DC/DC開關電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)均流控制研究*

易映萍,楊 堅,姚為正

（1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000）

大功率電源系統(tǒng)需要用單個大功率電源或者多個開關電源并聯(lián)來提供，但是單個的大功率電源在設計和制造中存在很大的困難，成本也較高，同時可靠性和穩(wěn)定性也難以保障。多個開關電源的并聯(lián)系統(tǒng)能夠很好地克服這些缺點，并具備單個電源所不具備的優(yōu)點：大容量、高效率、高可靠性、冗余特性、模塊化和成本低[1]。并聯(lián)系統(tǒng)中，每個變換器只處理較小功率，不但降低了應力，還可以應用冗余技術，提高系統(tǒng)可靠性。采用冗余技術，還可以實現(xiàn)熱更換，即在保證系統(tǒng)不間斷供電情況下，更換系統(tǒng)的實效模塊。由于以上原因，以及大功率負載需求和分布式電源系統(tǒng)的發(fā)展要求，開關電源并聯(lián)技術的重要性日益增加。但是并聯(lián)開關變換器模塊間輸出特性存在差異，致使各個模塊之間的輸出電流不一致，這樣會導致某些模塊的電流應力過大，增加了損壞的機率，而且還會由于某個模塊達到最大電流限制造成整個并聯(lián)系統(tǒng)不能正常工作。因此均流技術必然是并聯(lián)系統(tǒng)的關鍵技術，具有重要的研究價值[2]。

1 兩個DC/DC開關電源模塊并聯(lián)的供電系統(tǒng)

采用兩個DC/DC開關電源模塊并聯(lián)的供電系統(tǒng)的主電路拓撲結構如圖1所示。系統(tǒng)由主電路、控制電路、驅動電路、保護電路等組成。輸入直流電壓經(jīng)濾波，通過DC/DC并聯(lián) Buck結構降壓均流[3]，經(jīng)STM32芯片采樣、控制和調(diào)節(jié)，輸出穩(wěn)定的直流電壓[4]?？刂坪驼{(diào)節(jié)完全由芯片程序和算法實現(xiàn)，節(jié)省了硬件資源，同時通過算法使系統(tǒng)能隨時調(diào)節(jié)電路以達到理想狀態(tài)，避免了單純采用硬件控制時不可調(diào)節(jié)的缺點，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定和靈活。同時系統(tǒng)帶有過流保護電路，采樣電流或電壓大于設定值時，系統(tǒng)會自動斷開電源，起到保護作用，保障系統(tǒng)安全。

2 模塊并聯(lián)均流控制的技術策略

在模塊化電源系統(tǒng)中，各電源模塊并聯(lián)運行，為保證各模塊間電應力和熱應力的均勻合理分配，以實現(xiàn)電源系統(tǒng)中各模塊承受的電流的自動平衡均流，以及當輸入電壓或負載電流發(fā)生變化時，保持各模塊輸出電壓穩(wěn)定，同時具有較好的瞬態(tài)均流特性，需引入有效的并聯(lián)均流技術。均流控制是DC/DC模塊并聯(lián)中十分重要的部分，通過均流保障每個模塊的電流相同，從而防止某個模塊過流，導致器件損壞。穩(wěn)壓控制以輸出電壓作為反饋信號構成單閉環(huán)型控制系統(tǒng)[5]。在穩(wěn)壓的基礎上通過電流環(huán)進行反饋矯正均流相應電流值，從而實現(xiàn)了均流和穩(wěn)壓，采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制系統(tǒng)的框圖如圖2所示。

3 仿真研究

3.1 仿真模型搭建

根據(jù)DC/DC模塊并聯(lián)開關電源系統(tǒng)結構及工作原理搭建系統(tǒng)仿真模型,如圖3所示。其輸入電壓為24 V，電感 L為 1.5 mH，濾波電容 C為 4 700 μF，開關頻率為20 kHz,輸出電壓基準值為8 V，輸出負載電阻為8 Ω。

3.2 仿真結果

仿真結果如圖4所示，輸出電壓穩(wěn)定在8 V左右，兩支路輸出電流基本保持在0.5 A，符合設計要求，達到了穩(wěn)壓均流的效果。

4 實驗研究

為了驗證前述控制方法及仿真原理的正確性，設計并制作了一個由兩個額定輸出功率均為16 W的8 V DC/DC模塊構成的并聯(lián)供電系統(tǒng)。在該實驗平臺上利用本文所述控制方法對該樣機進行了相關實驗研究，調(diào)整負載電阻，通過示波器測量顯示輸出的電壓值和兩路電流值。由圖5可看出兩路電流值分別為0.485A和0.520A，基本實現(xiàn)了均流效果。輸出電壓在8.55V保持穩(wěn)定，滿足了穩(wěn)壓條件。

本文通過介紹采用數(shù)字PI外環(huán)電壓內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)的雙環(huán)控制方法實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)壓均流，設計并制作了并聯(lián)供電系統(tǒng)，完成了相關軟件設計及調(diào)試，并給出了相關實驗波形。實驗結果驗證了本文所述電路參數(shù)的正確性及控制策略的可行性，對設計和制作開關電源模塊并聯(lián)的供電系統(tǒng)的均流技術的研究具有一定的參考價值。

[1]符贊宣，瞿文龍，張旭.平均電流模式DC/DC變換器均流控制方法[J].清華大學學報，2003，43(3):337-340.

[2]高承博，趙龍章.一種新型開關電源的并聯(lián)均流技術的實現(xiàn)方法[J].通信電源技術，2009，26(6):35-37,47.

[3]王兆安.電力電子技術第5版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[4]劉軍.例說 STM32[M].北京:北京航空航天大學出版社，2011.

[5]張占松.開關電源原理與設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.