模塊化數(shù)控開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)

摘 要：模塊化開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)采用模塊化并聯(lián)供電結(jié)構(gòu)，支持故障模塊的不停機更換。能夠提高電源模塊的功率密度、減小了電源系統(tǒng)的重量、體積，使電源系統(tǒng)的使用更加方便靈活。同時由于多個模塊均等分擔負載電流，功率半導體器件的電流應力降低使得系統(tǒng)可靠性也得到提高。能有效地實現(xiàn)M+N冗余供電工作模式以及基于多模式切換的加減載控制算法，使系統(tǒng)不但能夠滿足負載對其供電電源穩(wěn)態(tài)性能要求，而且還滿足了負載對供電電源的瞬態(tài)響應要求。

引言

開關(guān)電源被譽為高效節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。但隨著科技的快速發(fā)展，對電源系統(tǒng)的要求也越來越高，尤其是大容量、高安全性、不間斷供電的電源。如果僅靠增大單一電源的容量來實現(xiàn)功率的增長，不但不能滿足大功率電子設備對功率增長的要求，而且會增加大功率元器件的研制困難，增加產(chǎn)品的研發(fā)周期，增大研發(fā)成本。另外單一電源供電容易引起整個電源系統(tǒng)效率低下、降低電源系統(tǒng)供電可靠性。因此，研發(fā)高可靠性、低成本、低開發(fā)周期的開關(guān)電源是當前電源技術(shù)的發(fā)展方向之一[1-2]。

相比于傳統(tǒng)集中式電源供電系統(tǒng)，模塊化開關(guān)電源并聯(lián)電源系統(tǒng)具有的優(yōu)點非常顯著：使電源系統(tǒng)的使用更加靈活；讓電源系統(tǒng)能夠達到兆赫級別的開關(guān)頻率，從而能夠提高電源模塊的功率密度，能夠減小電源系統(tǒng)的重量、體積；能降低各個電源模塊的功率半導體器件的電流應力，從而使系統(tǒng)的可靠性得到提高；能可靠的達到N+M冗余模式供電；可以減少產(chǎn)品種類，便于標準化、模塊化。但是，由于單個電源模塊的個性差異，模塊化分布式電源系統(tǒng)仍存在均流、環(huán)流、各模塊間協(xié)調(diào)控制、啟動等問題，所以對模塊化數(shù)控開關(guān)電源系統(tǒng)研究迫在眉睫[3-9]。

1 系統(tǒng)硬件設計

模塊化數(shù)控開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)主電路的單個子模塊包括EMI濾波、三相不可控整流、基于BUCK的PFC降壓、輸出濾波等功能模塊。用交流市電為系統(tǒng)提供輸入電源，通過整流模塊轉(zhuǎn)成DC，再通過Buck調(diào)壓器實現(xiàn)穩(wěn)定的DC輸出，其系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

模塊化數(shù)控開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)主電路采用基于BUCK變換器的模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)。控制系統(tǒng)采用STC12C5A60S2型號單片機為控制核心，單個模塊采用雙閉環(huán)控制策略。模塊間采用平均電流模式實現(xiàn)各并聯(lián)模塊間的均流。模式切換控制器用來實現(xiàn)各模塊之間的協(xié)調(diào)以及系統(tǒng)快速的加減載。系統(tǒng)的主要拓撲及控制電路原理框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)控制器及加載方案設計

2.1 系統(tǒng)控制器設計

模塊化分布式數(shù)控開關(guān)電源控制系統(tǒng)將采用STC12C5A60S2型號單片機為控制核心，通過檢測各模塊電流和負載電壓，由MCU的軟件計算出誤差信號，調(diào)節(jié)各模塊的PWM波占空比來實現(xiàn)均流和系統(tǒng)的監(jiān)控及故障判斷、處理?？刂屏鞒虉D如圖3所示。

2.2 多模式切換加載控制方案

在如圖4所示的雙模塊Buck變換器并聯(lián)電路中，假設所有電路元件均為理想元件。穩(wěn)態(tài)工作時采用電壓、電流雙閉環(huán)控制策略。且在加載之前Modle-1已經(jīng)工作在穩(wěn)態(tài)模式下，穩(wěn)定輸出電壓為U0，輸出電流為I0。為了防止Modle-2在并入過程中由于兩模塊的輸出電壓不一致而產(chǎn)生電流沖擊，給Modle-2的電容預先充一定電荷使其空載輸出電壓等于其穩(wěn)態(tài)值U0。在加載瞬間開關(guān)K和開關(guān)管S2同時導通，然后通過控制器使開關(guān)管S2保持在開通狀態(tài)，再在某一特定時刻關(guān)閉S2，并在電感電流iL2重新回到穩(wěn)態(tài)時刻讓控制器切換成雙閉環(huán)控制模式，兩模塊開始同時向負載提供額定大小功率，在此期間開關(guān)管S1在控制器作用下始終以穩(wěn)態(tài)時的占空比開通和關(guān)斷。

3 仿真及實驗結(jié)果

3.1 仿真分析

用matlab對多模式切換的加載控制方案進行仿真，其中Buck并聯(lián)系統(tǒng)中單模塊的電路參數(shù)和設計指標如下：輸入電壓Vin=110V，輸出電壓期望Vo=48V，負載電阻R在t=0.1s時，由4.8Ω躍變?yōu)?.4Ω，濾波電感L1=L2=675μH，濾波電容C1=C2=100μF。經(jīng)計算可得該雙模塊Buck并聯(lián)系統(tǒng)的加載時刻和各控制模式切換時間t0=0.1s；t2=0.10018s；tsi=0.10027s；Umin=45.3V。

基于多模式切換的快速加載控制算法研究和仿真實現(xiàn)，如圖5所示。

仿真結(jié)果如下：

圖6、7分別為負載電流由10A躍變?yōu)?0A的傳統(tǒng)Buck并聯(lián)加載控制和多模式切換加載控制的加載輸出電壓、輸出電流、電感電流及開關(guān)管驅(qū)動仿真波形圖。

由圖6、圖7對比明顯可知基于多模式切換的雙模塊Buck變換器的瞬態(tài)特性優(yōu)于傳統(tǒng)模式控制下的Buck變換器。

4 結(jié)束語

本作品為一款數(shù)控開關(guān)電源系統(tǒng)，它具有：快速的加減載瞬態(tài)響應能夠滿足敏感用電器件用電要求，提高其使用壽命；模塊化結(jié)構(gòu)，支持在不停機的情況下進行故障模塊更換；能夠自動實現(xiàn)故障檢測、輸出功率等級的切換、冗余模塊的并入和故障模塊的切除；能夠?qū)崟r顯示各模塊運行狀態(tài)及系統(tǒng)的耗電量情況；能夠自動對負載進行識別以確定最優(yōu)的模塊個數(shù)及模塊的工作模式等功能。而如何進一步提高系統(tǒng)的智能化程度、穩(wěn)定性和可靠性以及加載瞬態(tài)響應速度，將會是進一步研究的方向。

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作者簡介：張方元（1983-），男，湖南寧鄉(xiāng)，講師，電力電子及電機傳動。