實(shí)現(xiàn)這方面的需求。分布式電源系統(tǒng)具有大容量、高效率、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)[1],其廣泛采用多模塊并聯(lián)方式，但模塊間因?yàn)榭刂茀?shù)不同，且各模塊輸出是電壓源性質(zhì)，如果沒有特殊的均流措施，輸出電壓的微小偏差會(huì)導(dǎo)致輸出電流很大的差別，一旦某個(gè)模塊過載，將造成一個(gè)或多個(gè)功率器件熱應(yīng)力過大，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為了獲得并聯(lián)電源的理想特性，已經(jīng)提出一系列并聯(lián)均流方法[2-4],現(xiàn)有的DC/DC并聯(lián)均流技術(shù)具體可分為兩大方法[1],即無源法和有源法。無源法又叫輸出阻抗法，有源法由控制方法和均流母線形成方法組合而成，其控制方法主要用來調(diào)節(jié)各并聯(lián)電源的輸出電壓，有4 種，即改變輸出電壓基準(zhǔn)或反饋，改變電流內(nèi)環(huán)的給定或反饋，同時(shí)改變輸出電壓和電流基準(zhǔn)以及采用外部閉環(huán)控制。這4 種方法對(duì)應(yīng)有4 種均流控制方法，即外環(huán)調(diào)節(jié)、內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)、雙環(huán)調(diào)節(jié)和外控制器法。從均流母線產(chǎn)生方法來看，有源法可分為兩大類，即平均法和主從法(包括指定主從法和最大電流自動(dòng)均流法)。另有結(jié)合運(yùn)用了熱學(xué)的熱應(yīng)力自動(dòng)均流法及其他均流方法。文中將從并聯(lián)均流技術(shù)和其控制方法等方面，結(jié)合其發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行綜述。

1 無源法

無源法通過調(diào)節(jié)電源模塊輸出阻抗來達(dá)到均流目標(biāo)。常用無源法控制框圖如圖1 所示。電阻Rs 檢測(cè)到的電流信號(hào)經(jīng)比較器后輸出UI ,Uf 為反饋電壓信號(hào)。

由圖1 知，當(dāng)某模塊電流增加，Us 上升，Uc 下降，該模塊輸出特性曲線向下傾斜，接近其他模塊外特性，輸出電壓隨之下降，而其他模塊電流增大，實(shí)現(xiàn)近似均流。

另一種是在負(fù)載前串入一定電阻值，為減小耗能，通常串聯(lián)熱敏電阻來實(shí)現(xiàn)近似均流，因其阻值可隨電流變化而變化，同樣可達(dá)到改變輸出阻抗的目的。

輸出阻抗法是最簡(jiǎn)單的均流方法，屬于開環(huán)控制。在小電流時(shí)電流分配特性差，隨著電流的增大，分配特性會(huì)有所改善，但仍不平衡，且以犧牲電壓調(diào)整率來個(gè)別調(diào)整每個(gè)模塊達(dá)到均流。此法可應(yīng)用在小功率、均流精度要求較高的場(chǎng)合，對(duì)于額定功率不同的并聯(lián)模塊，難以實(shí)現(xiàn)均流。

2 有源法

2.1 控制方法

2.1.1 外環(huán)調(diào)節(jié)控制法

外環(huán)調(diào)節(jié)控制法框圖如圖2(a)所示，圖中Rs 為與負(fù)載相串聯(lián)的檢測(cè)電阻;Uo , Io分別為輸出電壓和輸出電流;Uin 為輸入電壓。該方法將各模塊輸出端電流與均流信號(hào)作差進(jìn)行誤差放大，生成均流環(huán)信號(hào)，再與標(biāo)準(zhǔn)電壓相加得到的信號(hào)與輸出電壓采樣值比較后，產(chǎn)生的控制信號(hào)送入脈寬調(diào)制器。該方法中輸出電壓采樣值及電壓調(diào)節(jié)器都是獨(dú)立的，即使某個(gè)模塊不能工作也不會(huì)影響全局，所以其控制方式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置較靈活，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的擴(kuò)展和維護(hù)工作。缺點(diǎn)是：均流環(huán)帶寬比較窄，遠(yuǎn)在電壓環(huán)帶寬之下，影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)均流特性;由均流環(huán)與電壓環(huán)串聯(lián)形成三環(huán)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)困難[5],容易引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，一般不采取此種方法。

2.1.2 內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)控制法

如圖2(b)所示的內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)控制法框圖，該方法將輸出電壓與標(biāo)準(zhǔn)參考電壓比較放大后，經(jīng)過均流電阻與采樣電流值進(jìn)行比較放大后產(chǎn)生控制信號(hào)，送入電流模式控制或PWM控制環(huán)節(jié)，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓，實(shí)現(xiàn)各模塊間的均流。該方式由于均流誤差信號(hào)不經(jīng)過電壓環(huán)調(diào)節(jié)器，故與外環(huán)調(diào)節(jié)相比，響應(yīng)更快，具有穩(wěn)定性好、均流環(huán)帶寬等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是：電壓環(huán)的帶寬比較寬，造成均流母線上會(huì)出現(xiàn)豐富的高頻信號(hào);均流母線抗干擾較差，對(duì)噪聲敏感，系統(tǒng)容易不穩(wěn)定;均流母線為電壓誤差信號(hào)，電壓環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響均流性能，模塊化特性差。

2.1.3 雙環(huán)調(diào)節(jié)控制法

單母線結(jié)構(gòu)的雙環(huán)調(diào)節(jié)控制法框圖如圖2(c)所示。此方法綜合了外環(huán)與內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，可使均流達(dá)到一種迅速、且具有好的抗干擾性能的效果，但由于一般情況下均流環(huán)輸出的信號(hào)只是控制信號(hào)的一小部分，故存在輸出電壓不可調(diào)的內(nèi)在缺陷，均流環(huán)難以糾正由電壓不平衡引起的電流不均衡現(xiàn)象。

在此基礎(chǔ)上文獻(xiàn)[5]中分析了改進(jìn)式三環(huán)并行控制策略，將其應(yīng)用于并聯(lián)Boost 變換器均流控制。針對(duì)不對(duì)稱半橋DC-DC變換器，文獻(xiàn)[6]中提出將“改進(jìn)式最大電流均流法”的三環(huán)控制原理作為均流方案，設(shè)計(jì)出其并聯(lián)運(yùn)行的均流控制電路。利用同樣的方法文獻(xiàn)[7]中對(duì)3 臺(tái)48 V/12 V/10 A的Buck 樣機(jī)進(jìn)行并聯(lián)實(shí)驗(yàn)，證明了多環(huán)路設(shè)計(jì)的正確性和改進(jìn)式自主均流法的優(yōu)越性。