隨著數(shù)字儀控系統(tǒng)在工業(yè)行業(yè)的廣泛應(yīng)用，效率及可靠性更高的開關(guān)電源在數(shù)字儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也越來越多。采用單臺電源供電，電源模塊勢必在處理巨大功率的同時(shí)，因電應(yīng)力較大，而給功率器件的選擇、開關(guān)頻率和功率密度的提高帶來困難。一旦單臺電源發(fā)生故障，則導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰，所以，對于使用多個小容量開關(guān)電源進(jìn)行擴(kuò)容及冗余技術(shù)的研究尤為重要。小容量多電源并聯(lián)冗余的設(shè)計(jì)有效地解決了大容量單臺電源集中使用缺少冗余保護(hù)機(jī)制的問題，隨著大功率輸出和分布式電源的出現(xiàn)，使電源模塊并聯(lián)技術(shù)得以迅速發(fā)展。模塊輸出間的直接并聯(lián)運(yùn)行必須考慮由于各個模塊輸出特性不一致而造成每個模塊輸出不均流的問題，以確保各個電源模塊分擔(dān)相等的負(fù)載功率[1-2]。

1 電源冗余及擴(kuò)容技術(shù)介紹[3]
    儀控系統(tǒng)的冗余一般都是通過關(guān)鍵設(shè)備并聯(lián)實(shí)現(xiàn)的，例如n取p系統(tǒng)中的二取一冗余方法、三取二冗余方法、四取二冗余方法、二取二方法、n+m取n方法等。每種冗余方法的基本機(jī)理都是通過設(shè)備并聯(lián)并輔以相應(yīng)的決策機(jī)制來完成冗余設(shè)計(jì)的，高冗余機(jī)制系統(tǒng)在有設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可以降級到低冗余機(jī)制運(yùn)行。例如：當(dāng)n+m冗余方法中出現(xiàn)p個設(shè)備同時(shí)故障時(shí)，可以降級到n+（m-p）方式運(yùn)行。

    在電源配電回路設(shè)計(jì)中，經(jīng)常采用多組n+m電源模塊組成冗余擴(kuò)容電路對系統(tǒng)進(jìn)行供電，例如采用1+1型、3+3型等供電設(shè)計(jì)，通過使用具有相同參數(shù)特性的電源模塊并聯(lián)運(yùn)行來達(dá)到配電回路的高可靠度，這樣形成的分布式供電體系相對集中供電具有容量易擴(kuò)充、使用靈活、便于維護(hù)、可配置形成冗余機(jī)制等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)某一組或幾組電源出現(xiàn)故障無法正常工作時(shí)，由其他熱備電源進(jìn)行供電。在初始特性相同的電源模塊運(yùn)行一段時(shí)間以后，不可避免地會出現(xiàn)輸出特性的差異，輸出特性的變化將影響擴(kuò)容冗余電源模塊組的穩(wěn)定運(yùn)行，逐漸出現(xiàn)不同電源模塊承擔(dān)的負(fù)載功率不同的情況，長時(shí)間運(yùn)行會導(dǎo)致各個電源模塊所承受的電、熱應(yīng)力不同，使部分電源模塊過早的損壞。因此，在電源冗余擴(kuò)容系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須根據(jù)所用電源的功率、可靠性以及系統(tǒng)所規(guī)定的最短平均無故障時(shí)間等參數(shù)考慮電源的搭配設(shè)計(jì)，同時(shí)制定相應(yīng)的運(yùn)行維護(hù)措施，確保電源作為儀控系統(tǒng)的能量來源能夠安全、可靠、長期、穩(wěn)定地運(yùn)行。
    典型電源組合示意圖如圖1所示。

示。當(dāng)單個電源低于其他時(shí)源時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。（RL=196 mΩ）。

    從以上兩次試驗(yàn)可以看出，在3+3冗余配電體系中，當(dāng)單個電源電壓輸出漂移升高時(shí)，電源的負(fù)載電流輸出有較大的上升，相應(yīng)地電源的發(fā)熱也會顯著地增加，但與此電源并聯(lián)冗余的電源模塊負(fù)載輸出變化不大，配電系統(tǒng)的總輸出上升，對于純電阻負(fù)載來說，負(fù)載的發(fā)熱量有顯著的增加。當(dāng)單個電源電壓輸出偏移下降時(shí)，此電源模塊的負(fù)載電流輸出會有較大的下降，與此電源并聯(lián)的其他的電源模塊負(fù)載輸出電壓略有上升，電流會有緩慢的上升。當(dāng)電源模塊電壓下降了DC 1 050 mV時(shí)，此電源模塊的輸出已經(jīng)非常小，遠(yuǎn)低于初始運(yùn)行的參數(shù)值，電源組總的負(fù)載功率會有下降。兩次試驗(yàn)的結(jié)果證明了3+3體系組成的開關(guān)電源組本身對其中單個電源出現(xiàn)偏差的自恢復(fù)能力不強(qiáng)，一旦出現(xiàn)上升較多的情況會造成此電源模塊的功率會急劇上升，伴隨發(fā)熱量也相應(yīng)增大，當(dāng)出現(xiàn)下降較多的情況時(shí)，會造成此電源模塊的實(shí)際出力接近于0，電源組的負(fù)載基本上由其他電源一起承擔(dān)，造成了其他電源模塊負(fù)擔(dān)的加重。這兩種情況都是并聯(lián)冗余擴(kuò)容配電體系設(shè)計(jì)中不期望看到的。所以，必須采取相應(yīng)的均流措施才能避免此情況發(fā)生，提高系統(tǒng)的可靠性。
5 解決方案
    (1)從電源體系上解決，增加電流、電壓監(jiān)視器件，根據(jù)配電方案，試驗(yàn)出相應(yīng)的上下限閾值，加入到儀控系統(tǒng)中去，使模塊品質(zhì)下降的趨勢得到預(yù)知，再通過維護(hù)檢修手段提高系統(tǒng)的可靠性。
    (2)從器件選型上提高電源模塊的品質(zhì)，選擇支持較強(qiáng)輸出偏差補(bǔ)償能力的開關(guān)電源模塊。從產(chǎn)品上擴(kuò)大上下限的閾值范圍，從而提高系統(tǒng)的可靠性。
    (3)從工程設(shè)計(jì)上增加設(shè)計(jì)裕度，通過降額實(shí)現(xiàn)在個別模塊出現(xiàn)極端情況下，品質(zhì)下降模塊的運(yùn)行參數(shù)還保持在額定參數(shù)范圍之內(nèi)。
    冗余設(shè)計(jì)策略作為一種被動的可靠性保障技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)生活中，包括本文所描述的并聯(lián)冗余擴(kuò)容配電體系，從文中所述系統(tǒng)失效率分析可以看出，n+m系統(tǒng)本身從理論上具有很高的可靠性，3+3冗余系統(tǒng)的理論可用率可以達(dá)到11個9的級別，但通過配電回路及試驗(yàn)分析可以得出，電源系統(tǒng)實(shí)際的可靠性還和許多其他的因素有關(guān)，其中一個重要因素就是并聯(lián)電源的均流問題。通過對冗余電源電路的配電回路分析，并輔以試驗(yàn)驗(yàn)證，明確了并聯(lián)冗余擴(kuò)容配電體系中均流問題的本質(zhì)，為在儀控系統(tǒng)中電源的實(shí)際工程應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)，從而提高了儀控系統(tǒng)的可靠性。
參考文獻(xiàn)
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