1 引言
大量電子設(shè)備，特別是計(jì)算機(jī)、通訊、空間站等的廣泛應(yīng)用，要求組建一個(gè)大容量、安全可靠、不間斷供電的電源系統(tǒng)。如果采用單臺電源供電、該變換器勢必處理巨大的功率、電應(yīng)力大，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。并且一旦單臺電源發(fā)生故障，則導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。采用多個(gè)電源模塊并聯(lián)運(yùn)行，來提供大功率輸出是電源技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。并聯(lián)系統(tǒng)中每個(gè)模塊處理較小功率，解決了上述單臺電源遇到的問題。
八十年代起，分布式電源供電方式成為電力電子學(xué)新的研究熱點(diǎn)。相對于傳統(tǒng)的集中式供電，分布式電源利用多個(gè)中、小功率的電源模塊并聯(lián)來組建積木式的大功率電源系統(tǒng)。在空間上各模塊接近負(fù)載，供電質(zhì)量高，通過改變并聯(lián)模塊的數(shù)量來滿足不同功率的負(fù)載，設(shè)計(jì)靈活，每個(gè)模塊承受較小電應(yīng)力，開關(guān)頻率可以達(dá)到兆赫級，從而提高了系統(tǒng)的功率密度。
大功率輸出和分布式電源，使電源模塊并聯(lián)技術(shù)得以迅速發(fā)展。然而一般情況下不允許模塊輸出間直接進(jìn)行并聯(lián)，必須采用均流技術(shù)以確保每個(gè)模塊分擔(dān)相等的負(fù)載電流，否則，并聯(lián)的模塊有的輕載運(yùn)行，有的重載甚至過載運(yùn)行，輸出電壓低的模塊不但不為負(fù)載供電，反而成了輸出電壓高的模塊的負(fù)載，熱應(yīng)力分配不均，極易損壞。
對于多個(gè)模塊并聯(lián)運(yùn)行電源系統(tǒng)的基本要求是[2]：一是輸入電壓或者負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，保持輸出電壓穩(wěn)定;二是控制各模塊的輸出電流，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流平均分配，均流動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好。為提高系統(tǒng)可靠性，并聯(lián)系統(tǒng)應(yīng)該具備以下特性：實(shí)現(xiàn)冗余。當(dāng)任意模塊發(fā)生故障時(shí)，其余模塊繼續(xù)提供足夠電能，整個(gè)電源系統(tǒng)不會崩潰;實(shí)現(xiàn)熱拔插，電源系統(tǒng)真正意義上的不間斷供電;均流方案無需外加均流控制單元;使用一條公共的低帶寬均流總線來連接各模塊單元。
2 并聯(lián)特性及均流一般原理
圖1為兩個(gè)模塊并聯(lián)工作時(shí)的等效電路及其外特性曲線。如果兩個(gè)模塊的參數(shù)完全相同，即V1max=V2max，R1=R2，兩條外特性曲線重合，負(fù)載電流均勻分配。如果其中一個(gè)模塊的電壓參考值較高，輸出電阻較小（外特性斜率小），如圖1中的模塊1，則該模塊將承受大部分負(fù)載電流，負(fù)載增大，模塊1將運(yùn)行于滿載或超載限流狀態(tài)，影響了系統(tǒng)可靠性。
（a）并聯(lián)等效電路
（b）輸出外特性
圖1兩個(gè)模塊并聯(lián)均流原理圖
可見，并聯(lián)電源系統(tǒng)中各模塊按照外特性曲線分配負(fù)載電流，外特性的差異是電流難以均分的根源。均流性能的優(yōu)劣用均流精度來衡量。均流精度定義為：
CSerror=ΔIomax / （Io/N）
式中N為并聯(lián)模塊數(shù)，Io為負(fù)載電流，ΔIomax為最大電流與最小電流之差。
正常情況下，各并聯(lián)模塊輸出電阻是個(gè)恒值，輸出電流不均衡主要是由于各模塊輸出電壓不相等引起。均流的實(shí)質(zhì)即是通過均流控制電路，調(diào)整各模塊的輸出電壓，從而調(diào)整輸出電流，以達(dá)到電流均分的目的。一般開關(guān)電源是一個(gè)電壓型控制的閉環(huán)系統(tǒng)，均流的基本思想是采樣各自輸出電流信號，并把該信號引入控制環(huán)路中，來參與調(diào)整輸出電壓。選擇不同的電流信號注入點(diǎn)，可以直接調(diào)節(jié)系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓、反饋電壓誤差、或者反饋電流誤差，形成多種均流方案，以滿足不同的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
3 均流方法
根據(jù)并聯(lián)電源系統(tǒng)中模塊之間有無傳遞均流信號的互連線，所有均流方法可歸成兩大類：下垂法和有源均流法，下垂法為模塊之間只有輸出端導(dǎo)線相連;有源均流法除了連接輸出導(dǎo)線外，還用均流母線把各模塊連在一起。
3.1下垂法[4]
下垂法（又叫斜率法，輸出阻抗法）是最簡單的一種均流方法。其實(shí)質(zhì)是利用本模塊電流反饋信號或者直接輸出串聯(lián)電阻，改變模塊單元的輸出電阻，使外特性的斜率趨于一致，達(dá)到均流。由圖1（b）可見，下垂法的均流精度取決于各模塊的電壓參考值、外特性曲線平均斜率及各模塊外特性的差異程度。
選擇不同的電流反饋信號注入點(diǎn)，可以修正控制環(huán)路的反饋電壓值或基準(zhǔn)電壓。圖2（a）為采用調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓來改變電壓參考值的方式下所對應(yīng)的外特性曲線圖。可見電壓參考值的差異越小，均流效果越好。圖2（b）為采用調(diào)節(jié)反饋電壓值來改變斜率的方式下所對應(yīng)的外特性曲線圖。外特性斜率越陡，均流效果越好。
圖2 （a）調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓
圖2（b）調(diào)節(jié)反饋電壓
常用的下垂法均流控制框圖如圖3所示。Vi為電流放大器輸出信號，與模塊輸出電流成比例Ki，Vf為電壓反饋信號，顯然 V-=Kv×Vo+Ki×Io，當(dāng)某模塊電流增加時(shí)，Vi上升，Ve下降，通過反饋使該模塊輸出電壓隨之下降，即外特性向下傾斜，接近其他模塊的外特性，從而其他模塊電流增大，實(shí)現(xiàn)近似均流。電壓誤差放大器E/A具有很大的直流增益Ko，假設(shè)Ko→∞時(shí)，Vo=Vref /Kv- IoKi /Kv=Vomax-IoKi /Kv，改變電壓環(huán)電流環(huán)的參數(shù)可以獲取期望的外特性。
圖3 下垂法均流控制框圖
此外，在模塊輸出端與負(fù)載之間串聯(lián)一定的電阻值也是一種調(diào)節(jié)輸出電阻的下垂法。缺點(diǎn)為串聯(lián)電阻會消耗額外電能。較為經(jīng)濟(jì)的辦法是串聯(lián)熱敏電阻，其阻值隨在電阻上消耗的熱能變化而改變，同樣達(dá)到近似均流。
而且，電流不連續(xù)模式下的Buck、Boost、Buck-Boost變換器和串聯(lián)諧振變換器本身就固有一定的外特性下垂率，這類變換器可以直接并聯(lián)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自然均流。
下垂法的特點(diǎn)可歸納如下：模塊之間無互連通訊線;實(shí)為開環(huán)控制，小電流時(shí)均流效果差，隨著負(fù)載增加均流效果有所改善;對穩(wěn)壓源而言，希望外特性斜率越小越好，而下垂法則以降低電壓調(diào)整率為代價(jià)來獲取均流，該法可以應(yīng)用在均流精度大于或等于10%的場合;對于不同額定功率的并聯(lián)模塊，難以實(shí)現(xiàn)均流。
3.2有源均流法
有源均流法是均流方法中的一大類別，其特征是采用互連通訊線連接所有的并聯(lián)模塊，用于提供共同的電流參考信號。一般并聯(lián)變換器采用電流型控制，即電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)雙環(huán)控制，以下把功率級和電流內(nèi)環(huán)作為變換器的基本單元。在基本單元外設(shè)計(jì)控制結(jié)構(gòu)和母線連接方式，形成各類有源均流法，如主從法、平均電流法、最大電流法等。
控制結(jié)構(gòu)指均流環(huán)與電壓環(huán)如何配置，圖4為有源均流法的三種控制結(jié)構(gòu)：電壓環(huán)環(huán)外調(diào)整、環(huán)內(nèi)調(diào)整和雙環(huán)調(diào)整。環(huán)外調(diào)整中均流環(huán)從電壓環(huán)外部疊加（圖 4a），均流母線帶寬低，對噪音不敏感，但由于受到低帶寬電壓環(huán)限制，均流控制反應(yīng)比較緩慢;環(huán)內(nèi)調(diào)整中均流環(huán)從電壓環(huán)內(nèi)疊加（圖4b），均流環(huán)可以很好的和電流環(huán)結(jié)合起來，整個(gè)結(jié)構(gòu)簡單，均流信號從環(huán)內(nèi)注入，其帶寬不受電壓環(huán)的限制，反應(yīng)速度快，均流母線的電壓從電壓調(diào)整放大器獲得，但容易引起噪聲;雙環(huán)調(diào)整中均流環(huán)和電壓環(huán)并行一起作用于基本單元（圖4c）。
圖4 三種控制結(jié)構(gòu)
均流母線連接方式指如何從所有的模塊中獲取公共電流參考信號，表明了模塊間的主從關(guān)系。圖5顯示了三種均流母線的連接：自主配置、平均配置和指定配置。自主配置（圖5a）中，各個(gè)模塊和母線之間通過二極管連接，只有具備最大電流的模塊對應(yīng)的二極管才能導(dǎo)通，均流母線上代表的是最大電流信號;平均配置（圖5b）中，各個(gè)模塊和母線之間通過參數(shù)完全一致的電阻連接，均流母線上代表的是平均電流;指定配置（圖5c）中，只有人為指定的模塊直接連接均流母線,成為主模塊。
圖5 三種均流母線連接方式
3.2.1 最大電流法（民主均流法、自動(dòng)均流法）
圖6所示為最大電流法控制框圖，對比圖4、圖5可見最大電流均流技術(shù)由環(huán)外調(diào)整和母線自主配置相結(jié)合而成，不改變模塊基本單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只需在電壓環(huán)外面疊加一個(gè)均流環(huán)，各模塊間接一條均流母線CSB。
圖6 最大電流法
因?yàn)槎O管單向性，只有電流最大的模塊才能與均流母線相連，該模塊即為主模塊。其余為從模塊，比較各自電流反饋與均流母線之間電壓的差異，通過誤差放大器輸出來補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓達(dá)到均流。
特點(diǎn)是：（1）這種均流方法一次只有一個(gè)單元參與調(diào)節(jié)工作，主模塊永遠(yuǎn)存在且是隨機(jī)的，為實(shí)現(xiàn)冗余最常用的方法;（2）二極管總存在正向壓降，因此主模塊的均流會有誤差;（3）均流是一個(gè)從模塊電流上升并超過主模塊電流的過程，系統(tǒng)中主、從模塊的身份不斷交替，各模塊輸出電流存在低頻振蕩。
Unitrode IC公司開發(fā)的均流控制芯片UC3902、UC3907正是基于最大電流自動(dòng)均流的思想，簡化了并聯(lián)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試，得到廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[2]指出，UC3902在滿載時(shí)均流誤差達(dá)到2%，在20%負(fù)載時(shí)誤差約15%。
3.2.2 平均電流法
環(huán)外調(diào)整結(jié)構(gòu)和母線平均配置相結(jié)合形成平均電流均流法。即將圖6中的二極管用一個(gè)電阻R代替。如果所有電阻R參數(shù)完全一致，均流母線的電壓反映了所有模塊電流的平均值。當(dāng)Ua=Ucsb時(shí)表明已經(jīng)達(dá)到均流，如果電流分配不均，電阻R上出現(xiàn)電壓，該電壓通過誤差放大器輸出一個(gè)誤差電壓，從而修正基準(zhǔn)電壓，以達(dá)到均流目的。
平均電流法是一項(xiàng)專利技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)精確的均流。缺點(diǎn)是當(dāng)均流母線短路或某個(gè)模塊不工作時(shí)母線電壓下降，將促使每個(gè)模塊電壓下調(diào)，甚至達(dá)到下限，造成故障。解決辦法是自動(dòng)地把故障模塊從均流母線上切除。
3.2.3 主從均流法
在并聯(lián)電源系統(tǒng)中，人為的指定一個(gè)模塊為主模塊，直接連接到均流母線，其余的為從模塊，從母線上獲取均流信號。圖7為采用電壓環(huán)內(nèi)調(diào)整結(jié)構(gòu)的主從均流法。主模塊工作于電壓源方式，從模塊的誤差電壓放大器接成跟隨器的形式，工作于電流源方式。因?yàn)橄到y(tǒng)在統(tǒng)一的誤差電壓下調(diào)整，模塊的輸出電流與誤差電壓成正比，所以不管負(fù)載電流如何變化，各模塊的電流總是相等。
圖7 主從均流法
采用這種均流法，精度很高，控制結(jié)構(gòu)簡單，模塊間聯(lián)線復(fù)雜。缺點(diǎn)是一旦主模塊出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)將完全癱瘓，寬帶電壓回路容易產(chǎn)生噪聲干擾。使用中主、從模塊間的聯(lián)線應(yīng)盡量短。
3.2.4 其他均流方法
基于三種控制結(jié)構(gòu)和三種母線連接方式，可以設(shè)計(jì)出其他均流方法。圖8為雙環(huán)調(diào)整和平均配置相結(jié)合的均流方法文獻(xiàn)。這種控制方式降低了電壓環(huán)和均流環(huán)相互之間的影響，設(shè)計(jì)靈活，是權(quán)衡環(huán)外調(diào)整和環(huán)內(nèi)調(diào)整優(yōu)缺點(diǎn)的折中方案。此外，熱應(yīng)力自動(dòng)均流法是按照每個(gè)模塊的溫度來實(shí)現(xiàn)均流，使溫度高的模塊減小輸出電流，溫度低的模塊增加電流。外部控制器法是外加一個(gè)均流控制器，比較各模塊的電流信號，并據(jù)此補(bǔ)償相應(yīng)的反饋信號以均衡電流。該法需要附加控制器且聯(lián)線較多[1]。
圖 8 雙環(huán)并行調(diào)整的均流方法
4 總結(jié)
由于大功率負(fù)載的需要和模塊化電源系統(tǒng)的發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)完全穩(wěn)定可靠的冗余電源系統(tǒng)，模塊化電源的并聯(lián)技術(shù)則顯得尤為重要。而每個(gè)模塊的外特性不一致，分擔(dān)的負(fù)載電流也不均衡，承受電流多的模塊可靠性大為降低。因此，并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)必須引入有效的負(fù)載分配控制策略，保證各模塊間電應(yīng)力和熱應(yīng)力的均勻分配。這是實(shí)現(xiàn)高性能模塊化大功率電源系統(tǒng)的關(guān)鍵。
本文介紹均流技術(shù)的一般原理，全面詳細(xì)地討論了各種均流技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)。在不斷提高均流精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的同時(shí)，均流控制技術(shù)將朝著增加并機(jī)數(shù)目及不同容量模塊并聯(lián)的方向發(fā)展。隨著控制系統(tǒng)的逐步數(shù)字化和微處理器的發(fā)展，應(yīng)用如單片機(jī)或DSP完成電源系統(tǒng)的檢測、運(yùn)算和控制，可以更好地采用復(fù)雜的控制策略，實(shí)現(xiàn)均流冗余、故障檢測、熱拔插維修和模塊的智能管理。
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