DC_DC模块电源并联研究.pdf

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1、DC/DC模块电源并联研究石健将,王惠贞,严仰光(南京航空航天大学,南京 210016)摘要:介绍了直流变换器模块并联及其均流问题。从模块输出特性角度分析了CCM工作模块不能直接并联,而必须采取均流措施;从模块输出特性和能量角度分析DCM工作模块可以直接并联,且能自然实现各模块间均流。用4个DCM工作Buck电源模块交叉并联实验证实了这一结论。关键词:模块;电源;并联;均流中图分类号:TM46;TN86 文献标识码:A 文章编号:1000-100X(2002)03-0043-04Study of the Paralleling of DC/DC Power Supply ModulesSHI

2、Jianjiang,WANG Huizhen,YAN Yangguang(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing210016,China)Abstract:The paralleling of converter modules and their current sharing are presented.According to the output char2acteristics of modules,CCM modules can not beparalleled directly and must ado

3、pt current2sharing approaches.DCM mod2ules can be paralleled directly and their current2sharing can be achieved naturally.The conclusion is verified experimentallyby the interleaving of four DCM Buck modules.Keywords:module;power supply;paralleling;current sharing1 引 言随着电子系统的发展,电源技术亦相应得到发展,对电源的可靠性、效

4、率和功率密度的要求也越来越高。若采用单个变换器电源供电,则设计中至少要面对电流应力、热应力及选择价格昂贵的高功率等级的功率开关器件等问题。采用多个电源模块并联技术,可以合理解决以上问题。模块交叉并联是并联方式的一种,N模块交叉并联指各并联模块的开关频率相同,但起始导通时刻彼此依次错开1/N开关周期。模块并联均流方式有多种,总体上可分为下垂法和有源均流法两大类1。文献2介绍了交叉并联技术在PFC中的应用,并采用频域法分析交叉并联减少总输入电流脉动。本文从输出特性角度对CCM模块直接并联和有源均流并联的均流特性进行了分析;从输出特性和功率角度对DCM模块可以直接并联从而自然实现均流特征进行分析;对

5、4个CCM工作Buck模块交叉并联从而减少输出电流脉动进行定量理论分析;最后用实验验证了4个DCM工作模块可以直接交叉并联并能自然实现均流,且具有较小输出电流脉动等优点。收稿日期:2001-10-08定稿日期:2001-11-19作者简介:石健将(1969-),男,博士研究生。研究方向为电力电子技术。2CCM和DCM电源模块并联均流分析2.1CCM工作模块并联均流分析CCM工作模块可以等效为一个理想电压源和阻值很小的输出电阻串联而成的高性能电压源3,两个CCM工作模块直接并联等效电路如图1所示。如果每个模块参数相同,即理想电压源和输出电阻都相等,则每个模块均匀承担总输出电流亦即模块间自然实现均

6、流。图2为两个CCM工作模块直接并联输出特性曲线,其中输出电阻值较小、理想电压源值较高的模块将输出大部分负载电流。模块输出电阻越小,其输出特性斜率越大,并联后均流性能越差。如图3所示,增大各并联模块输出电阻,使它们输出特性斜率减小,可以有效地改善并联均流性能,但会使系统效率下降,尤其在要求输出大电流场合,会使并联系统输出电压调节特性变差3。图1 两模块并联等效电路CCM工作模块有源均流并联,一般都要检测各模块的输出电流,然后与参考电流比较,控制模块输出电流与参考电流一致3。图4为两个CCM工作模块并联输出特性曲线。从输出特性曲线可知,有34第36卷第3期2002年6月电力电子技术Power E

7、lectronicsVol.36,No.3June,2002源均流法的均流状况不随输出电压变化而变化,因此模块并联均流技术是多模块实现并联的关键。图2 两模块直接并联输出特性图3 两模块直接并联输出特性图4 两模块有源均流并联输出特性2.2DCM工作Buck模块并联均流分析为了讨论DCM工作Buck模块直接并联的均流性能,先分析模块的输出特性。为了便于分析,先定义以下归一化参数:M=VoVi(1)J=RoViIo(2)Q=MJ=RLRo(3)Ro=2Lfs(4)式中 Vo模块的输出电压Io模块的输出电流RL模块的负载电阻Ro模块的特性阻抗L输出滤波电感fs开关频率由Buck变换器电流断续工作方

8、式推得:J=D21-MM(5)J(1-M)M(6)由式(5)、(6)得到Buck模块DCM工作时的输出特性,如图5粗实曲线以下部分。该输出特性表明DCM工作Buck模块具有一定值的等效输出电阻,故电流断续工作方式的Buck变换器可以直接并联且能自然实现均流3。需要说明的是该等效输出电阻不是通常意义上的输出电阻,它并不消耗功率,但反映输出特性斜率。图5DCM工作模块输出特性从DCM工作模块提供负载能量的角度,也可以解释DCM工作模块可直接并联而自然实现均流。一个DCM工作Buck模块在一个开关周期内提供的负载能量为:E1=Vi-Vo2L1ViT2on(7)由式(7)可知,多个DCM工作模块直接并

9、联时,各模块输出能量基本相同,且各模块输出电压Vo相同,故各模块输出电流Vi也基本相同,即能自然实现均流。2.3CCM模块有源均流方式并联与DCM模块直接并联之比较CCM工作模块有源均流法是通过检测各模块输出电流及电流调节器来控制其输出电流等于参考电流;DCM工作模块并联可自然实现模块间均流,而无需检测、反馈模块输出电流。DCM工作的Buck模块,由于不存在续流管反向恢复引起的损耗,其效率和开关频率均比CCM高些,系统功率密度亦得以提高。DCM模块并联还有一个优点:整个系统可共用一个控制电路。这样,大大降低了整个系统控制复杂性,同时,也减小了系统的体积及降低了成本。有源均流法除了系统固有电压控

10、制调节器外,每个模块都带有电流控制器,增加了整个系统控制复杂性及成本。但有源均流法有其自身的优点:相对于直接并联的DCM工作模块,有源均流并联CCM模块功率半导体器件峰值电流要小些;电感电流连续可以降低对滤波器设计要求3;DCM模块间的均流依赖于模块的工作方式,如负载变化使模块从DCM方式转变为CCM方式,则模块间均流将失败;有源均流法中各模块本身具有限流功能。2.4 模块交叉并联交叉并联是并联方式的一种,其均流控制原理与一般并联方式没有本质差别,仅各模块驱动信号依次错开一个固定相位。但是,交叉并联除具有普通并联一系列优点外,还具有一些特有的优点:减小44第36卷第3期2002年6月电力电子技

11、术Power ElectronicsVol.36,No.3June,2002输出电流、电压的纹波幅值,提高输出电压、电流纹波频率,减小输出滤波器体积重量,同时不增加开关频率、开关损耗和器件应力;改善输入电流波形,减小输入电容的容量和体积2;提高输入端功率因数,减小输入端EMI2;提高系统效率和功率密度。4个CCM工作Buck模块交叉并联主电路及主要波形如图6、7所示。Ig1Ig4分别为4个模块的驱动信号、相位依次错开1/4开关周期,IL1IL4分别为4个模块的输出滤波电感电流,IL为4个模块交叉并联后的输出电感电流(IL1IL4的叠加)。图64个Buck模块并联图74个Buck模块交叉并联波形

12、由图7中IL1IL4电流波形及变换器滤波电感方程可推得总输出电流IL变化量IL。Buck变换器模块稳态工作时电感电流IL1的变化量:iL1=Vo(1-D)L1fs(8)IL1与IL3叠加后得到电流变化量:iL1,3=Vo(1-2D)Lfs(D0.5)(9)IL2与IL4叠加后得到电流变化量:iL2,4=Vo(1-2D)Lfs(D0.5)(10)IL1IL4叠加后得到电流IL变化量:iL=Vo(1-4D)Lfs(D0.25)(11)比较式(8)和式(11)表明,当占空比D0.25时,4路CCM工作模块交叉并联后系统总输出电流脉动较单模块减少许多。由图7还可知,总输出电流脉动频率是单模块的4倍。当

13、0.25 1/N,否则交叉并联不能减小输出电流脉动量。N个DCM工作模块交叉并联后,其输出电流脉动比其中任一个模块要小(DL 1/N)。3 实验结果实验主电路及主要器件参数如图9所示,电感L1L4由EE55B铁芯绕制而成,交流输入电压Vi为240300V,开关频率fs=50kHz,直流输出电压Vo为7075V,最大输出功率1.1kW。4模块并联共采用两个控制环:4路输出滤波电感电流合成的总电流反馈控制环和输出电压反馈控制环。控制原理框图如图10所示,主要由两片SG3525芯片和一片uA741运放构成,其中uA741构成电压控制外环,SG3525构成电流控制内环。图94个Buck模块并联主电路S

14、G3525的3端外接同步控制信号,使两片3525芯片11、14端分别输出相位依次错开1/4开关周期、开关频率相同的4路PWM控制信号。该控制电路输出的4路PWM控制信号实验波形,如图11所示:每路输出信号的开关频率相同为50kHz、占空比基本一致、彼此相位依次错开1/4开关周期,示波器通道ch2的上升沿用作同步触发信54DC/DC模块电源并联研究号。输入电压Vi=270V、输出电压Vo=75V、输出电流Io=13A时,各并联模块输出电感电流实验波形如图12所示:各模块输出滤波电感电流波形基本相同、仅相位依次相隔1/4开关周期。在输入电压Vi=270V、输出电压Vo=75V下,不同负载时各模块间

15、均流状况实验数据如表1所示。这表明4个DCM工作模块并联后能自然实现均流,且均流效果很理想。并联后输出合成电感电流IL和输出电压Vo实验波形分别如图13、14所示。图10 交叉并联控制图图114模块交叉并联驱动波形图124交叉并联模块输出滤波电感电流表1 各并联模块输出滤波电感电流值IL1/AIL2/AIL3/AIL4/AIL/A1.01.01.01.04.01.971.982.032.038.012.482.482.522.5210.02.982.993.013.0212.0图134个并联模块滤波电感电流合成波形由实验电流波形可以看出,交叉并联后总输出电感电流几乎无脉动,因此交叉并联的确大大

16、减小了总输出电感电流纹波幅值,并且纹波频率是开关频率的4倍。输出电感电流经滤波电容滤波后,输出电压低频交流纹波如图15所示,峰2峰值在100mV以下。图144模块并联后输出电压图154模块交叉并联输出电压交流纹波本实验直流输入是整流滤波后得到的。当整流滤波后的直流母线输入电压为270V、输出功率为1000kW时,三相平均功率因数PF=0.75。三相整流桥输出滤波电容前面的直流母线电流实验波形如图16所示,可见交叉并联的确能减小输入电流畸变,有利于提高PF。另外,交叉并联能使系统输出端电流连续,有利于降低系统输入端EMI。图16 三相整流桥母线总输入电流纹波4 结 论DCM工作模块可以直接并联,

17、因而能自然实现均流。CCM工作模块不能直接并联,必须采取有效均流措施。加大各模块输出电阻虽能改善均流性能,但降低了系统效率及输出电压调节特性变差;采取有源均流法能很好地实现均流,但控制相对复杂。参考文献:1Luo S G,et al.A Classification and Evaluation of Paral2leling Methods for Power Supply Modules C.IEEEPESC99,1999:901908.2Glaser J S,et al.Output Plane Analysis of Load2Sharingin Multiple2module Converter SystemsJ.IEEE Transon PE.,1994,9(1):4350.3Miwa B A,et al.High Efficiency Power Factor Correc2tion Using Interleaving Techniques.IEEE PESC92,1992:557568.64第36卷第3期2002年6月电力电子技术Power ElectronicsVol.36,No.3June,2002