0 引言

    均流技術(shù)是解決在現(xiàn)有功率器件受限的情況下，增加電源的輸出功率和減少研發(fā)成本的有效手段。特別是在通信電源、電鍍電源和雷達(dá)電源等上得到了廣泛的應(yīng)用^[1-3]。

    現(xiàn)有的均流技術(shù)主要分為：自主均流技術(shù)和主從均流技術(shù)。從本質(zhì)上講，電源的均流都是通過(guò)調(diào)整輸出電壓來(lái)達(dá)到均流的目的。電源模塊在并聯(lián)運(yùn)行的過(guò)程中，很小的輸出電壓都會(huì)引起輸出電流的巨大變化，所以必須限制電源模塊的輸出電壓調(diào)節(jié)量^[1]。

    AC/DC功率變化電路在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，但隨著大量整流電路的應(yīng)用，給電網(wǎng)造成了很大的諧波污染，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。現(xiàn)有治理諧波的方法有集中治理和分布治理，最好的方式都是通過(guò)有源功率因數(shù)校正（PFC）電路實(shí)現(xiàn)源頭治理^[4]。功率因數(shù)校正電路一般采用Boost電路作為電源的主拓?fù)?，所以電源的效率非常高（大?6%），高功率密度的功率因數(shù)校正電源模塊在國(guó)外應(yīng)用得很成熟，國(guó)內(nèi)還處于起步階段。由于軍備國(guó)產(chǎn)化的要求，國(guó)內(nèi)許多電源模塊廠家開(kāi)始研究功率因數(shù)校正電源模塊。國(guó)內(nèi)推出的功率因數(shù)校正電源模塊大多只能單模塊運(yùn)行，不能多電源模塊并聯(lián)運(yùn)行。本設(shè)計(jì)利用自主均流技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正電源模塊的并聯(lián)運(yùn)行，對(duì)增大電源輸出功率、減少研發(fā)成本和縮短研發(fā)周期等有重要意義^[2]。

1 PFC校正電源設(shè)計(jì)

    功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵是高頻率開(kāi)關(guān)和高功率密度，但是這本身是相互矛盾的，高頻率會(huì)增大開(kāi)關(guān)損耗，影響電源散熱，進(jìn)而影響電源功率密度。在實(shí)際應(yīng)用中，功率變換系統(tǒng)的安放空間是首要考慮的問(wèn)題，而效率是其次的。因此，在電源設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)高功率密度的重視程度要超過(guò)高工作頻率。

    通常，根據(jù)電感中電流的波形，功率因數(shù)校正電源有3種工作模式：連續(xù)電流工作模式（CCM）、臨界電流工作模式（BCM）和斷續(xù)電流工作模式（DCM）。有研究表明，在許多小功率應(yīng)用中，基于Boost功率因數(shù)校正電路運(yùn)行于臨界電流工作模式或斷續(xù)電流工作模式。這是因?yàn)閷?duì)于CCM工作模式，需要對(duì)電感電流進(jìn)行精確的采樣，然而對(duì)于BCM和DCM來(lái)說(shuō)是不需要精確采樣的。對(duì)于臨界電流工作模式來(lái)講，需要在電感上額外添加一個(gè)副邊繞組來(lái)檢測(cè)電流的過(guò)零點(diǎn)，然而對(duì)于DCM來(lái)說(shuō)，這個(gè)電流過(guò)零檢測(cè)是完全不需要的。

    一般處于臨界或斷續(xù)電流工作模式的功率因數(shù)校正電源小于500 W，而本文所設(shè)計(jì)的電源功率為2 kW，所以選用連續(xù)電流工作模式^[4]。本文利用交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)單電源模塊的主電路，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。此電路不僅可以提高電源的輸出功率，也能減小電源的輸出紋波，并能防止電源出現(xiàn)次諧波震蕩。

    在設(shè)計(jì)中，最為主要的是儲(chǔ)能元件和開(kāi)關(guān)器件的選擇。開(kāi)關(guān)器件的選擇應(yīng)滿足足夠的電壓和電流裕量，更低的功耗。儲(chǔ)能器件的選擇影響到電源的功率、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和沖擊響應(yīng)等，下面給出儲(chǔ)能器件的選擇原則。

1.1 電感的設(shè)計(jì)

    BOOST變換拓?fù)渲须姼械脑O(shè)計(jì)是十分重要的，已經(jīng)在大量的文獻(xiàn)中予以討論。設(shè)計(jì)的第一步是確保功率因數(shù)校正電路正常運(yùn)行所需要的電感量，這就必須要求即使在最大功率的運(yùn)行狀況下，電感也不能夠達(dá)到飽和狀態(tài)?；谶B續(xù)電流工作模式下的電感選擇可以根據(jù)下式計(jì)算^[8]：

    然后，磁性的材質(zhì)和尺寸都必須滿足匝數(shù)和溫度的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，由于鐵氧化體磁性材料的高頻損耗低，在開(kāi)關(guān)電源中得到了廣泛的應(yīng)用。圖2給出了電感的設(shè)計(jì)步驟。

1.2 濾波電容的設(shè)計(jì)

    輸出濾波電容決定了電源的功率密度和功率等級(jí)，由于直流母線上的電壓為一個(gè)直流電壓疊加一個(gè)幅值很小的交流紋波電壓。紋波電壓由輸出的功率P_o和交流電源的輸入頻率ω決定^[8]：

    為了確保功率因數(shù)校正電路的正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)參數(shù)必須要滿足以下兩個(gè)條件：

    (1)輸出電壓u_o必須大于輸入電壓的最大值，這是為了確保功率因數(shù)校正電源的輸入電流波形跟隨輸入電壓波形的變化而變化。

    (2)輸出電壓u_o必須小于電容、開(kāi)關(guān)管和二極管的最大耐壓值，這樣才能確保功率因數(shù)校正電路的安全運(yùn)行。

    這樣就規(guī)定電容的最小容量要求和最小耐壓要求。

1.3 基于BOOST的PFC電路數(shù)學(xué)模型

    基于平均電流控制模式，電源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為：

2 電源均流方案設(shè)計(jì)

    要實(shí)現(xiàn)電源的均流控制，首先要對(duì)電流進(jìn)行精確的采樣。目前最簡(jiǎn)單的方法是通過(guò)電阻取樣，測(cè)量電阻兩端的電壓來(lái)檢測(cè)電流的大小。為了降低損耗，一般采樣電阻為毫歐級(jí)，這就要求對(duì)取樣電壓進(jìn)行放大處理，同時(shí)要求運(yùn)算放大的偏置電流極低。因此，我們選用LTC6102作為電流的放大器，并設(shè)計(jì)單電源供電，其中電流采樣電路和放大電路分別如圖3、圖4所示。

    在取得電流信號(hào)之后，討論均流電路的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)，選用UCC29002作為自主均流控制芯片，最為重要的輸出電壓調(diào)節(jié)量和均流環(huán)帶寬。自主均流技術(shù)時(shí)，需要將每個(gè)電源的均流線LS連在一起，每個(gè)電源模塊會(huì)主動(dòng)跟隨LS最大的電源模塊運(yùn)行，如圖5所示。

    首先，由于UCC29002的最大可調(diào)節(jié)電流為6 mA，采用二極管隔離輸出，輸出電壓的調(diào)節(jié)量需要大于10 V以上，則采樣回路的調(diào)節(jié)電阻為：

其次，均流帶寬的確定。因功率因數(shù)校正電路的電壓外環(huán)帶寬一般為15～20 Hz，那么均流帶寬必須設(shè)置在此帶寬的1/5處。這樣不僅能夠保證系統(tǒng)的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，也保證了系統(tǒng)的均流精度。圖6給出了電流閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)框圖，其中電流采樣反饋為比例大慣性環(huán)節(jié)，而對(duì)環(huán)路的補(bǔ)償采用比例積分環(huán)節(jié)G(s)來(lái)完成。

    于是，整個(gè)電流環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

在補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)中，必須要保證均流環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的截止頻率在3 Hz以內(nèi)，要預(yù)留出足夠的相位余量（需大于45°）。

    均流精度是衡量均流電路的重要指標(biāo)，以兩個(gè)電源并聯(lián)為例，均流精度定義為：

式中：η為均流精度，I₁和I₂代表兩模塊的輸出電流。

3 仿真結(jié)果及分析

    利用saber仿真平臺(tái)，搭建了基于自主均流技術(shù)的功率因數(shù)校正電路仿真模型，如圖7所示。當(dāng)進(jìn)行單個(gè)電源仿真時(shí)，直接采用圖7所示的仿真模型；當(dāng)進(jìn)行多個(gè)電源并聯(lián)仿真時(shí)，需要將圖7中單電源的輸出端口并聯(lián)，并且每個(gè)電源模塊的LS端口連在一起。均流控制電路如圖8所示，單個(gè)電源仿真參數(shù)如表1所示。

    當(dāng)采用單個(gè)電源運(yùn)行時(shí)，仿真結(jié)果如圖9所示。由圖可知，單個(gè)電源能夠可靠穩(wěn)定地運(yùn)行。

    當(dāng)采用兩個(gè)電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，分別在負(fù)載為30%、50%和100%進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果如表2所示。由表2可知，在負(fù)載超過(guò)30%以后，均流精度小于5%。

4 結(jié)論

    通過(guò)理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)表明，本文所設(shè)計(jì)的PFC校正電路及控制電路和均流電路均可行，且并聯(lián)電源在輕載運(yùn)行時(shí)的電流均流精度小于5%，滿足工程實(shí)際應(yīng)用要求。

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