电源并联技术综述

《电子技术应用》2006年第8期 本刊邮箱:eta@ncse.com.cn - + 功率级 - + 电流 放大 均 流 母 线+ +Vr V′r Ve 均流控制器 VI a b VeVf 电压放大 图 1 平均电流法自动均流示意图 DC-DC PWM SC 均 流 母 线Ve + -VC Vf VI Vr 图 2有均流控制器的电源模块原理图 通常,电源模块并联比单个大功率电源集中式供电 更具优势。化模块并联方法已经广泛应用于分布式 电源系统。并联供电系统的理想特性是单个模块稳定均 分负载电流。并联模块因为控制参数不同而不同。如果 没有特殊的均流措施,一个或多个模块有可能过载而引 起某个器件的热应力过大,从而降低系统的稳定性。为 了获得并联电源的理想特性,目前已经提出一系列不同 并联方式和均流方法。成功的选择一个并联需要对 这些方法的优缺点有很深的了解。在选择并联方案时必 须考虑复杂性、费用、模块化等。各模块的交互作用应该 在设计和系统综合中被考虑以保证系统的稳定性、可靠 性和动态性能。本文针对 DC-DC以及逆变器并联的均 流方案进行论述。 1DC-DC并联均流方法 并联均流的基本方法有输出电压调整法、主从电源 控制法和按电流自动均流法等[1]。 1.1输出电压调节法[2] 在并联的电源系统中,每个模块按外特性和各模块 的电压参数值均分总负载电流。实际上是调节模块外特 性的负斜率的一种方法,利用电流反馈调整各模块的输 出阻抗,进而调整各模块输出电压,使之尽可能相近。这 种方法简单,属于开环控制,其缺点是调整精度差,每个 模块必须个别调整,对于不同额定功率的模块并联运行 时,难以实现均流,而且模块间可能有电流不平衡现象。 1.2主从电源法[2] 主从法是在并联的若干个电源模块中,一个作为主 电源模块,而其余作为从模块跟随主模块工作。在电流 型控制中误差电压与负载电流成比例,主模块误差电压 设定了整个系统的误差电压,通过各自的电流反馈控 制,使所有的模块分担相同的负载电流。缺点是:主从间 通讯联系使连线复杂;如果主模块失效,整个电源系统 不能工作,因而这种方法不适用于冗余系统;电压环带 宽大,易受噪声干扰。 1.3 按电流自动均流法[4] 这种方法无需外加均流控制器,并联的各个模块间 仅通过一个公共的均流母线 SCB联系。其原理完全是 建立在一个数学模拟电路———平均值电路的基础上实 现的[3]。工作示意图如图 1。 这种方法的缺点是当开关电源处于限流状态时,会 使均流线平均电流降低,开关电源的输出电压将被调至 下限值。当某一开关电源失效时,平均电流值降至更低, 其余开关电源输出电流会同时减少,导致整个开关电源 系统不能正常工作。 1.4外加控制器法 这种方法需要特殊的均流控制器,比较所有模块的 电流,调节相应的反馈信号以实现均流。图 2为有均流 控制器时一台电源模块的系统。图中 VC反映了模块的 输出电流,误差电压 Ve综合了 SC输出电压 VC,反馈电 压信号 Vf以及基准(参数)电压 Vr,各均流控制器联接 在公共母线 SCB上。 1.5按热应力自动均流 美国 Lambda电子公司建议一种按热应力 (而不仅 电源并联技术综述 王 悦,陈志彬 (鞍山科技大学,辽宁 鞍山 114044) 摘 要:多模块并联开关电源能较灵活地实现对电源系统容量的扩展,为了增加整个电源系统 的可靠性,可以用多个电源模块组成并联冗余系统。文中对目前采用的 DC-DC及逆变器并联技术的 现有方法、发展现状及趋势进行了综述。 关键词:DC-DC 逆变器 并联 并联控制 均流 专家论坛 1 《电子技术应用》2006年第8期欢迎网上投稿 www.aetnet.cnwww.aetnet.com.cn DC-DC Vb Ve VI 电压放大 - + - + 平 均 母 线 I R1 R3 R2 R4 R5 R6 R7 电流放大 a b 图 3 应力法均流原理图 U! o1 U! o2Z1 Z2I ! od ZL U! o2 U! o1 U! odp I! odp U! o1 U! o2 U! odm I! odm (a) (b) (c) 图 4 二模块逆变器并联的简化电路及其输出电压电流相量 仅是按电流值)的自动均流技术,以下简称应力法,已成 功地应用于该公司的 P系列 ZVS开关变换器中。 图 3给出一台模块电源的应力法均流控制示意图, 直流电流、放大后得到一个低带宽电压 VI=KITa,K 与 a为常数,T与变换器运行温度成正比,I为平均输出 电流。因此,每个模块的电流和温度(热应力)决定了均 流的程度。Vc加到由 R1-R4组成的电阻电桥输入端,桥 的输出接放大器,R1和 R2形成加法器,在 b点产生 n台 模块的平均电压 Vb=(Vc1+Vc2+⋯+Vcn)/n,b点接到均流 母线 SCB。VI通过 R3、R4分压得到 Va,Va反映了电源的 ITa值,Va与 Vb比较,若 Va﹤Vb,则 R5中电流增大,使该 模块的输出电压上升,输出更多电流,使 Va接近于 Vb, R5也限制了偏离母线电压 Vb的最大偏差。 并联电源系统中各模块在电源柜中的位置不同,对 流情况和散热条件不同,造成有的模块温度高,有的模 块温度低,按热应力的均流技术可在设计时不必考虑模 块的布置,此外,Lambda公司认为,由于这种技术中回 路频带窄,对噪声不敏感,设计时也无需考虑电源对噪 声的屏蔽。 1.6均流调节器集成电路 UC3907[4] 美国 UnitrodeIC公司 1993年开发了 UC3907,一种 便于多个独立电源模块并联用的均流调节器集成电路。 可用以控制并联电源的输出电压,并在电源模块间均匀 分配负载电流。 UC3907集成电路由电压环与电流环组成,电压环中 包含高阻抗、全差动电压放大器,接地放大器和驱动放 大器;电流环中包含低损耗、固定增益电流放大器,缓冲 放大器,调整放大器和状态指示器。 UC3907芯片使多个并联在一起的电 源模块分别承担负载电流的一部分,并 且所承担的负载电流大小相等。通过检 测每个模块的电流,电流均流母线确定 哪个并联模块的输出电流最高,并把它 定为主模块,再根据主模块的电流调节 其他模块的输出电流,使并联运行的电 源模块单元工作在所设定的电流值上, 从而实现均流,精度可达 2.5%。 在文献[5]中介绍了 UC3907与 SG3524 结合的 PWM变换器并联均流系统。 2并联逆变技术 二十世纪 80年代国外开始研究 DC/ DC变换器并联运行技术,现已取得实质 性的成果,而新的均流技术、系统稳定性等方面的研究 仍在不断深入。同主电路和控制电路的研究发展过程一 样,逆变器并联运行技术的研究也是在借鉴 DC/DC并 联技术的基础上不断深入。但由于是正弦输出,其并联 运行远比直流电源困难,首先要解决三个问题: (1)两台或多台投入运行时,相互间及与系统的频 率、相位幅度必须达到一致或小于容许误差时才能投 入,否则可能给电网造成强烈冲击或输出失真。而且并 联工作过程中,各逆变器也必须保持输出一致,否则,频 率微弱差异和积累将赞成并联系统输出幅度的周期性 变化和波形畸变;相位不同使输出幅度不稳。 (2)功率的分配包括有功和无功功率的平均分配, 即均流包括有功和无功均流。直流电源的均流技术不能 直接采用。 (3)故障保护。除单机内部故障保护外,当均流或同 步异常时,也要将相应逆变器模块切除。必要时还要实 现不中断转换。 目前,实现逆变器并联运行的几类典型方法有: 2.1自整步法[6] 并联系统中各模块是等价的,没有专门的控制模 块。通过模块间的I! od均流线实现同步和均流,源于航空 恒速恒频(CSCF)电源的自整步并联技术。其基本原理 如图 4。 逆变器输出端通常接 LC滤波器,二通道并联时差 模阻抗 Z1-Z2只包含输出滤波电感 Lf,而输出滤波电容 Cf归入负载阻抗 ZL中。当二模块的输出电压U! o1、U! o2存 在偏差电压U! od时,其幅度偏差U! odm与U! o1、U! o2基本同相, 相位偏差U! odp超前U! o1、U! o2、约 90°。减小U! o1、U! o2的幅值偏 差和相位偏差将会减小偏差电压U! od(=U! odm-U! odp),从而减 小环流I! od(=I! odm-I! odp)。U! odm引起的偏差电流I! odm滞后偏差 电压 90°;U! odp引起的偏差电压I!odp滞后U! odp90°,与U! o1、U! o2基 专家论坛 2 《电子技术应用》2006年第8期 本刊邮箱:eta@ncse.com.cn 图 5 偏差电流检测电路 I! 1 Z1 T1 T2 Z2 Rs1 Rs2I! Rs1 I! A I! Rs2 I! 2 U! o1 U! o2ZL 本同相。因此,对幅值偏差的控制可以通过对偏差电流 无功分量的控制来实现,使二通道无功功率趋于均衡; 对相位偏差的控制,可以通过对偏差电流有功分量的控 制来实现,使二者趋于均衡;对相位偏差的控制,可以通 过对偏差电流有功分量的控制来实现,使二通道通过有 功功率趋于均衡。 偏差电流检测电路如图 5所示,设逆变器模块 1、2 中电流互感器二次侧电流分别为I! 1、I! 2,检测电阻 Rs1、Rs2 中的电流分别为 IRs1、IRs2,则电流检测闭合环路满足: I! Rs1Rs1+I! Rs2Rs2=(I! 1-I! A)Rs1+(I! 2-I! A)Rs2=0 (1) 若 Rs1=Rs2,则 I! A=(I! 1-I! 2)/2 (2) 式(2)表明,I! A体现了负载电流平均值,I! Rs1、I! Rs2体现 了电流偏差,将其分离成无功分量与有功分量,并分别 用来调节电压幅值和相位,从而实现无功功率和有功功 率的均衡,如图 6。 自整步法常适用于开环控制的低频调制逆变器,电 流检测、分离和控制电路复杂,调节时间长、精度低。 2.2 外特性下垂法[6][7] 出发点类似于直流输出变换器并联均流的下垂法。 模块间没有控制信号连线。它仅以本模块有功功率、无 功功率和失真功率为控制变量,从而使各模块独立工 作。各模块有自己的控制电路,之间唯一的连接是各模 块交流并联功率输出线。均流靠模块内部输出频率、电 压和谐波电压分别输出的有功功率、无功功率和失真功 率呈下垂特性,从而实现同步和均流。 各逆变器的下垂特性为: ωoi=ωoi0-k1iPoi (3a) Uoi=Uoi0-k2iQoi (3b) ωoi、Uoi分别为输出电压空载时的角频率、有效值, k1i、k2i分别为 ωoi、Uoi的下降斜率。下垂特性使各逆变器 模块的功率流受控,系统的频率和电压降落到新工作 点,该点环流最小。 非线性负载时,视在功率 S的表达式中又增加了一 项谐波电流引起的失真功率 D,即: S2=P2+Q2+D2 与基波无功功率不同,只调整逆变器输出电压的基 波分量不会影响失真功率,解决这一问题的方法之一是 依照失真功率的函数调整电压环增益,使电压环的增益 和带宽随谐波分量而降低,从而得到所需的输出阻抗特 性。借此降低电压分量,改善各模块对谐波电流的均流。 这一方案的关键环节是功率的计算单元。算法必须 能处理线性和非线性两种负载情况。算法所需信息源于 电感电流和输出电压,其基本思路是将电感电流谐波分 解,然后以输出电压与之相乘,从而得到各个功率分量。 该方案的优点是各模块仅在负载端相连,方便现场 组成并联系统,特别适合于分布式并联系统。缺点是下 垂特性赞成系统的频率和电压随负载而变,偏离理想工 作点,均流效果不够理想。特别是动态过程或带非线性 负载时,算法实现较复杂。 2.3同步开关控制法[7] 该方法由一个外部控制器和 N个具有相同额定输 出功率的逆变器模块构成,是一种较简单的集中控制并 联方法,没有设置均流电路。外部控制器检测输出电压, 产生 PWM开关控制信号,控制各模块的功率开关同时 进行状态转换。 并联逆变器同步开关控制法具有如下特点:(1)每 个逆变器模块无法脱离外部控制器而独立工作,系统的 冗余性和模块通用性较差;(2)对逆变器模块的参数一 致性要求较高,模块输出阻抗的不一致性引起的负载不 平衡现象无法克服,均流精度差;(3)逆变器模块间的通 信信号线多,增加了控制电路的故障。 2.4主从模块法[7] 主从式并联逆变器系统由一个电压控制 PWM逆变 器主模块、数个电流控制 PWM逆变器从模块和一个功 率分配中心组成。主模块保证系统输出的正弦电压幅 值、频率稳定,从模块输出的电流跟随参考电流的变化 来实现负载均分,功率分配中 心检测负载电流,并分配每个 从模块的参考电流。 主从模块法并联系统具有 如下特点:(1)电压控制 PWM逆 变器模块、电流控制 PWM逆变 器模块均有独立的控制环,系 统稳定性好,易于容量扩展,均 专家论坛 有功分量 相角调节器 频率控制 无功分量 电压调节器 电压 幅值 基准 电压 相位 基准 至其他模块 T1Z1 U! o1 至负载总线 图 6自整步并联逆变系统控制框图 至电流 检测环 3 《电子技术应用》2006年第8期欢迎网上投稿 www.aetnet.cnwww.aetnet.com.cn 流效果好;(2)电压控制 PWM逆变器、电流控制 PWM逆变 器和功率分配中心是不同性质的模块单元,构成复杂,主 模块一旦失效,从模块无法工作,系统没有实现冗余,可 靠性低。(3)各模块间相互的连接线会引入噪声干扰。 基于“民主”主从模块法的 N个逆变器模块并联系 统通过硬件开关选择或软件设置,将任一逆变器模块设 置为主模块 1并控制其输出电压,电压环的输出即为所 有模块电流给定信号,从模块从 2-N自身的电压环不 再起作用。当主模块故障时,任一从模块上升为主模块。 这种主从模块法可实现并联系统的冗余,实现系统的模 块化,提高了系统的可靠性,但模块间仍有通信连线。 2.5平均值电流控制法[8] 该系统中,同步的各逆变器模块的基准电压信号的 平均值作为各模块电压外环的给定,各模块电压反馈信 号的平均值作为各模块电压外环的反馈信号,各模块电 压调节器输出的平均值作为各模块电流内环的给定,各 模块输出滤波电感电流作为电流反馈信号。由于各模块 输出滤波电感电流均跟踪给定电流的变化,所以可以实 现各模块输出均流。 平均值电流控制法与主从模块法均属于电流跟踪 控制法。平均值电流控制法具有如下特点:(1)电压基 准、电压反馈、电流基准均为各并联模块相应信号的平 均值,并联系统的动态和静态性能不比单模块性能差; (2)不需附加额外的并联控制模块;(3)模块间的模拟 信号线较多,易受干扰,不适用于远距离通信;(4)并联 控制电路复杂,可靠性较低。 3并联逆变技术的发展趋势 随着智能化技术、模糊控制理论、EDA技术的出现 及不断发展日渐成熟,各种新的并联逆变控制技术不断 被提出,并付诸研究实践。在文献[9]中提出了数字式逆 变器并联智能化均流,文献[10]中提出了模糊控制理论 实现自动均流的应用技术,文献[11]中提出了 DSP技术 在并联逆控制中的应用。这些都表明并联逆变技术正朝 着高功率、高变换效率、大容量、高可靠性、无污染、智 能化的方向发展。目前国外已经公开发表了很多控制器 用单片 FPGA或 CPLD集成方面的文章,国内对这种技 术的研究也在不断深入,但毋庸置疑,这也将是今后并 联逆变技术的一个发展方向。 参考文献 1朱金芳.并联均流技术在通信开关电源中的应用.辽宁科 技学院学报,2005;7(3):36～37 2徐亚东,雄 伟.小功率开关电源并联使用均流技术.电子 技术与应用,2002;(2):31～33 3李士庆.高频开关电源并联均流技术及应用.煤矿机械, 1998;(3):40～41 4张占松、蔡宣三著.开关电源的原理与设计[M]:电子工业 出版社.2004 5刘春艳.UC3907在开关电源并联系统中的应用.移动电源 与车辆,2005;(2):7～9 6陈道炼.DC-AC逆变技术及其应用.机械工业出版社, 2003 7邢岩等.逆变器的并联运行技术.电源技术应用,2004: http://www.b2bic.com/ 8王 敏.基于平均电流法控制的逆变器系统并联技术的研 究.电力机车与城轨车辆,2005;28(3):18～20 9杜鹏英等.数字式 ACDC电源并联系统及其智能化均流. 科技通报,2005;21(3):302～305 10赵 珂.模糊控制理论在自动均流技术中的应用.电力电 子技术.2005;39(4):115～117 11秦娟英.逆变器并联控制及 DSP应用.电气传动.2005;35 (6):29～31 12ShiguoLuo.AClassificationandEvaluationofParalleling MethodsforPowerSupplyModules:IEEETRANSACTIONS ONPOWERELECTRONICS,VOL19,PP901-908,MAY1999 (收稿日期:2006-03-24) 专家论坛 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! " !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! " XILINX推出 ISE8.2i——— 面向新型 65NM VIRTEX-5FPGA 系列的完整逻辑设计解决方案 2006年 7月 5日,中国北京———赛灵思公司(NASDAQ:XLNX)近日宣布推出集成软件环境 (ISETM)工具套件 8.2i版本,这是其广泛应用的设计解决方案的最新版本,现可支持该公司最新系列 65nmVirtexTM-5领域优化 FPGA。利用 Virtex-5ExpressFabricTM技术的高性能特性,ISE8.2i设计环境可实现比前一代 FPGA快 30%的性 能。该最新版本还具有一种独特的集成时序收敛环境和新的生产率增强特性,以完全发挥 Virtex-5器件的性 能和功耗优势。 满足时间预算的能力是当今设计者们面临的头号生产率问题。随着 VirtexFPGA越来越多地出现在复杂 系统的核心,设计工具帮助设计者实现积极的性能目标并减少设计周期的时间。借助 ISE8.2i实现支持新型 交互式时序收敛环境,Virtex-5系列的高级特性和性能可以得到快速和高效地利用。 Mercury公司已经在使用 ISE8.2i的试用版本为赛灵思 Virtex-5器件芯片创建位流。虽然是试用版本,但 也已证明具有较高的质量。新工具利用 Virtex-5硬件特性来提高 FPGA编程者的生产率,以较少的努力获得 高性能。欢迎访问:www.xilinx.com/cn (赛灵思公司供稿) 4