導播系統電源雙總線并聯結構設計

李 岳

（91941部隊45分隊，遼寧 葫蘆島 125000）

0 引 言

導播系統電源雙總線的并聯結構中，參數會受到環境和時間的影響導致存在差異。基于此，導播系統電源雙總線的直接并聯很難保證電流均分負載。當導播系統給負載供電時，不均分的負載電流會引起電源雙總線保護作用，嚴重影響整個系統的工作效率。導播系統開關電源大多采用半導體功率開關器件，通過對導播系統電源開關管的控制來穩定輸出電壓。導播系統電源雙總線并聯結構為保證各模塊均勻承擔負載電流，需要采用多模塊并聯提高輸出功率[1-3]。通過模擬技術實現導播系統電源雙總線并聯均流，其數字信號不易受到溫度等因素的影響，從而實現模塊之間的信息數據交換，保證電源雙總線均流的響應速度。

1 設計導播系統電源雙總線并聯結構模型

1.1 選擇電源雙總線并聯控制方法

為了便于導播系統電源雙總線并聯結構中各模塊電源均分負載電流，將單一模塊電源作為理想電壓源和另一電阻進行串聯，進而將兩個電源總線并聯組成等效的供電系統。導播系統中電源雙總線并聯的最簡單方法就是下垂法，通過模塊本身調節電流。在電源雙總線并聯輕載的情況下，極易導致各模塊輸出電流出現較大偏差，因此下垂法不適用于導播系統電源負載變化明顯以及需要較高電壓精準度的場合[4-6]。

導播系統電源雙總線并聯控制方法會采用主從均流法，通過主模塊統一調整和控制所有模塊輸出的既定電流，均流精準度更高。但在一定程度上，主從均流法有著牽一發動全身的劣勢，不適應導播系統電源雙總線并聯結構冗余時。由于均流母線的抗干擾能力強，最大電流均流法改善了導播系統供電冗余的問題，因此在導播系統電源雙總線并聯結構中，最大電流均流法能夠得到廣泛應用[7]。電源雙總線并聯控制簡圖如圖1所示。

圖1 電源雙總線并聯控制簡圖

1.2 設置導播系統電路參數

高頻變壓器是電源雙總線并聯構成中的重要組成部分，具有電源功率傳送、電壓變化以及電氣隔離等功能。為了符合導播系統電源雙總線的要求，輸入電壓范圍和負載變化范圍都是額定電壓28 V，變壓器會產生漏電感，副邊電壓存在占空比丟失的現象。為計算變壓器原副邊的電壓占空比，需要已知最低輸入電壓和負載電流達到額定值以及變壓器副邊最大的有效占空比[8]。此外，要考慮到整個導播系統的全波整流電路。當輸入與輸出電壓以及負載電流不變的情況下，導播系統電源雙總線并聯結構穩定，變壓器原副邊匝比越大，其電流越小。為了降低成本，可采用額定電流較小的開關裝置。

根據導播系統功率開關管的開關時間、負載電流變化以及輸出濾波電感，可以得到電源雙總線開關頻率1.5倍的并聯電壓。輸出濾波在變換器中的電感、電流，一個開關周期內僅升降一次。此外，為計算變壓器副邊輸出方波的有效占比，需要明確輸入最大電壓值。進一步計算輸出濾波電感的最小電感值，當輸出濾波電感的電感值過大時會影響導播系統的電源功率密度。

1.3 提出電源雙總線并聯結構策略

導播系統電源雙總線并聯控制的策略，主要是包括電壓單環控制和電壓、電流雙閉環控制。一定程度上不僅保證了導播系統的穩定性，還能夠使得電源雙總線并聯結構信息具有實時動態性。電源雙總線平均電流模式下的雙閉環控制系統在電壓單環的基礎上增加了電流內環，由于導播系統電源雙總線并聯結構輸出的濾波電感有著很小的等效電阻，因此在構建模型時可忽略不計。電源雙總線并聯結構的合理轉換，可以得到帶飽和電感的實時信號[9]。

在導播系統電源雙總線并聯的結構下，充分考慮電壓、電流雙閉環控制策略以及有效阻尼控制，這極大改善了導播系統對輸入電壓的響應速度。導播系統電源增加負載時，輸出的電壓也會有所降低，尤其是在導播系統電源雙總線電壓輕載時。負載電流突然發生變化之后，調整的時間越短，電壓跌落量及電壓超調量越小，導播系統電源雙總線負載電流的實時響應效果越好[10]。當監測到導播系統電源雙總線負載電流產生跨越式變化時，需要切換PID的控制模式，開啟動態控制，當導播系統重新達到穩定狀態后，采用常規PID控制與動態控制兩者相結合的控制方式。

1.4 構建導播系統電源雙總線并聯結構模型

導播系統電源雙總線并聯結構主要是以低電壓和大電流的形式輸出，因此電源雙總線輸出的參數值不可忽略不計。而導播系統中電源變換器的損耗主要分布在開關管、變壓器以及副邊整流的二極管上[9]。導播系統的電源雙總線并聯結構具有對稱性，損耗的副邊整流二極管導通電阻為Rg，開關管與變壓器的損耗不相上下，二者可視為對稱電阻。

根據電源雙總線并聯的結構建立起導播系統的模型，進一步分析導播系統電源雙總線并聯結構設計的有效性。對整個導播系統來說，不僅要保證電源雙總線并聯結構的安全、穩定，還要關注相對較大的開關頻率電波是否衰減。

2 對比實驗

2.1 系統硬件實現

導播系統電源雙總線并聯結構主要是由逆變器、輸出濾波電路、驅動電路、DSP控制電路以及一些采樣電路組成。本次導播系統電源雙總線并聯結構的試驗中，逆變器額定功率為3 kW、額定輸出相電壓有效值為220 V，額定輸出線電流峰值為10 A。此外，考慮到導播系統電源雙總線并聯的損耗和冗余量，實驗選擇的功率管耐壓值不能少于400 V，開關管流過的電流大于等于15 A。為了電源雙總線并聯實驗的安全性，功率開關管選擇的是900 V/60 A。

本次實驗中，導播系統電源雙總線并聯的功率開關是絕緣雙極晶體管，其驅動電路保護了電源雙總線的安全、穩定運行。逆變器驅動芯片選擇的是光電混合驅動器HCPL316J，具有驅動故障保護和反饋控制的功能。導播系統電源雙總線并聯控制部分電路的處理器及其外圍的電路能夠實時控制電源雙總線的外設，需要強大的硬件支持，才能夠保證導播系統電源雙總線并聯結構緊湊。因此控制電路DSP采用事件管理器模塊和A/D轉換通道，以實現電源雙總線的并聯控制。

導播系統電源雙總線并聯結構的實驗通過電壓電流雙閉環控制，對輸出電壓、輸出電感以及電流瞬時值進行采樣檢測。DSP控制芯片的供電電壓為3.3 V，而實驗逆變器輸出電壓有正有負，因此采樣后的瞬時值需要正電壓偏置。電源雙總線并聯中的母線電流經過采樣檢測后送入過流保護電路，輸出端連接DSP的功率驅動器保護中斷。一旦電源并聯母線出現過電流情況，DSP便進入功率驅動保護服務程序，立刻關閉開關的驅動信號。

2.2 系統軟件實現

在本次導播系統電源雙總線并聯結構設計實驗中，利用DSP芯片與其外圍電路共同控制電路板，從而實現了實驗過程能夠脫離仿真器運行。本次實驗程序的初始為預處理，主要完成常量定義和全局變量定義，并加載相應的函數數據庫。其中，預處理部分還控制了實驗管理器各種驅動器的初始化、I/O模式初始化及AD部分初始化等。在實驗的中斷程序中，逆變電源的電壓和電流均采用采樣控制、電壓控制、電流控制以及均流等方式完成同步信息數據庫的傳輸。此外，為了方便操作，Q15格式分為有符號數和無符號數兩種形式，有效防止變量全部拓展為有符號數。

2.3 實驗步驟及結果

在導播系統電源雙總線并聯之前，必須保證單臺逆變電源具有良好的性能和控制波形。本次實驗中，裝置采用的是旋轉坐標系下的電壓、電流雙閉環控制及空間矢量調制方式。為了便于觀察計算，分析負載影響最大的輸出電壓及相關特性波形以及逆變電源空載和滿載兩種模塊的實驗數據，結果顯示完全滿足了導播系統電源雙總線并聯的波形失真度要求。

針對本次導播系統電源雙總線并聯結構的設計實驗，需要在兩臺同容量和同結構的電源雙總線逆變樣機上進行深入探究。雙總線逆變器控制兩個電源空載，并聯運行一個導播系統逆變電源輸出電壓。此外，空載并聯并不受負載的影響，所形成的電感、電流均為環流。導播系統的電源雙總線空載并聯運行，其環流峰值大約為2 A，而環流是由高次諧波電流構成，會受到電源開關頻率及各種擾動的影響。

導播系統電源雙總線并聯設計實驗中的幅值差會導致無功環流或是少量的高次諧波環流。在并聯結構的控制中，傳輸不可避免會出現延遲問題，因此導播系統在動態控制過程中最好保持均流，避免導播系統電源雙總線在負載突增和突卸時發生過流故障。出于對導播系統電源雙總線并聯結構的動態觀察，選擇其中一相的輸出電壓、電流進行具體分析，輸出電流波形變化情況如圖2所示。

圖2 并聯增加負載輸出電流波形變化

通過上述的電源雙總線并聯結構設計實驗結果可以看出，其并聯系統能夠有效控制性能的優劣，進一步實現電源雙總線逆變器之間的信息控制。此外，導播系統電源中的雙總線數量沒有得到限制，并聯均流效果好，硬件與軟件的實現操作簡單，具有重要現實意義。

3 結 論

導播系統電源雙總線并聯的結構增強了網絡拓撲的延展性，充分發揮了導播系統的現實作用。通過采用共用電壓調節器的主從到并聯控制電源雙總線，從根本上控制了電源冗余問題。此外，通過仿真實驗的模擬，深度探究了加大實驗功率的多種負載情況。