多模塊并聯直流電源控制技術研究

梁倫發

（深圳藍信電氣有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

隨著我國科學技術的高速進步，電力電子技術和功率變換技術也得以快速發展。傳統的設備已經不能滿足人們的日常需求，為了使人們有更好的使用感，集模塊化、小型化、綠色化以及數字化于一身的開關變換器成為了主流研究方向。

1 多模塊并聯直流電源的優點

對于如今的電源需求來說，單個的Boost存在很多缺點。例如，開關管承受的電流太大導致無法找到滿足條件的元器件；為了保證儲能元件有足夠的內存只能將元件面積造得很大，不僅成本極高，而且穩定性很差，變換器不夠靈活小巧；功率器件非常容易損耗，設計非常復雜，動態特性較差。而多模塊并聯直流電源可以很好地彌補以上缺點，應用效果較好。

模塊并聯直流電源的方式使每個并聯單元都分擔了部分電流，每個部件需要承受的電流大小也被降低，應力被有效減少，因此對元器件的功率要求也被降低，變換器的壓力減小，制造時可以將體積和重量大幅度縮小。此外，并聯電路還解決了功率損耗問題，從根本上降低了設計難度，為變換器的設計和制造節約了大量成本。

采用模塊并聯直流電源能夠實現冗余。所謂冗余是指N+n個模塊并聯，有N個模塊對應輸出功率的同時還有n個模塊被用來當作備用模塊，一旦輸出功率的過程中有模塊出現故障，則可以立刻將備用模塊替換進去，只要產生故障的模塊不超過n個，設備就可以一直順利運行[1]。系統在不停止工作的前提下替換故障模塊，大大提高了工作效率和容錯率，維修成本也大大降低。

將模塊并聯運行使用，能夠使設計和制造生產更加簡單、易操作，從而大大縮短制造周期，在節約成本的同時有助于批量自動化生產。此外，模塊并聯直流電源可以有效降低電磁干擾。DC/DC變換器并聯系統是一個閉環系統，能夠通過反饋靈活調整輸出總線的電壓，進而實現負載均流[2]。

如今，并聯直流系統已經在很多領域都得到了廣泛應用，例如軍事、航空、電動汽車以及工業控制等。為了使之能夠有進一步的發展，需要積極解決設計和生產過程中的各種難題。

2 多模塊Boost電路的結構

多個Boost電路并聯的結構是多種多樣的，這些不同結構主要是電感的位置和形式不同，本文以兩個Boost電路并聯的形式為例簡要介紹幾種不同的并聯拓撲結構。

2.1 對稱式并聯拓撲結構

對稱式并聯拓撲結構的兩個Boost單元的構成相同，并且直接在兩端并聯，如圖1所示[3]。圖1中，L1、S1、D1為一個單元，L2、S2、D2為第二個單元。

圖1 對稱式并聯拓撲結構

對稱結構是各種并聯結構中最基礎也最廣泛的一種，其設計簡單、模塊特性差別很小，能夠比較容易地實現。

2.2 耦合式并聯拓撲結構

電感耦合式并聯電路除了將電路中的電感進行耦合外，其他與對稱式結構沒有太大差別。電感耦合的方式就是將它們的同名端先連在一起，然后再接在輸入端。不過比起對稱式并聯結構，耦合式結構電路設備的體積更小，生產成本也更低。耦合式并聯拓撲結構如圖2所示。

圖2 耦合式并聯拓撲結構

在電感量和輸出功率都相同的情況下，耦合式結構并聯電路的電流更高，過大的電流使得電感和開關管的承受應力加重，而且元器件的損耗程度有明顯提升。此外，高電流會導致元器件必須提高功率等級和擴大電路體積，而效率則被間接降低了。要改善耦合電路的這一問題，使其在發揮自身優勢的同時還兼具對稱式結構的優點，一個必要前提是大大降低電感耦合系數，使其盡可能越小越好，避免電感之間相互影響。需要注意的是，一旦耦合系數降低，耦合性也會下降，那么耦合式結構的獨特意義將不復存在。

2.3 跨接式并聯結構

電感跨接式并聯結構如圖3所示。

圖3 跨接式并聯結構圖

以跨接方式并聯在一起的結構電路，開關轉化器狀態變化時的電流并不會受到元器件相關因素的影響。該結構電路中，電流被均勻分配給S1、S2兩個開關管，運行更加穩定并且由開關轉換器導致的尖峰電流也被巧妙避免了，這是跨接式并聯結構的獨特優勢。

跨接式結構對電路參數要求非常高，電感L2和L1之比必須盡量小，避免變換器的性能受到影響，同時也要避免增大元件的體積和重量。此外，跨接式電路還要求各支路的功率開關管特性和支路穩態特性都非常接近。

3 多模塊Boost電路控制方法

3.1 峰值電流控制

峰值電流模式需要設置一個周期，周期開始時開關管就開啟，到達峰值電流時就關閉。峰值電感電流的變化幾乎和平均電流相同，且峰值電流具有易傳感的特點[4]。峰值電流控制方法的流程是對電流的數值進行實時檢測，并將值與基準值進行對比。如果電流的數值小于給定峰值，那么就一直讓開關管處于開啟狀態，等到兩者相等時關閉開關管，如此循環。

峰值電流控制模式具有很多優點，首先這種模式非常容易實現且擁有磁通平衡功能，簡單實用。此外，這種模式的動態響應速度很快，而且能夠對峰值電流實現周期性限流。但是該模式也有一些缺點，例如誤差較大、穩定性較差以及閉環響應效果不好等。

3.2 滯環電流控制

滯環電流控制方式采用脈沖頻率調制（Pulse Frequency Modulation，PFM），使用滯環邏輯比較器比較檢測電流數值和電流基準值之間的大小，并同樣根據比較結果決定開關管的狀態，直到檢測電流與基準值相等[5]。在這個過程中需要設置電流的上限基準值和下限基準值，如果電流數值接近下限就開啟開關管，使得電流線性提高，直到接近上限時斷開開關管，使電流再次回落。

在滯環電流控制方法中，滯環比較器的環寬會直接影響電流控制的精密度，環寬和精密度成反比，因此在設計時要讓環寬盡可能小。但是，太小的環寬會導致系統的開關狀態轉換次數大大增加，容易使開關管損壞。

滯環電流控制方法的優勢在于控制簡單、具備限制電流的功能且動態響應很快，缺陷在于PFM使得開關管的狀態轉換不固定，非常容易造成電磁干擾，且大大提高了設計難度，增加元器件的體積和重量。

3.3 平均電流控制

平均電流控制方法的適用系統也是雙閉環控制系統[6]。工作時檢測輸出電壓，并將檢測到的值與電壓基準值對比，將比較結果通過電壓調節器進行處理，處理后的值就是電流環的基準值。將此基準值和采樣的輸入電流作為誤差放大器的輸入值，產生的誤差高頻分量變化利用誤差放大器進行平均化，用來控制脈沖寬度調整波和開光管的狀態變化。

這種控制方法也具有自身獨特的優勢，其電流檢測精度很高，且具有很好的抗干擾能力，非常容易實現均流。但這種方法的參數設計非常復雜，成本較高。

4 多模塊Boost直流并聯系統的并聯設計

本次研究使用最大電流自動均流法來實現多模塊Boost直流并聯電路的并聯設計，為了降低成本，在模塊間均流時控制模塊的總電流輸入，并進行實時檢測。當各模塊的電流平均值一致時，認為負載電流已經處于均衡狀態。如今，市面上已經有很多最大電流自動均流控制方法，本次主要討論目前最常用的3種最大電流自動均流控制方法，它們的結構如圖4所示。

圖4 自動均流控制方法原理圖

圖4 （a）的均流控制方法是電壓控制型。這個結構將自動均流產生的誤差信號用來矯正電壓環的給定值，而經過矯正后的電壓環給定值則可以直接用來調整控制相關模塊的輸出電壓，從而使相關模塊的輸出電流也被調整到均流狀態。電壓控制型均流控制結構相對而言設計比較簡單，制作時也有現成芯片可以直接使用，制造成本相對較低。但是這種結構的各模塊電流并不可控，而且它的系統響應速度也比較慢，總體來說效率不高。

圖4 （b）則是電流控制型。這種結構也是將均流產生的誤差信號用來矯正電壓環的給定值，然后再將電壓給定值和相關模塊的反饋電壓相比，而電壓的誤差信號則通過調節器進行修正，再將修正之后的信號當作電流環的電流基準值。而電流的均衡狀態則需要利用電流環來進行調節和控制，這種均流控制結構的動態特性較好，其中的各模塊都是電流型，相比電壓型具有一定優勢。此外，其并聯結構使得各模塊相互獨立，能夠靈活工作。但是，這種結構也是將均流環設計在了電壓環之外，因此它的系統響應速度同樣受到電壓環的影響，總體來說依然較慢。

圖4 （c）也為電流控制型。它和圖4（b）的主要區別在于這種結構進行了優化調整，將均流環放在了電壓環之外，使系統的響應速度不再受到電壓環的影響，速度明顯加快。但是，這樣的并聯結構在工作中并沒有圖4（b）那么靈活。

在實際的應用中，通常圖4（b）這種類型是應用最廣泛的。其綜合能力較強，具有較好響應的同時也保證了模塊間的靈活性。

5 結 論

為了促進我國電力事業的不斷發展，應該在電力領域中對多模塊直流并聯電源控制技術不斷進行深入研究，促使我國電力能源實現可持續發展。通過分析電路的并聯設計方案，希望能夠對從業人員有所幫助。