一種新型的并聯(lián)開關(guān)電源的均流方法
引言
在大功率DC／DC開關(guān)電源中，為了獲得更大的功率，特別是為了得到大電流時(shí)，經(jīng)常采用N個(gè)單元并聯(lián)的方法。多個(gè)單元并聯(lián)具有高可靠性，并能實(shí)現(xiàn)電路模塊標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)。然而在并聯(lián)中遇到的主要問(wèn)題就是電流不均，特別在加重負(fù)載時(shí)，會(huì)引起較為嚴(yán)重的后果。普通的均流方法是采取獨(dú)立的PWM控制器的各個(gè)模塊，通過(guò)電流采樣反饋到PWM控制器的引腳FB或者引腳COMP，即反饋運(yùn)放的輸入或者輸出腳來(lái)凋節(jié)輸出電壓，從而達(dá)到均流的目的。顯然，電流采樣是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：用電阻采樣，損耗比較大，電流放大后畸變比較大；用電流傳感器成本高；用電流互感器采樣不是很方便，州時(shí)會(huì)使電流失真。本文提出了一種新型的、方便的、無(wú)損的電流采樣方法，并在這種電流檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)系統(tǒng)的均流。
1一種新的電流采樣方法
如前所述，在均流系統(tǒng)中一些傳統(tǒng)的電流采樣力法都或多或少有些缺點(diǎn)。而本文提出的這種新的電流采樣力法，既簡(jiǎn)單方便，又沒(méi)有損耗。
下面以圖l所示的Buck電路為例，說(shuō)明這種新的電流檢測(cè)方法的原理和應(yīng)用。
電流檢測(cè)電路由一個(gè)簡(jiǎn)單的RC網(wǎng)絡(luò)組成，沒(méi)流過(guò)L的電流為iL，流過(guò)C的電流為ic，L兩端的電壓為vL，輸出電壓為vo上電壓為vc，則有vL+iLR1+vo．=vc+icR (1)
對(duì)式(1)在一個(gè)開關(guān)周期求平均值得
式中：VL是電感上的電壓在一個(gè)開關(guān)周期的平均值，顯然VL=O；
Vo為輸出電壓平均值；
IL電感電流平均值，等于負(fù)載電流ILoad;
Ic是電容在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)充放電電流的平均值，顯然Ic=0；
R1為電感的等效串聯(lián)電阻(ESR)。
于是式(2)可化為
所以，要檢測(cè)負(fù)載電流及電感電流的大小，只要檢測(cè)RC網(wǎng)絡(luò)電容上的電壓的大小就行了，這種方法可以很方便、簡(jiǎn)易、沒(méi)有損耗地對(duì)電流進(jìn)行采樣。
2 基于新的電流采樣方法的均流原理
以兩路并聯(lián)Buck電路為例,如圖2所示
由式(3)知，
Vc1=IL1R1+V
Vc2=IL2R2+V
式中：Vc1、Vc2分別為C1和C2上電壓的平均值；
IL1、IL2分別是L-和L2流過(guò)電流的平均值，亦即兩路輸出電流平均值；
R1及R2是濾波電感的等效串聯(lián)電阻，當(dāng)在工藝上設(shè)計(jì)并聯(lián)電源每路輸出電感基本上一樣時(shí)，可以認(rèn)為R1=R2。
因此，要控制兩路電流均流，即要求IL1=IL2，于是，只要控制Vc1=Vc2就行了。所以，電容C1及C2上的電壓Vc1和Vc2可以代表兩路電流IL1及IL2大小，可用來(lái)進(jìn)行均流控制。
這樣，便可得到如圖3所示的控制框圖，
3 常用均流方法的分析比較
開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)常用的均流方法有以下幾種。
輸出阻抗法即Droop(下垂，傾斜)法調(diào)節(jié)開關(guān)變換器的外特性傾斜度(即調(diào)節(jié)輸出阻抗)，以達(dá)到并聯(lián)模塊接近均流的日的。這種方法是一種簡(jiǎn)單的大致均流的方法，精度比較低。
主從法適用于電流型控制的并聯(lián)開關(guān)電源系統(tǒng)中。這種均流系統(tǒng)中有電壓控制和電流控制，形成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。這種方法要求每個(gè)模塊問(wèn)有通訊，所以使系統(tǒng)復(fù)雜化，并且當(dāng)主模塊失效時(shí)，整個(gè)電源系統(tǒng)便不能工作。
平均值均流每個(gè)并聯(lián)模塊的電流放大器輸出端接一個(gè)相同的電阻到一條公共母線上，形成平均值母線。當(dāng)某模塊電壓比母線電壓高時(shí)，輸出電壓下降，反之亦然。
最大值均流法和平均值均流法相似，區(qū)別只是每路電流通過(guò)一個(gè)二極管連到一條公共母線上。這種方法其實(shí)質(zhì)是一種“民主均流”方法，電流最大的那個(gè)模塊自動(dòng)成為主模塊，其他模塊為從模塊，從而“自動(dòng)主從控制”。
平均值均流和最大值均流法的均流母線斷開或者開路都不會(huì)影響各個(gè)電源模塊獨(dú)立工作，并且是自動(dòng)均流方法，均流精度比較高。
圖4為常見均流方法的原理圖。如果均流母線是并聯(lián)模塊電流的平均值，則是平均值均流法；如果是并聯(lián)模塊電流的最大值，則是最大值均流法；如果均流母線是并聯(lián)模塊中的主模塊的電流，則就是主從均流法。但是，在這些均流方法中，每個(gè)模塊都需要有一套獨(dú)立的PWM控制環(huán)。
4 新的均流方案
本文提出的方案是基于前所述的每路加一個(gè)簡(jiǎn)單的RC網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)其分配的電流大小。電容C兩端的電壓平均值就可以表征這路模塊的電流大小，所以，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行均流控制就是對(duì)各路RC網(wǎng)絡(luò)C上電壓進(jìn)行均壓。其均流原理圖如圖5所示。
圖5中：Vbus為均流母線電壓；
Vref為輸出電壓參考值；
Vs為輸出電壓的采樣值。
其工作原理和過(guò)程如下：
通過(guò)檢測(cè)RC網(wǎng)絡(luò)中C兩端的電壓，作為電流信號(hào)，幾路電流信號(hào)(本例只有兩路)通過(guò)一個(gè)相同的電阻就得到了平均值均流母線，平均值均流母線電壓值與負(fù)載有關(guān)，表征負(fù)載電流的大小。
然后將每路采樣來(lái)的電流信號(hào)與母線電壓比較，得到誤差信號(hào)，去修正輸出電壓參考信號(hào)，從而對(duì)PWM控制器的占空比輸出進(jìn)行微調(diào)，達(dá)到均流和穩(wěn)壓的目的。
5 實(shí)測(cè)結(jié)果
樣機(jī)是一臺(tái)DC5V輸入，2V／40A輸出的4路Buck并聯(lián)的開關(guān)電源，工作頻率為200 kHz，帶上滿載進(jìn)行測(cè)量每一路電流輸出，均流效果好，誤差在2％以下，電源輸出穩(wěn)定。當(dāng)輸出電流越大，即大功率并聯(lián)的電源系統(tǒng)中，均流效果越好。
6 結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)對(duì)常用的電流檢測(cè)方法與均流控制的分析研究，提出了用一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)電源輸出電流的方法，并在這種電流檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上給出了一種簡(jiǎn)單的并聯(lián)系統(tǒng)均流的方案。這種方案使電流檢測(cè)很方便，能高效率、低成本、簡(jiǎn)單、方便地實(shí)現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)的均流。
來(lái)源：C114
這種方法可以很方便、簡(jiǎn)易、沒(méi)有損耗地對(duì)電流進(jìn)行采樣。
2 基于新的電流采樣方法的均流原理
以兩路并聯(lián)Buck電路為例,如圖2所示
由式(3)知，
Vc1=IL1R1+V
Vc2=IL2R2+V
式中：Vc1、Vc2分別為C1和C2上電壓的平均值；
IL1、IL2分別是L-和L2流過(guò)電流的平均值，亦即兩路輸出電流平均值；
R1及R2是濾波電感的等效串聯(lián)電阻，當(dāng)在工藝上設(shè)計(jì)并聯(lián)電源每路輸出電感基本上一樣時(shí)，可以認(rèn)為R1=R2。
因此，要控制兩路電流均流，即要求IL1=IL2，于是，只要控制Vc1=Vc2就行了。所以，電容C1及C2上的電壓Vc1和Vc2可以代表兩路電流IL1及IL2大小，可用來(lái)進(jìn)行均流控制。
這樣，便可得到如圖3所示的控制框圖，
3 常用均流方法的分析比較
開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)常用的均流方法有以下幾種。
輸出阻抗法即Droop(下垂，傾斜)法調(diào)節(jié)開關(guān)變換器的外特性傾斜度(即調(diào)節(jié)輸出阻抗)，以達(dá)到并聯(lián)模塊接近均流的日的。這種方法是一種簡(jiǎn)單的大致均流的方法，精度比較低。
主從法適用于電流型控制的并聯(lián)開關(guān)電源系統(tǒng)中。這種均流系統(tǒng)中有電壓控制和電流控制，形成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。這種方法要求每個(gè)模塊問(wèn)有通訊，所以使系統(tǒng)復(fù)雜化，并且當(dāng)主模塊失效時(shí)，整個(gè)電源系統(tǒng)便不能工作。
平均值均流每個(gè)并聯(lián)模塊的電流放大器輸出端接一個(gè)相同的電阻到一條公共母線上，形成平均值母線。當(dāng)某模塊電壓比母線電壓高時(shí)，輸出電壓下降，反之亦然。
最大值均流法和平均值均流法相似，區(qū)別只是每路電流通過(guò)一個(gè)二極管連到一條公共母線上。這種方法其實(shí)質(zhì)是一種“民主均流”方法，電流最大的那個(gè)模塊自動(dòng)成為主模塊，其他模塊為從模塊，從而“自動(dòng)主從控制”。
在大功率DC／DC開關(guān)電源中，為了獲得更大的功率，特別是為了得到大電流時(shí)，經(jīng)常采用N個(gè)單元并聯(lián)的方法。多個(gè)單元并聯(lián)具有高可靠性，并能實(shí)現(xiàn)電路模塊標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)。然而在并聯(lián)中遇到的主要問(wèn)題就是電流不均，特別在加重負(fù)載時(shí)，會(huì)引起較為嚴(yán)重的后果。普通的均流方法是采取獨(dú)立的PWM控制器的各個(gè)模塊，通過(guò)電流采樣反饋到PWM控制器的引腳FB或者引腳COMP，即反饋運(yùn)放的輸入或者輸出腳來(lái)凋節(jié)輸出電壓，從而達(dá)到均流的目的。顯然，電流采樣是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：用電阻采樣，損耗比較大，電流放大后畸變比較大；用電流傳感器成本高；用電流互感器采樣不是很方便，州時(shí)會(huì)使電流失真。本文提出了一種新型的、方便的、無(wú)損的電流采樣方法，并在這種電流檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)系統(tǒng)的均流。
1一種新的電流采樣方法
如前所述，在均流系統(tǒng)中一些傳統(tǒng)的電流采樣力法都或多或少有些缺點(diǎn)。而本文提出的這種新的電流采樣力法，既簡(jiǎn)單方便，又沒(méi)有損耗。
下面以圖l所示的Buck電路為例，說(shuō)明這種新的電流檢測(cè)方法的原理和應(yīng)用。
電流檢測(cè)電路由一個(gè)簡(jiǎn)單的RC網(wǎng)絡(luò)組成，沒(méi)流過(guò)L的電流為iL，流過(guò)C的電流為ic，L兩端的電壓為vL，輸出電壓為vo上電壓為vc，則有vL+iLR1+vo．=vc+icR (1)
對(duì)式(1)在一個(gè)開關(guān)周期求平均值得
式中：VL是電感上的電壓在一個(gè)開關(guān)周期的平均值，顯然VL=O；
Vo為輸出電壓平均值；
IL電感電流平均值，等于負(fù)載電流ILoad;
Ic是電容在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)充放電電流的平均值，顯然Ic=0；
R1為電感的等效串聯(lián)電阻(ESR)。
于是式(2)可化為
所以，要檢測(cè)負(fù)載電流及電感電流的大小，只要檢測(cè)RC網(wǎng)絡(luò)電容上的電壓的大小就行了，這種方法可以很方便、簡(jiǎn)易、沒(méi)有損耗地對(duì)電流進(jìn)行采樣。
2 基于新的電流采樣方法的均流原理
以兩路并聯(lián)Buck電路為例,如圖2所示
由式(3)知，
Vc1=IL1R1+V
Vc2=IL2R2+V
式中：Vc1、Vc2分別為C1和C2上電壓的平均值；
IL1、IL2分別是L-和L2流過(guò)電流的平均值，亦即兩路輸出電流平均值；
R1及R2是濾波電感的等效串聯(lián)電阻，當(dāng)在工藝上設(shè)計(jì)并聯(lián)電源每路輸出電感基本上一樣時(shí)，可以認(rèn)為R1=R2。
因此，要控制兩路電流均流，即要求IL1=IL2，于是，只要控制Vc1=Vc2就行了。所以，電容C1及C2上的電壓Vc1和Vc2可以代表兩路電流IL1及IL2大小，可用來(lái)進(jìn)行均流控制。
這樣，便可得到如圖3所示的控制框圖，
3 常用均流方法的分析比較
開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)常用的均流方法有以下幾種。
輸出阻抗法即Droop(下垂，傾斜)法調(diào)節(jié)開關(guān)變換器的外特性傾斜度(即調(diào)節(jié)輸出阻抗)，以達(dá)到并聯(lián)模塊接近均流的日的。這種方法是一種簡(jiǎn)單的大致均流的方法，精度比較低。
主從法適用于電流型控制的并聯(lián)開關(guān)電源系統(tǒng)中。這種均流系統(tǒng)中有電壓控制和電流控制，形成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。這種方法要求每個(gè)模塊問(wèn)有通訊，所以使系統(tǒng)復(fù)雜化，并且當(dāng)主模塊失效時(shí)，整個(gè)電源系統(tǒng)便不能工作。
平均值均流每個(gè)并聯(lián)模塊的電流放大器輸出端接一個(gè)相同的電阻到一條公共母線上，形成平均值母線。當(dāng)某模塊電壓比母線電壓高時(shí)，輸出電壓下降，反之亦然。
最大值均流法和平均值均流法相似，區(qū)別只是每路電流通過(guò)一個(gè)二極管連到一條公共母線上。這種方法其實(shí)質(zhì)是一種“民主均流”方法，電流最大的那個(gè)模塊自動(dòng)成為主模塊，其他模塊為從模塊，從而“自動(dòng)主從控制”。
平均值均流和最大值均流法的均流母線斷開或者開路都不會(huì)影響各個(gè)電源模塊獨(dú)立工作，并且是自動(dòng)均流方法，均流精度比較高。
圖4為常見均流方法的原理圖。如果均流母線是并聯(lián)模塊電流的平均值，則是平均值均流法；如果是并聯(lián)模塊電流的最大值，則是最大值均流法；如果均流母線是并聯(lián)模塊中的主模塊的電流，則就是主從均流法。但是，在這些均流方法中，每個(gè)模塊都需要有一套獨(dú)立的PWM控制環(huán)。
4 新的均流方案
本文提出的方案是基于前所述的每路加一個(gè)簡(jiǎn)單的RC網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)其分配的電流大小。電容C兩端的電壓平均值就可以表征這路模塊的電流大小，所以，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行均流控制就是對(duì)各路RC網(wǎng)絡(luò)C上電壓進(jìn)行均壓。其均流原理圖如圖5所示。
圖5中：Vbus為均流母線電壓；
Vref為輸出電壓參考值；
Vs為輸出電壓的采樣值。
其工作原理和過(guò)程如下：
通過(guò)檢測(cè)RC網(wǎng)絡(luò)中C兩端的電壓，作為電流信號(hào)，幾路電流信號(hào)(本例只有兩路)通過(guò)一個(gè)相同的電阻就得到了平均值均流母線，平均值均流母線電壓值與負(fù)載有關(guān)，表征負(fù)載電流的大小。
然后將每路采樣來(lái)的電流信號(hào)與母線電壓比較，得到誤差信號(hào)，去修正輸出電壓參考信號(hào)，從而對(duì)PWM控制器的占空比輸出進(jìn)行微調(diào)，達(dá)到均流和穩(wěn)壓的目的。
5 實(shí)測(cè)結(jié)果
樣機(jī)是一臺(tái)DC5V輸入，2V／40A輸出的4路Buck并聯(lián)的開關(guān)電源，工作頻率為200 kHz，帶上滿載進(jìn)行測(cè)量每一路電流輸出，均流效果好，誤差在2％以下，電源輸出穩(wěn)定。當(dāng)輸出電流越大，即大功率并聯(lián)的電源系統(tǒng)中，均流效果越好。
6 結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)對(duì)常用的電流檢測(cè)方法與均流控制的分析研究，提出了用一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)電源輸出電流的方法，并在這種電流檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上給出了一種簡(jiǎn)單的并聯(lián)系統(tǒng)均流的方案。這種方案使電流檢測(cè)很方便，能高效率、低成本、簡(jiǎn)單、方便地實(shí)現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)的均流。
來(lái)源：C114
這種方法可以很方便、簡(jiǎn)易、沒(méi)有損耗地對(duì)電流進(jìn)行采樣。
2 基于新的電流采樣方法的均流原理
以兩路并聯(lián)Buck電路為例,如圖2所示
由式(3)知，
Vc1=IL1R1+V
Vc2=IL2R2+V
式中：Vc1、Vc2分別為C1和C2上電壓的平均值；
IL1、IL2分別是L-和L2流過(guò)電流的平均值，亦即兩路輸出電流平均值；
R1及R2是濾波電感的等效串聯(lián)電阻，當(dāng)在工藝上設(shè)計(jì)并聯(lián)電源每路輸出電感基本上一樣時(shí)，可以認(rèn)為R1=R2。
因此，要控制兩路電流均流，即要求IL1=IL2，于是，只要控制Vc1=Vc2就行了。所以，電容C1及C2上的電壓Vc1和Vc2可以代表兩路電流IL1及IL2大小，可用來(lái)進(jìn)行均流控制。
這樣，便可得到如圖3所示的控制框圖，
3 常用均流方法的分析比較
開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)常用的均流方法有以下幾種。
輸出阻抗法即Droop(下垂，傾斜)法調(diào)節(jié)開關(guān)變換器的外特性傾斜度(即調(diào)節(jié)輸出阻抗)，以達(dá)到并聯(lián)模塊接近均流的日的。這種方法是一種簡(jiǎn)單的大致均流的方法，精度比較低。
主從法適用于電流型控制的并聯(lián)開關(guān)電源系統(tǒng)中。這種均流系統(tǒng)中有電壓控制和電流控制，形成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。這種方法要求每個(gè)模塊問(wèn)有通訊，所以使系統(tǒng)復(fù)雜化，并且當(dāng)主模塊失效時(shí)，整個(gè)電源系統(tǒng)便不能工作。
平均值均流每個(gè)并聯(lián)模塊的電流放大器輸出端接一個(gè)相同的電阻到一條公共母線上，形成平均值母線。當(dāng)某模塊電壓比母線電壓高時(shí)，輸出電壓下降，反之亦然。
最大值均流法和平均值均流法相似，區(qū)別只是每路電流通過(guò)一個(gè)二極管連到一條公共母線上。這種方法其實(shí)質(zhì)是一種“民主均流”方法，電流最大的那個(gè)模塊自動(dòng)成為主模塊，其他模塊為從模塊，從而“自動(dòng)主從控制”。
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