電源模塊并聯(lián)供電的冗余結(jié)構(gòu)及均流技術(shù)

摘要：介紹了將電源模塊并聯(lián)，并構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)進(jìn)行供電的好處，講述了幾種傳統(tǒng)的并聯(lián)均流電路，討論了各種方式下的工作過(guò)程及優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)均流技術(shù)的發(fā)展做了展望。

關(guān)鍵詞：電源模塊；并聯(lián)；冗余；均流

1    概述

    隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種電子裝置對(duì)電源功率的要求越來(lái)越高，對(duì)電流的要求也越來(lái)越大，但受構(gòu)成電源模塊的半導(dǎo)體功率器件，磁性材料等自身性能的影響，單個(gè)開(kāi)關(guān)電源模塊的輸出參數(shù)（如電壓、電流、功率）往往不能滿足要求。若采用多個(gè)電源模塊并聯(lián)供電，如圖1所示，就不但可以提供所需電流，而且還可以形成N＋m冗余結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可謂一舉兩得。

圖1    多個(gè)電源模塊并聯(lián)供電框圖

    但是，在電源模塊并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，由于各個(gè)模塊參數(shù)的分散性，使其輸出的電流不可能完全一樣，導(dǎo)致有些模塊負(fù)荷過(guò)重，有些模塊過(guò)輕。這將使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，會(huì)給我們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)嚴(yán)重的后果，而且電源模塊自身的壽命也會(huì)大大縮短。國(guó)外有資料表明，電子元器件在工作環(huán)境溫度超過(guò)50℃時(shí)的壽命是在常溫（25℃）時(shí)的1/6。因此，使各并聯(lián)電源模塊的輸出電流平均分配，是提高并聯(lián)電源系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個(gè)必須解決的問(wèn)題。

    本文從均流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā)，介紹幾種傳統(tǒng)的并聯(lián)均流方案，對(duì)于其他均流方案（比如按熱應(yīng)力自動(dòng)均流法），暫不做討論。對(duì)于文中提到的每一種均流方法，都做了詳細(xì)的介紹，并結(jié)合簡(jiǎn)單電路圖，講述其工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)[1][2][3][4]。在文章的最后部分，對(duì)并聯(lián)均流的發(fā)展做了簡(jiǎn)單的展望。

2    N＋m冗余結(jié)構(gòu)的好處

    采用N＋m冗余結(jié)構(gòu)運(yùn)行，可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

    N＋m冗余結(jié)構(gòu)，是指N＋ m個(gè)電源模塊一起給系統(tǒng)供電。這里N表示正常工作時(shí)電源模塊的個(gè)數(shù)，m表示冗余模塊個(gè)數(shù)。m值越大，系統(tǒng)工作可靠性越高，但是系統(tǒng)成本也會(huì)相應(yīng)增加。

    在正常的工作情況下，由N個(gè)模塊供電。當(dāng)其中某個(gè)或者某些模塊發(fā)生故障時(shí)，它們就退出供電，而由m個(gè)模塊中的一個(gè)或全部頂替，從而保證整個(gè)系統(tǒng)工作的持續(xù)性及穩(wěn)定性。

    以某個(gè)輸出電流為100A的系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明冗余結(jié)構(gòu)運(yùn)行的好處，這里只討論1＋1，2＋1，3＋1三種工作方式，如圖2所示。各電源模塊的工作情況由K_n的閉合情況決定。

(a)    1＋1

(b)    2＋1

(c)    3＋1

圖2    三種冗余結(jié)構(gòu) [!--empirenews.page--]

    如果采用1＋1冗余結(jié)構(gòu)，即采用兩個(gè)輸出電流為100A的電源模塊并聯(lián)供電。正常情況下只有一個(gè)模塊工作，當(dāng)它發(fā)生故障，退出工作時(shí)，另一個(gè)模塊開(kāi)始工作，系統(tǒng)仍然能正常運(yùn)行。

    如果采用2＋1冗余結(jié)構(gòu)，即采用3個(gè)輸出電流為50A的電源模塊并聯(lián)供電。正常情況下只有兩個(gè)模塊工作，當(dāng)其中之一發(fā)生故障，退出工作時(shí)，另一個(gè)模塊開(kāi)始工作，系統(tǒng)仍然能正常運(yùn)行。

    如果采用3＋1冗余結(jié)構(gòu)，即采用4個(gè)輸出電流為33A的電源模塊并聯(lián)供電，正常情況下只有3個(gè)模塊工作，當(dāng)其中之一發(fā)生故障，退出工作時(shí)，另一個(gè)模塊開(kāi)始工作，系統(tǒng)仍然能正常運(yùn)行。

    比較上面三種工作方式，采用2＋1這種方式最好，這是因?yàn)椋?＋1方式中有一半的功率被閑置，而3＋1方式中使用元器件太多，成本過(guò)高，經(jīng)濟(jì)性不好。

3    幾種傳統(tǒng)的并聯(lián)均流方案

3．1    下垂法

    下垂法全稱(chēng)外特性下垂法，也叫做斜率控制法。在并聯(lián)電源模塊系統(tǒng)中，各個(gè)電源模塊是獨(dú)立工作的。每個(gè)模塊根據(jù)其外特性以及電壓參數(shù)值來(lái)確定輸出電流。在下垂法中，主要是利用電流反饋信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)各模塊的輸出阻抗，也就是調(diào)節(jié)V_o=f(I_o)的斜率，從而調(diào)節(jié)輸出電流。其工作原理圖如圖3所示。

圖3    下垂法工作原理圖

    R_i為任一并聯(lián)模塊輸出電流I_o的采樣電阻，經(jīng)電流放大產(chǎn)生電流反饋電壓信號(hào)V_i，V_f為輸出電壓反饋，V_r為V_i與V_f的和，V_g為控制基準(zhǔn)電壓（5V），V_e為誤差電壓。當(dāng)某一模塊輸出電流I_o偏大時(shí)，電壓與電流反饋合成信號(hào)V_r=V_i＋V_f增大，與V_g進(jìn)行比較后，使V_e減小，V_e反饋回電源模塊的控制部分，使該模塊的輸出電壓I_o下降，則I_o減小，即V_o=f(I_o)外特性下調(diào)。每個(gè)模塊各自調(diào)整自己的輸出電流，就可以實(shí)現(xiàn)各模塊的并聯(lián)均流。

    這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，不需要外加專(zhuān)門(mén)的均流裝置，屬于開(kāi)環(huán)控制。缺點(diǎn)是調(diào)整精度不高，每個(gè)模塊必須進(jìn)行個(gè)別調(diào)整，如果并聯(lián)的模塊功率不同的話，容易出現(xiàn)模塊間電流不平衡的現(xiàn)象。

3．2    主從電源法

    主從電源法是將并聯(lián)的多個(gè)電源模塊中的一個(gè)作為主模塊，其他模塊跟隨主模塊工作。具體工作過(guò)程是：主模塊的工作電流與輸出反饋信號(hào)進(jìn)行比較，將差值信號(hào)反饋回各電源模塊（包括主模塊和從模塊）的控制電路，從而調(diào)節(jié)各模塊的輸出電流大小。

    如圖4所示，設(shè)模塊1為主模塊，其輸出電流的采樣電壓為V₁，其他模塊輸出電流的采樣電壓為V_n。當(dāng)某一模塊輸出電流偏大時(shí)，相應(yīng)的V_n增大，與V₁比較，得到的V_en減小，反饋給該模塊的控制電路中，減小其輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)均流。

圖4    主從電源法工作原理圖

    主從模塊法的優(yōu)點(diǎn)是不須外加專(zhuān)門(mén)的控制電路。其缺點(diǎn)是，各個(gè)模塊間需要有通信聯(lián)系，連線比較復(fù)雜；其最大缺點(diǎn)是，一旦主模塊出現(xiàn)故障，則整個(gè)電源系統(tǒng)將崩潰，所以，不能用于冗余結(jié)構(gòu)中。

3．3    自動(dòng)均流法和最大電流法

    自動(dòng)均流法也叫單線法，其工作原理是，將各電源模塊都通過(guò)一個(gè)電流傳感器及一個(gè)采樣電阻接到一條均流母線上。

    如圖5所示，當(dāng)輸出達(dá)到均流時(shí)，輸出電流I₁為零。反之，則電阻R上由于有電流I₁流過(guò)，在其兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓U_ab，這個(gè)電壓經(jīng)過(guò)放大器A輸出電壓U_c，它與基準(zhǔn)電壓U_r比較后的ΔU，反饋回電源模塊的控制部分，從而調(diào)節(jié)輸出電流，最終實(shí)現(xiàn)均流。

圖5    單線法工作原理圖  [!--empirenews.page--]

    自動(dòng)均流法的優(yōu)點(diǎn)是，電路簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是，如果有一個(gè)模塊與均流總線短路，則系統(tǒng)就無(wú)法均流，而且單個(gè)模塊限流也可能引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。

    若將圖5中的電阻用一個(gè)二極管代替，二極管正端接a，負(fù)端接b。這樣，N個(gè)并聯(lián)的電源模塊中，只有輸出電流最大的那個(gè)模塊的電流才能使與它連接的二極管導(dǎo)通，從而均流總線電壓就等于該模塊的輸出電壓，其他模塊則以均流總線上的電壓為基準(zhǔn)，來(lái)調(diào)節(jié)各自的輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)均流。

    如果單純以二極管來(lái)代替采樣電阻，則由于二極管本身有正向壓降存在，所以，主模塊的均流精度會(huì)降低，而從模塊不受影響。這里可以用圖6所示的緩沖器來(lái)代替，從而提高均流精度。

圖6    緩沖器電路

    采用這種均流方式，參與均流的N個(gè)電源模塊，以輸出電流最大的為基準(zhǔn)，這個(gè)最大電流模塊是隨機(jī)的，這種均流方法也叫做“民主均流法”。由于最大均流單元工作于主控狀態(tài)，別的單元工作于被控狀態(tài)，所以，也把這種方法叫做“自動(dòng)主從均流法”。

    美國(guó)Unitrode公司開(kāi)發(fā)的UC3907系列集成均流控制芯片就是采用這種工作方式。

    UC3907芯片使多個(gè)并聯(lián)在一起的電源模塊分別承擔(dān)總負(fù)載電流的一部分，并且所承擔(dān)的負(fù)載電流大小相等。通過(guò)監(jiān)測(cè)每個(gè)模塊的電流，電流均衡母線確定哪個(gè)并聯(lián)模塊的輸出電流最高，并把它定為主模塊，再根據(jù)主模塊的電流調(diào)節(jié)其他模塊的輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)均流。

3.4    外部控制器法

    外部控制器法就是在各并聯(lián)電源模塊之外，加一個(gè)專(zhuān)門(mén)進(jìn)行并聯(lián)均流控制的外部模塊，如圖7所示。

圖7    外部控制法工作原理圖

    每個(gè)模塊的輸出電流采樣，轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，與給定的電壓V_cc進(jìn)行比較，所得差值輸入到各電源模塊的控制部分，這樣就可以實(shí)現(xiàn)各模塊輸出電流的并聯(lián)均流。

    這種工作方式，需要外加專(zhuān)門(mén)控制器，加大了投資，而且控制器與個(gè)電源模塊要進(jìn)行多路連接，連線較復(fù)雜，但是均流效果非常好，各模塊輸出電流基本相等。

4    電源并聯(lián)均流技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀及未來(lái)展望

    目前使用較多的并聯(lián)均流技術(shù)是主從控制法，而美國(guó)Unitrode公司以最大電流法為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)出的UC3907系列芯片，由于其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)大的功能，而獲得了廣泛的應(yīng)用。其詳細(xì)參數(shù)及工作過(guò)程，可參閱文獻(xiàn)[6]。

    由于單片機(jī)及DSP技術(shù)的迅速發(fā)展，有人用它們來(lái)控制并聯(lián)的電源模塊均流，效果很好。不過(guò)由于芯片造價(jià)較高，而且自身A/D及D/A精度不夠，若想得到理想的參數(shù)，還須外加專(zhuān)門(mén)的A/D及D/A芯片，故還未普及使用。