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    自动负载均流法和电流自动均流在电源系统中的应用

    [ 作者:润富开关电源    来源:润富电源    点击数:3943    更新时间:5/10/2011 ]


    大功率电源系统采用多台开关电源 并联运行实现,是目前电源技术的发展方向之一。可并联运行的模块化电源具有很多优点,一是小功率的电源模块可以方便地组合成大功率的电源系统,其容量可以任意扩展;二是实现电源系统的冗余设计,提高其可靠性;三是使用场合不受限制,根据需要组合,方便灵活。原则上,多台电源并联构成的大功率电源系统,应像单台电源一样,在输入总线和输出负载情况下,除系统的输出电压始终保持稳定外,还能长期、无故障的可靠运行。这就要求系统中各台电源承受的电、热应力基本相当。也就是说,必须采取某种相应的措施,保证系统不致因各电源承载情况的差异,造成电热不平衡而引起的恶性循环,影响系统特性和可靠运行。均流技术就是对系统中各并联电源的输出电流加以控制,尽可能均分系统输入总电流,确保多台电源可靠运行的一种特殊措施。图1所示为多台开关电源并联均流实现大功率电源系统的示意图。本文就自动均流技术及其应用做简要讨论。

     

    图1 多台开关电源 并联均流实现大功率电源系统


    自动均流技术是常用的硬件电流均流技术之一。该方法是通过均流总线和相并联各电源间电流信号的比较获得相应修正量,来实现各单元电源间电流均匀分配的。在这里主要讨论平均电流的自动负载均流法和最大电流自动均流法。

    平均电流的自动负载均流
    1 工作原理
    这种均流方式采用了一个窄带电流放大器,输出端通过阻值为R的电阻连到均流母线上,N个单元电源采用N个这种结构(见图2)。

     

    图2 平均均流工作原理


    当输出达到均流时,电流放大器输出电流为零,这时电源系统处于均流工作状态。当输出达不到均流时,在电阻R上产生一个Vab,由这个电压控制A1,由A1再控制单元功率的输出电流,最终使它达到均流。


    2 特点
    ① 均流效果好,易实现准确均流;


    ② 在具体使用中,如出现均流母线短路或接在母线上的一个单元电源不工作时,母线电压下降,将使每个电源输出电压下调,甚至达到下限,以致造成故障。并且,当某一模块的电流上升到I0MAX时,电流放大器输出电流也达到极限值,同时致使其他单元电源输出电压自动下降。


    3 具体应用电路
    ① 用运放和功率开关实现负载均流电路;
    如图3所示,实现了两个模块均流电流的连接,实现了当负载变化时,每台电源的输出电压变化相同,母线电流IO=(IO1+IO2…+IOM)/n,从而实现均流。这个电路的优点就是,当其中一个模块不能正常工作时,通过开关QC1和QC2截断此模块的工作,以避免过大的电流通过。

     

    图3  双模块的均流连接


    采用运放产生电流误差信号,电路的灵敏度很高,特别是对噪声的干扰,因此系统的稳定性较差。为提高稳定性,给出图3所示的电路,用低通滤波器加上比较器,代替运放来产生误差信号。


    ② 用低通滤波器和比较器实现负载均流电路。
    图4中的电路表示应用均流电路的两个模块的连接。这种均流技术不采用运放来产生电流误差信号,因而电路十分稳定且容错性强,电路简单易行。R2、R3、C1组成低通滤波器,电流源Is表示与输出电流以成比例的取样电流。为实现和维持所需的均流,电流均分母线将各模块的均流电路连接在一起,电流均分母线上的电压确定了模块所需的输出电流。

     

    图4 应用均流电路的双模块连接

    最大电流的自动均流法
    1 工作原理
    将图2所示均流框图中的电阻用一个二极管代替,二极管正端接A,负端接B,这样只有当N个单位电源中输出电流最大的一个电流放大器输出才能使二极管导通,从而影响均流母线电压,进而达到均流调节的目的。这种方法一次只有一个单元参与调节工作。


    2 特点
    ①在这种均流方式下,参与调节的单元由这几个单元的最大电流输出单元决定,每次只有这个最大电流输出单元工作,这个最大电流单元是随机的。由于一旦最大均流单元工作,就处于主控状态,而别的单元则处于被控状,因此这种方法又叫自动主/从控制法。


    ②由于二极管总有正向压降因而主单元均流总有误差,而从单元电源的均流效果是较好的,UC3902均流控制芯片就工作在这种方式下。

    3  UC3902均流芯片的应用实例
    (1)外围电路参数确定
    电源模块并联时的原理如图5所示。电源模块输出最高电压为143V,最低电压120V,最大电流10A,辅助电源采用15V供电。芯片内部的运算放大器最高输出电压为10V,这也是均流母线上的最高电压。对母线电压的选择要综合考虑噪声的敏感度,均流精度和并联的模块数。均流母线只由主模块驱动,从模块在均流母线上代表10kΩ电阻的负载,这意味着每个模块单元在均流母线上将以100μA/V增加主模块芯片均流端的供电负载。为提高均流精度,检测电阻采用精度比较高的电阻,选VCSAO为6V,因此,RSENSE=6/(10×40)=0.015Ω电阻RG的值依赖于NPN缓冲三极管和RADJ电阻。三极管的集电极电流应该小于10mA,为安全使用选为5mA。较小的电流会增加对噪声的灵敏度,而过高的电流会增加三极管的损耗,在芯片内部缓冲三极管的损耗是很重要的一部分。它的实际电压由ADJR管脚上的最高电压(2.6V),为此,RG=2.6V/5mA=520Ω,实际选为510Ω。

     


    图5


    电阻RADJ由最大电压输出范围决定,ΔVOmax=(143-120)/25=0.91V,式中,25=(Rout1+Rout2)/Rout2
    RADJ=(0.91-10×0.015)/5mA =152Ω,因此,实选RADJ=150Ω。
    补偿元件CC和RC可由均流环增益求得:
    ASH=APWR×(RSENSE/RLOAD) ×40×GM×(1/sCc+Rc)×(RADJ/RG)×24
    假设均流环的交越频率=500(rad/s),此点处电压环的增益为0,GM=4.5mA/V,所以:
    CC=40×(0.015/14.3)×40×4.5 ×10-3×(1/2π×103)×(150/510)×24 =8.5μF
    实际取CC=10μF。


    电阻RC的值由选择的交越频率和电容CC决定。由此可得RC=200Ω。


    (2)试验结果
    实际用4个模块做并联实验,均流结果见表1。由表1可知,它的半载均流精度控制在2.5%以内。IERROR =IOmax-IOmin;均流精度为100%。

     

    结论
    本文所讨论的这几种常用的自动均流技术及其实际应用电路各有其特点,根据具体电路需要及性能价格比,可做不同的选择。这几种方法的应用都比较广泛。随着模块内部采用微处理智能均流控制,进行软件均流,就会使均流效果理想。


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