一种新型开关电源模块均流技术的研究

发布时间:2008/5/28 0:00:00 访问次数:397

　　众所周知，并联技术已成为实现大功率分布式电源系统的核心技术[1]，但由于各并联电源模块特性并不完全一致，输出电压高的模块可能承担更多负载，而有的模块则可能轻载、甚至空载运行，结果导致分担电流多的模块热应力大，降低了电源整体的工作可靠性。随着电子系统的发展，对电源可靠性、效率和功率密度的要求越来越高，因此有必要采取一种有效的均流控制方案，保证整个电源系统的输出电流按各个单元模块的输出能力均摊，这样既能充分发挥单元电源模块的输出能力，又能保证每个单元电源的工作可靠性。

　　目前已有大量文献介绍并联电源系统的均流技术，虽然其原理不尽相同，但控制器的设计都是在电源模块简化、近似的数学模型基础上进行。考虑到大功率器件及其电源模块的非线性特性，基于古典反馈控制的均流措施不可能取得满意的控制效果。随着计算机技术的迅速发展，复杂参量和系统的状态实时计算、估计已成为现实，自适应控制、滑模变结构控制等现代控制理论以及模糊控制、神经网络等智能控制方法都已应用于电力电子系统[2]。因此，在设计高精度、高稳定性电源时使用先进的控制策略论将更具吸引力和实用价值。本文将模糊控制与常规pid控制相结合，并采用积分前馈控制，构成智能均流控制器，试验波形表明电源系统的动、静态性能得到了显著提高。

　　并联dc/dc模块的主-从均流法

　　工作原理

　　如图1a所示，在主从控制方式下的n个模块中#1模块作为主模块（master），工作在电压源（vs）方式（图1b），其余n-1个模块作为从模块（slave），工作在电流源（cs）方式（图1c）。vr1是主模块的电流基准值，作为pwm控制器的控制电压；从模块的pwm控制器由主模块与从模块输出电流的偏差电压即电流负反馈来调节，csc是均流控制器。由于从模块电流均按主模块电流进行调节，其输出电流与主模块电流基本一致，从而实现均流。因此，该系统实际上是一个由电压外环和电流内环构成的双闭环控制系统。

　　
图1　并联电源模块的主-从均流法工作原理图

　　主要特点

　　双闭环主-从均流控制技术主要有以下特点:

　　（1）每个电源模块的输出电流能够自动按功率份额均摊，实现均流；

　　（2）当输入电压或/和负载电流变化时，能保持输出电压稳定，并且均流瞬态响应好；

　　（3）由于主从模块间需要通讯联系，所以整个系统较为复杂。

　　pid均流控制器（csc）设计

　　虽然文献[3]提出的pi均流控制器在dc/dc模块电源并联系统中获得了较高的均流精度，但动态性能尚无法满足电源在负载变化或电网波动过程中的快速性要求。为改善动态特性，在pi调节器的基础上引入微分环节，构成pid控制器。这里以降压型（buck）dc/dc电源模块为例，进行具体说明。模块参数:输入电压15v，输出电压5v，输出电流15a。系统采用三模块并联的msc拓扑，电源总输出电流是45a。若均流控制器（csc）采用图2所示的pi控制器，选择其带宽bw=28khz，相位裕量pm=48°，幅值裕量gm=15db，则其传递函数及参数：

　　
图2　模糊均流控制器结构图

　　

其中：

　　

在pi控制器的基础上引入微分环节，增加低频段零点，从而在保证充分相位裕量的前提下，增加系统带宽。为提高系统快速性，将pid调节器的带宽由28khz提高到100khz，相位裕量不变，幅值裕量为无穷大，则pid控制器的传递函数为:

　　

其中：kp=20，ki=1，kd=0.1，传递函数中包括z1=0.05s-1、z2=300×103s-1两个零点和附加微分环节的高频极点p=-ωp，ωp值由式（1）决定。值得注意的是，虽然电源系统的响应速度有了显著提高，但是带宽的增加使系统抑制输入信号高频噪声的能力大大下降。因此带宽的选择应当是在电源系统