基于并聯均流技術的直流變換器

羅耀華，李景恒，周慧楠，聞婷

哈爾濱工程大學自動化學院，黑龍江哈爾濱150001

隨著科學技術的發展，通訊基站、發電廠、變電所等應用場合對直流電源系統的需求越來越多，對系統的可靠性也提出了越來越高的要求。直流電源模塊并聯供電系統具有以下優點:提高了系統的靈活性，可方便的實現N+1冗余供電，提高系統可靠性;減少產品種類，便于標準化和大規模生產，降低了成本［1-2］。直流變換器并聯工作時，最為關心的是各個模塊的輸出電流均勻性的問題。因此基于并聯均流技術的直流電源的研制具有十分重要的意義。

根據是否有均流母線相連，均流技術可分為下垂法(輸出阻抗法、斜率法)和有源均流法兩大類。有源均流法主要有:主從設置法、平均電流均流法、最大電流均流法、熱應力自動控制法和外加均流控制器均流法等［2］。最大電流均流法是直流電源并聯運行最常用的均流控制策略。

1 單模塊電源主電路設計

主電路采用帶飽和電感的移相控制ZVS全橋變換器，如圖1所示。

圖1 直流電源主電路結構圖

電路主要性能指標如下:輸入直流電壓314 V;輸出直流電壓28 V;最大輸出電流20 A。半導件器件選用IGBT，電路的工作頻率為10 kHz。考慮到移相全橋變換器特有的占空比丟失現象，實際取的匝比值要小于計算所得值，這里的高頻變壓器的匝比值為n=4。電路中的濾波電感L=100 μH，濾波電容C=470 μF［3］。

2 單電源模塊的控制策略

單模塊電源主電路采用移相控制方式，每個橋臂的2個開關管成180°互補導通。Q1先導通，Q4后導通，兩者導通角為α，Q1和Q3分別先于 Q2和Q4導通。移相控制時，通過移相控制方式改變移相角α的大小來調節輸出電壓。當α=0°時，Q1和Q4或者Q2和Q3同時導通，輸出電壓達到最大值;當α=180°時，Q1和Q2或者Q3和Q4同時導通，輸出電壓為0;移相控制過程中 Q1和 Q3分別超前 Q4和 Q2一個相位［4-6］。

模塊電源DC/DC變換過程中采用電壓、電流雙閉環的PI控制策略，其控制框圖如圖2所示。

圖2 雙閉環控制框圖

輸出電壓的給定值Uref與實際輸出電壓Uout作差，其差值經過PI環節生成電流環的給定電流信號Iref，再與采樣回來的電感電流IL比較，其差值經過PI環節后確定移相角α，通過移相角α的大小控制DC/DC主電路中IGBT的開關狀態，穩定電源模塊的輸出電壓。

3 并聯均流控制策略

下垂法是最簡單的自動均流法，不需要均流母線，容易實現，主要缺點是:當均流性能要求很高時，負載調整率比較差;當模塊的電壓穩定性要求很高時，均流性能比較差，這使得下垂法不適合應用在大功率、高性能的場合。但是由于其結構簡單，該方法在小功率場合仍得到了廣泛的應用。

主從設置法控制結構比較簡單，均流精度很高，但模塊間連線復雜。當主模塊發生故障，則整個系統將完全癱瘓;系統的可靠性取決于主模塊，系統只能實現均流而不能構成冗余系統。

平均電流自動均流法的均流效果較好，但如果有一個模塊的均流線短路，則系統無法實現均流。

外加均流控制器均流法的均流效果非常好，但控制器與各電源模塊要進行多路連接，連線較復雜，當均流控制器出現故障后系統則會失去均流控制，整個系統處于不正常工作狀態。

最大電流均流法實現容易，均流效果好，支持熱插拔(失效模塊不會影響整個系統)。采用最大電流法進行均流的系統，根據輸出電流大小順序，系統中輸出電流最大的模塊自動成為主模塊，沒有人為規定主模塊和從模塊，因此也被稱為民主均流法。該方法是目前一種較好的均流方法［7-9］。

經過分析比較，選用最大電流均流法作為均流控制策略，最大電流法原理框圖如圖3所示。

圖3 最大電流法原理框圖

Iout為電流傳感器CT測量模塊電源輸出電流的大小(實際為電壓信號)，系統中所有模塊通過公共均流母線BUS相連接，根據二極管的單向導通性，系統中只有輸出電流最大的模塊的輸出電流經過二極管VD被送至公共的均流母線BUS上，均流母線BUS上的信號應為所有電源模塊輸出電流Iout中的最大值Imax。在每個模塊均流電路中，二極管VD兩端的反向電壓降即為所有并聯電源模塊輸出電流中的最大值Imax與自身輸出電流Iout的差值，該差值經過處理后，生成的均流誤差信號ΔI送進ARM控制器。ARM控制器根據均流誤差信號ΔI，電感電流IL和輸出電壓Uout計算移相角α，根據移相角大小控制主電路中開關器件的開關狀態，最終實現均流控制［10］。

在如圖2所示的雙閉環控制基礎上增加了一個均流環，形成一個三環控制系統，其均流控制如圖4所示。

圖4 均流控制框圖

均流誤差信號ΔI經比例放大后，形成電壓調節信號ΔU，ΔU與電源的電壓給定值Uref相疊加形成新的電壓給定，通過ΔU的大小對直流電源模塊的輸出電壓進行調整，最終實現各模塊均分負載電流，達到均流控制的目的。ΔU的大小必須經過限幅才能和Uref相疊加，不然會造成均流過程中輸出電壓過大。這是一個三環控制系統，均流環在電壓環的外面，均流環的響應速度受電壓環帶寬的影響。

4 仿真驗證

利用MATLAB仿真軟件對2個直流電源模塊并聯運行進行仿真。電源輸出電壓28 V，負載為1 Ω純阻性負載，通過人為設置電路中的器件參數和連接導線等效電阻大小的方法來改變電源模塊的外特性，從而對均流控制策略的均流效果進行仿真分析。

未采用均流控制時2個直流電源模塊輸出電流波形如圖5所示，各模塊加入如圖4所示的均流控制后，2個電源模塊的輸出電流波形如圖6所示，圖7示出采用均流控制后并聯系統的輸出電壓波形。

圖5 未加均流控制輸出電流波形

圖6 均流控制時輸出電流波形

圖7 均流控制時系統輸出電壓波形

由圖5、6對比可知:系統沒有加入均流控制時，2個并聯的電源模塊沒有均分負載電流，均流效果不好，一個電源模塊處于接近滿負荷運行狀態，而另一個電源模塊的容量則沒有被充分利用;加入均流控制策略后，2個電源模塊的輸出電流波形基本重合，均流效果好。由圖7可知，采用如圖4所示的均流控制策略的并聯系統輸出電壓存在一定的波動，而且輸出電壓的最小值為28.2 V，輸出電壓有所上升，這是因為均流過程中電源模塊的輸出電壓在不斷調節，通過抬升輸出電壓實現均流。通過對均流環的輸出ΔU進行合理的限幅，可以減小由于均流控制而造成的輸出電壓波動。

為了考驗系統的穩定性，進行突加突減負載仿真實驗，各模塊輸出電流的動態波形如圖8所示，輸出電壓波形如圖9所示。

圖8 突加減負載輸出電流波形

圖9 突加減負載輸出電壓波形

開始的時候，系統負載為2 Ω純電阻性負載;在0.004 s的時候，向系統投入第二組2 Ω純電阻性負載，在0.007 s的時候減掉第二組2 Ω純電阻性負載。由圖8、9可知，突加突減負載過程中，輸出電流和電壓無沖擊平穩過渡到穩態過程，輸出電壓沒有明顯的升高和跌落。系統工作穩定，具有良好的動態響應，模塊之間的均流效果在穩態時刻和瞬態過程都比較理想［10］。

5 實驗驗證

通過實驗對均流控制策略的均流效果進行驗證，采用意法半導體公司的STM32F103系列處理器作為控制器，根據主電路拓撲結構搭建硬件實驗平臺，使用2個直流電源模塊進行并聯實驗，各模塊采用如圖4所示的均流控制策略。314 V的直流電源是利用單相220 V交流電經過整流橋和電容濾波得到，濾波電容為470 μF。為了避免并聯后的直流電源系統由于輸出電流過大而損壞，所以選擇輸出負載為2 Ω純阻性負載，即使某個電源出現故障不供電，另一個電源也不會工作在滿負荷狀態。均流實驗過程中實際測得的電壓和電流波形分別如圖10、11所示。

圖10 系統輸出電壓波形

圖11 模塊輸出電流波形

由圖10可知系統的輸出電壓在28 V附近，輸出電壓穩定。由圖11可知，2個電源模塊的輸出電流幅值在很小的幅值上下波動，均流效果好。但2個模塊的輸出電流大小值存在明顯交替，即模塊間的主從身份不斷在交替，主從模塊的交替周期和均流環的比例系數大小成反比，在保證系統均流精度的情況下，合理減小均流環的比例系數可以減小模塊的輸出電流波動。實驗結果和仿真結果相仿。

6 結論

采用最大電流均流法對直流電源并聯運行進行均流控制，仿真和實驗結果均表明該均流控制策略具有很好的均流效果，可以滿足直流電源并聯運行的均流控制需求，并得出以下結論:

1)均流所需的硬件電路簡單，模塊電源間的聯接只需要一條均流母線，具有很好的抗干擾性，并聯系統可實現N+1冗余供電，某模塊出現故障后維修方便，有利于系統不間斷供電。

2)與單電源運行時相比，并聯系統的輸出電壓會有所上升，這是因為并聯系統通過改變電壓給定值實現均流控制，影響穩壓精度。

3)均流過程中模塊間的主從身份不斷在交替，輸出電壓和輸出電流不斷在調整，增加了系統輸出電壓和電流的紋波含量。

4)在均流控制過程中，系統中所有的電源模塊都是以主模塊的輸出電流為調節目標，根據均流誤差大小調節輸出電壓給定值，因此系統中各模塊電源能近似均分負載電流。

總而言之，最大電流均流法均流效果好，容錯性能好，抗干擾能力強，容易實現，在直流電源并聯均流控制中應用廣泛。

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