開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)字均流技術(shù)

摘要：分布式電源系統(tǒng)應(yīng)用中，并聯(lián)開關(guān)變換器模塊間需要采用均流措施，它是實(shí)現(xiàn)大功率電源和冗余電源的關(guān)鍵。主要討論了電源模塊并聯(lián)系統(tǒng)均流控制的數(shù)字化問題，提出了基于CAN總線的電源模塊間實(shí)時(shí)通信方案。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；均流控制；數(shù)字化；控制器局域網(wǎng)

 Digital Control Scheme for Load Share in a Parallel System of SMPS

WU Guo-zhong, PAN Guan- li 

Abstract:The measure of current sharing is needed in distributed power application systems. It is the key of realizing big and redundancy power systems. The problems of digitizing the current sharing of parallel control system are discussed,and a real? time communication plan between power modules based on CAN bus is brought forward.

 Keywords:SMPS; Current sharing; Digitization; CAN 

1  引言

    電源系統(tǒng)的發(fā)展方向之一是用分布式電源系統(tǒng)取代集中式電源系統(tǒng)。這是因?yàn)榉植际诫娫聪到y(tǒng)具有更多的優(yōu)點(diǎn)，比如易于擴(kuò)充輸出功率容量、可靠性高、使電源保持高的效率和較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、便于維護(hù)等。但是外特性不同的電源模塊并聯(lián)工作時(shí)，如果不采取一定的均流措施，每個(gè)模塊的輸出電流將出現(xiàn)分配不均的情況，外特性好的電源模塊將承擔(dān)更多的電流，甚至過載，從而降低了可靠性；分擔(dān)電流小的模塊可能處在效率不高的工作狀態(tài)。因此必須采取均流措施。

    同時(shí)分布式電源系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)技術(shù)提出了更高的要求：

    1）并聯(lián)模塊間的自動(dòng)均流技術(shù)；

    2）模塊的智能化技術(shù)。

    電源模塊的數(shù)字化能夠提高其可靠性和產(chǎn)品一致性等工程問題，并且有利于實(shí)現(xiàn)智能化，是應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展方向。

2  平均電流法

    目前常用的均流方法有：輸出阻抗法、主從設(shè)置法、平均電流法、最大電流法、熱應(yīng)力自動(dòng)均流法和采用均流控制器的方法等。為了提高電源系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，采用的均流方法最好有如下特點(diǎn)：

    1）單個(gè)模塊的故障不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行；

    2）模塊之間自動(dòng)實(shí)現(xiàn)均流，無需人為的調(diào)整和設(shè)定，無需模塊之外控制器的介入。

    考慮到均流算法和數(shù)字化的特點(diǎn)和互補(bǔ)性，本系統(tǒng)選用平均電流法。這種方法是將并聯(lián)工作的每個(gè)模塊電流值取平均后，將平均電流值送給每個(gè)模塊。各模塊都以這個(gè)平均電流值為目標(biāo)自動(dòng)調(diào)節(jié)自己的輸出電流，從而達(dá)到均流的目的。圖1畫出了N個(gè)并聯(lián)模塊中一個(gè)模塊按平均電流自動(dòng)均流的控制電路原理圖。并聯(lián)各模塊的電流放大器輸出端，通過一個(gè)電阻R，接到均流母線上。如圖1所示，電壓放大器輸入為Vr′是基準(zhǔn)電壓Vr和均流控制電壓Vc的綜合，它與Vf進(jìn)行比較放大后，產(chǎn)生電壓誤差Ve，控制PWM及驅(qū)動(dòng)器。Vi為電流放大器的輸出信號(hào)，和每個(gè)模塊的負(fù)載電流成正比，Vb為母線電壓。當(dāng)N=2時(shí)，也就是兩個(gè)模塊并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)下，Vi1和Vi2分別為模塊1和2的電流信號(hào)，都經(jīng)過阻值為R的電阻接到母線b，母線電流I值計(jì)算如下：

     I=(Vi1－Vb)/R＋(Vi2－Vb)/R   (1)

圖1  平均電流法自動(dòng)均流控制原理圖

圖2  82C250的功能框圖  [!--empirenews.page--]

    當(dāng)母線電流I=0時(shí)，由式(1)得

     Vb=(Vi1＋Vi2)/2    （2）

    母線電壓Vb是Vi1和Vi2的平均值。也代表了模塊1，2的輸出電流平均值。代表均流誤差的Vi與Vb之差，經(jīng)過調(diào)節(jié)放大器，輸出調(diào)整電壓Vc，Vc值可正可負(fù)。當(dāng)Vb=Vi時(shí)，電阻R上的電壓為零，調(diào)整電壓Vc=0，實(shí)現(xiàn)了均流。一旦模塊間的電流分配不均勻，Vb≠Vi，電阻R承受電壓，此時(shí)Vr′=Vr±Vc，電路通過調(diào)整放大器改變Vr′，以達(dá)到均流目的。

    這種方法能夠精確地實(shí)現(xiàn)均流，但是，若采用模擬方法實(shí)現(xiàn)時(shí)，也會(huì)有一些特殊問題，比如當(dāng)均流母線發(fā)生短路，或接在母線上的任何一個(gè)模塊不能工作時(shí)，均流母線電壓下降，將促使各模塊電壓下調(diào)，甚至達(dá)到下限，造成故障。若采用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)，用通信的方法獲得所有并聯(lián)模塊的平均電流值，再用這個(gè)平均電流值與模塊電流值比較，比較的結(jié)果用來補(bǔ)償電壓基準(zhǔn)，則可防止上述情況的出現(xiàn)。采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)這種方法能夠揚(yáng)長避短，具有很大優(yōu)越性。

3  數(shù)字均流控制的實(shí)現(xiàn)

    采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)均流控制具有控制方法靈活的特點(diǎn)，很容易做到單個(gè)模塊故障時(shí)不影響與其并聯(lián)的其它模塊的正常運(yùn)行。而要實(shí)現(xiàn)模塊之間的自動(dòng)均流，則模塊之間的數(shù)據(jù)交換是必需的功能。采用數(shù)字方式，則這種交換數(shù)據(jù)的簡單形式一般就是通信。因此，模塊之間的通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字均流的關(guān)鍵技術(shù)。采用何種通信方式、制訂怎樣的通信協(xié)議，既能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠和高速交換又能使通信接口簡單，便是數(shù)字均流技術(shù)首先要研究的內(nèi)容。

    許多單片機(jī)（包括DSP控制器）都有內(nèi)置通信模塊。選用這些單片機(jī)片內(nèi)的通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，無論對(duì)于增加可靠性，還是簡化軟硬件設(shè)計(jì)都有很大的幫助。TMS320X241DSP控制器具有較高的A/D轉(zhuǎn)換速率、較小的封裝，并且?guī)в蠧AN模塊?？勺鳛橹麟娐返目刂坪诵?。

    CAN屬總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。由于CAN具有以上一些特點(diǎn)，對(duì)于100ms級(jí)響應(yīng)時(shí)間的均流控制來說，能夠滿足其實(shí)時(shí)通信的要求。通過CAN，我們能夠?qū)崿F(xiàn)并聯(lián)工作的各電源模塊之間的數(shù)據(jù)通信，而且硬件接口簡單，圖2為CAN控制器與物理總線之間的接口電路82C250的功能框圖。82C250能夠提供對(duì)總線的差動(dòng)接收和發(fā)送功能，以實(shí)現(xiàn)總線上各節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離，最高通信速率達(dá)1Mbps。

4  CAN的協(xié)議模型和自定義的高層協(xié)議

    上面的硬件實(shí)現(xiàn)方案中，CAN只采用了OSI參考模型的兩層協(xié)議——物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，它僅實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間無差錯(cuò)的數(shù)據(jù)傳輸。因此，其它層的協(xié)議需要我們自己定義。

    以下是針對(duì)開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)字均流控制制訂的部分高層協(xié)議：

    1）允許參加并機(jī)的模塊總數(shù)不超過8個(gè)，每個(gè)模塊擁有1個(gè)3位的地址編碼，模塊的地址編碼不允許重復(fù)。

    2）每個(gè)模塊都以自身的地址碼作為發(fā)送數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)。

    3）模塊向外發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，應(yīng)包含自身的地址碼信息。

    4）所有的數(shù)據(jù)都以廣播形式向總線發(fā)送，同時(shí)回收自己發(fā)送的數(shù)據(jù)，若發(fā)現(xiàn)發(fā)送和回收的數(shù)據(jù)不符，則立即重發(fā)。

    5）對(duì)每個(gè)模塊而言，上電后1s內(nèi)若未接收到任何通信信息，則在1s計(jì)時(shí)結(jié)束后，延時(shí)發(fā)送自身的地址碼及電流采樣值（可能為零）。這個(gè)延時(shí)發(fā)送時(shí)間（tdelay）的計(jì)算公式為

          tdelay=T1×MADDR      （3）

式中：T1為單位延時(shí)時(shí)間常數(shù)，該值可以根據(jù)通信速率合理定義；

      MADDR為模塊自身地址編碼。

    6）從模塊上電后第一次接收到通信信息（可能為自身發(fā)送的信息）起，每隔40ms向外發(fā)送自身地址碼和電流采樣值。如發(fā)生沖突，CAN會(huì)根據(jù)每個(gè)模塊信息的優(yōu)先級(jí)自動(dòng)調(diào)整發(fā)送順序。由于每個(gè)模塊發(fā)送信息的優(yōu)先級(jí)都不相同，因此它們會(huì)自動(dòng)按一定的次序發(fā)送出去。

    7）每個(gè)模塊在自身發(fā)送信息10ms之后，計(jì)算出并聯(lián)工作的模塊總數(shù)，并求出所有采樣電流的平均值，通知模塊的控制環(huán)節(jié)。由于CAN高速的通信能力和極低的出錯(cuò)率，10ms之內(nèi)所有的模塊都能將電流采樣值發(fā)送出去讓每個(gè)模塊接收到。

    8）模塊檢測(cè)到自身出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)及時(shí)切斷輸出，并退出通信。

    結(jié)合上面制訂的高層的通信協(xié)議和平均電流均流算法，模塊之間傳輸數(shù)據(jù)類型和數(shù)量，模塊內(nèi)部對(duì)這些數(shù)據(jù)的處理方法都可以得到解決。

5  結(jié)語

    平均電流法可實(shí)現(xiàn)精確的均流控制，上述數(shù)字均流技術(shù)已成功地應(yīng)用在開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)中。實(shí)踐表明，在滿足輸出電壓要求的同時(shí)也達(dá)到了很好的均流精度，提高了電源系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力。采用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)均流能夠避免模塊發(fā)生故障時(shí)影響整個(gè)系統(tǒng)工作的現(xiàn)象，揚(yáng)長避短，具有很大的優(yōu)勢(shì)。