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，經(jīng)常采用N個單元并聯(lián)的方法。多個單元并聯(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)中遇到的主要問題就是電流不均，特別在加重負(fù)載時，會引起較為嚴(yán)重的后果。普通的均流方法是采取獨(dú)立的PWM控制器的各個模塊，通過電流采樣反饋到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，電流采樣是一個關(guān)鍵問題：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，州時會使電流失真。本文提出了一種新型的、方便的、無損的電流采樣方法，并在這種電流檢測方法的基礎(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，既簡單方便，又沒有損耗。

下面以圖l所示的Buck電路為例，說明這種新的電流檢測方法的原理和應(yīng)用。

電流檢測電路由一個簡單的RC網(wǎng)絡(luò)組成，沒流過L的電流為iL，流過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)

對式(1)在一個開關(guān)周期求平均值得

式中：VL是電感上的電壓在一個開關(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，要檢測負(fù)載電流及電感電流的大小，只要檢測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、簡易、沒有損耗地對電流進(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)計并聯(lián)電源每路輸出電感基本上一樣時，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)。這種方法要求每個模塊問有通訊，所以使系統(tǒng)復(fù)雜化，并且當(dāng)主模塊失效時，整個電源系統(tǒng)便不能工作。

平均值均流每個并聯(lián)模塊的電流放大器輸出端接一個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，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一個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，電流最大的那個模塊自動成為主模塊，其他模塊為從模塊，從而“自動主從控制”。

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影響各個電源模塊獨(dú)立工作，并且是自動均流方法，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簡單的RC網(wǎng)絡(luò)檢測其分配的電流大小。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，對系統(tǒng)進(jìn)行均流控制就是對各路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。

其工作原理和過程如下：

通過檢測RC網(wǎng)絡(luò)中C兩端的電壓，作為電流信號，幾路電流信號(本例只有兩路)通過一個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。

然后將每路采樣來的電流信號與母線電壓比較，得到誤差信號，去修正輸出電壓參考信號，從而對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)測結(jié)果

樣機(jī)是一臺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

本文通過對常用的電流檢測方法與均流控制的分析研究，提出了用一個RC網(wǎng)絡(luò)檢測電源輸出電流的方法，并在這種電流檢測方法的基礎(chǔ)上給出了一種簡單的并聯(lián)系統(tǒng)均流的方案。這種方案使電流檢測很方便，能高效率、低成本、簡單、方便地實(shí)現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)的均流。