開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字化和數(shù)字均流技術(shù)越來(lái)越成為其發(fā)展趨勢(shì)
計(jì)算機(jī)、通訊、空間站等的廣泛應(yīng)用,要求組建大容量、安全可靠、不間斷供電的電源系統(tǒng)。如果采用單臺(tái)電源供電,該變換器勢(shì)必處理巨大的功率,電壓應(yīng)力大,給功率器件的選擇、開(kāi)關(guān)頻率和功率密度的提高帶來(lái)困難,且一旦電源發(fā)生故障,則整個(gè)系統(tǒng)崩潰。采用多個(gè)電源模塊并聯(lián)運(yùn)行來(lái)提供大功率輸出是電源技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向,其系統(tǒng)中每個(gè)模塊處理較小功率,解決了單臺(tái)電源遇到的問(wèn)題。然而一般情況下不允許模塊輸出之間直接進(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。若采用多個(gè)電源模塊并聯(lián)供電,不但可提供所需電流,而且可形成ｎ+ｍ冗余結(jié)構(gòu),提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著采用數(shù)字控制的成本逐步降低及開(kāi)關(guān)電源非線性控制理論和方法的不斷完善,開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字化和數(shù)字均流技術(shù)越來(lái)越成為其發(fā)展趨勢(shì)。本文先從電源的并聯(lián)均流的一般原理出發(fā),介紹幾種傳統(tǒng)的并聯(lián)均流方案,并結(jié)合簡(jiǎn)單電路圖,討論其工作原理及優(yōu)缺點(diǎn),最后詳細(xì)介紹一種新型實(shí)用的基于AVR單片機(jī)的數(shù)字均流方案。
1、并聯(lián)均流的一般原理
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。正常情況下,各并聯(lián)模塊輸出電阻為恒值,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)即通過(guò)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(kāi)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用各自輸出電流信號(hào),并把該信號(hào)引入控制環(huán)路中來(lái)參與調(diào)整輸出電壓。選擇不同的電流信號(hào)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)。
2、傳統(tǒng)的電源均流技術(shù)
2.1 主從方式均流法
實(shí)質(zhì)是指定一定模塊為主模塊，工作在電壓源方式下，它直接連接到均流母線；其余的為從模塊，工作在電流源方式下，它們從母線上獲取均流信號(hào)，由于存在統(tǒng)一的誤差ΔU，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的，從而實(shí)現(xiàn)均流控制。這種方式均流精度很高，可達(dá)0.5%以?xún)?nèi)。
分析可知采用這種均流法有以下特點(diǎn)：
①一旦主模塊出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)將崩潰；
② 電壓環(huán)工作頻帶寬，容易產(chǎn)生噪聲干；
③ 精度高，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；
④ 主/從單元有均流母線聯(lián)系，模塊間連線復(fù)雜。
2.2 平均電流法（自動(dòng)均流）
它是將并聯(lián)工作的每個(gè)模塊電流取平均值后，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。
N 個(gè)并聯(lián)模塊中的一個(gè)模塊按平均電流自動(dòng)均流的控制電路原理圖，并聯(lián)的各模塊的電流放大器輸出端，通過(guò)一個(gè)電阻R 接到均流母線上，電壓放大器輸入為基準(zhǔn)電壓和均流控制電壓的綜合，它與Uf 進(jìn)行放大后，產(chǎn)生電壓誤差Ue 控制PWM 及驅(qū)動(dòng)器。Ui 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，Ub 為母線電壓。假設(shè)N=2，也就是兩個(gè)模塊并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)下，Ui1 和Ui2 分別為模塊1 和2 的電壓信號(hào)，都經(jīng)過(guò)阻值為R 的電阻接到母線B ，母線電流I 值計(jì)算如下：I=（Ui1-Ub）/R+（Ui2-Ub）/R 當(dāng)母線電流I=0 時(shí)，由上式得出：Ub=（Ui1-Ui2）/2。母線電壓Ub 是Ui1 和Ui2 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Ui與Ub 之差，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)放大器，輸出調(diào)整電壓Uc，Uc 值可正可負(fù)。當(dāng)Ub=Ui 時(shí)，電阻R 上的電壓為零，調(diào)整電壓Uc=0， 實(shí)現(xiàn)了均流。一旦模塊間的電流分配不均勻，Ub≠Ui，電阻R 承受電壓，由這個(gè)電壓控制A1，再由A1 控制功率級(jí)輸出電流，以達(dá)到均流目的。
它的特點(diǎn)是：
Ⅰ.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；
Ⅱ.均流效果較好，易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確均流；
Ⅲ.可以構(gòu)成冗余系統(tǒng)，均流模塊數(shù)理論上可以不限，但應(yīng)根據(jù)實(shí)際的調(diào)試確定模塊數(shù)。
2.3 最大電流法
由于二極管的單向?qū)щ娦�，這樣只有當(dāng)N 個(gè)單元中輸出電流最大的一個(gè)電流放大器輸出才能使二極管導(dǎo)通，與均流母線相連。該模塊即為主模塊，其余的為從模塊，比較各自電流反饋與均流母線之間電壓的差異，通過(guò)誤差放大器輸出來(lái)補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓，進(jìn)而達(dá)到該單元均流調(diào)節(jié)作用。其特點(diǎn)是：在這種均流方式下，參與調(diào)節(jié)的單元由N 個(gè)單元中的最大輸出電流單元決定，一次只有這個(gè)最大輸出電流單元工作，這個(gè)最大電流單元是隨機(jī)的，所以它有稱(chēng)作“民主均流法”；由于二極管存在正向壓降，因此主模塊均流總有誤差，而從單元的均流效果總是最好的。
并聯(lián)強(qiáng)迫均流與計(jì)算機(jī)均流控制
3.1 并聯(lián)強(qiáng)迫均流
所謂強(qiáng)迫均流,就是通過(guò)監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)均流。實(shí)現(xiàn)方式主要有軟件控制和硬件控制兩種。由監(jiān)控模塊獲得所有并聯(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(lái)補(bǔ)償電壓基準(zhǔn)。軟件控制是通過(guò)軟件計(jì)算,比較模塊電流與系統(tǒng)平均電流,再調(diào)整模塊電壓,使其電流與平均電流相等。軟件方式易于實(shí)現(xiàn),均流精度高,但其瞬態(tài)響應(yīng)較差,調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)。軟件控制時(shí)實(shí)現(xiàn)恒流控制的算法較多。
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