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1、第8章 DC/DC变换器模块并联系 统的动态模型及均流控制,8.1 DCDC变换器模块并联均流技术 8.2 平均电流均流法与DCDC变换器模块的动态模型 8.3 平均电流法控制小信号模型 8.4 本章小节,将若干个DCDC变换器模块的输出并联起来构成DCDC变换器模块并联供电系统，如图8-1所示。DC/DC变换器模块并联供电系统有许多优点，可以增加电源的输出功率，实现N+1冗余备份功能，提高了系统可靠性。从制造的角度来看，DCDC变换器模块成为标准件，可以提高批量、降低成本同时提高可靠性。从应用的角度也变得十分灵活。,为了使DCDC变换器模块并联供电系统中的各变换器模块承受的电压、电流应力状况
2、一致，即并联供电系统输出的总负载电流必须平均分配到每一个变换器模块，因此需要设计均流控制。,8.1 DC/DC变换器模块并联均流技术,在模块化电源系统中，各电源模块并联运行，为保证各模块间电应力和热应力的均匀合理分配，以实现电源系统中各模块承受的电流的自动平衡均流，以及当输入电压或负载电流发生变化时，保持各模块输出电压稳定，同时具有较好的瞬态均流特性，需引入有效的负载分配机构或负载分配控制策略，通常称为并联均流技术。均流方法有以下几种：输出阻抗法、平均电流法、最大电流法、热应力均流法、主从均流法、外加均流控制器法等。,下面介绍几种代表性的均流方法。1输出阻抗法 输出阻抗法是通过调节DC/DC变
3、换器的输出外特性倾斜度，即输出阻抗，来达到并联模块均流的目的。图8-2表示一个DC/DC变换器的输出特性，Vo=(Io)。DC/DC变换器的负载电压Vo与负载电流Io的关系可用下式：,式中，R为DC/DC变换器的输出阻抗。空载时，模块的输出电压为Vomax。,流增量为I时，DC/DC变换器输出阻抗上的电压增量为V，得V/I=R，V/I代表DC/DC变换器的输出电压调整率。,两台DC/DC变换器模块并联，如图8-3所示。,DC/DC变换器#1输出特性为,DC/DC变换器#2输出特性为,式中，R1、R2分别为DC/DC变换器#1和#2的输出阻抗。由于#1和#2输出并联，Vo1=Vo2=Vo，于是由
4、式(8-2)、式(8-3)可以得到,图8-3b中直线1为变换器#1输出特性，直线2为变换器#2输出特性。#l的输出特性斜率小，即,输出阻抗小，分担的电流Io1大；#2的输出特性斜率大，即输出阻抗大，分担的电流Io2小。因此#1比#2分担的电流多。如果能设法将#1的输出特性斜率调整得接近#2，则可使这两个DC/DC变换器的电流分配更加均匀。输出阻抗法利用DC/DC变换器的输出下垂特性实现均流控制，优点是各模块间不需要均流母线的连接，即各模块均流控制独立进行。但是，其负载调整率差，均流精度低。实质上它是以牺牲外特性换取各模块之间的均流。,2最大电流法 主从均流法是指定某一模块为主模块，它的输出电流
5、作为均流命令信号；剩余模块作为从模块，其输出电流跟随主模块电流实现均流。这种方法的缺点是一旦主模块故障，就会使整个系统瘫痪，无法实现冗余。为此，出现了最大电流自动均流法。这是一种自动设定主模块和从模块的方法，即在N个并联的模块中，输出电流最大的模块将自动成为主模块，而其余的模块则为从模块。最大电流作为指令电流，各从模块根据自身电流与指令电流之间的差值调节各自模块的输出电压，校正负载电流的分配不均匀，实现模块间均流。这种方法又称为自动主从控制法。,图8-4给出了最大电流法自动均流的控制示意图。由于二极管的单向导通性，只有输出电流最大的模块的二极管导通，均流母线电压Vb才受该模块电压Va的影响。设
6、在正常情况下，各模块输出电流是均匀的，如果某个模块的输出电流突然增大，成为n个模块中最大的一个，该模块的Vi上升，二极管导通，该模块自动成为主模块，而其他模块则成为从模块。由前所述可知，这时Vb=Vimax，各个从模块的Vi与Vb(Vimax)比较，通过调整放大器调整反馈电压Vf，自动实现均流。,这种方法的均流效果较好，支持热插拔(失效模块不会影响整个系统)，而且有现成的均流芯片(UC3907、UC3902等)可供使用，是目前一种较好的均流方法。,3平均电流法 所有模块通过一根均流母线相互连接，每个子模块从母线上获得自身的电流参考信号，通过控制环的调节实现均流。由于每个模块都只与均流母线发生联
7、系，模块能够在线热插拔，从而实现系统的在线维修。若将图8-4中a、b两点间的二极管用电阻代替，则均流母线电压VAC成为代表各模块输出电流平均值的电压信号，而各个模块的输出电流都自动跟踪各模块平均输出电流。显然与最大电流自动均流法相比，这种方法不存在主模块，所以各模块的均流情况相同。,图8-5中，Vi1、Vi2至Vin为各模块负载电流经检测、放大后的电压信号，VAC为均流母线电压，Vo1、Vo2至Von。为各模块均流控制器的输出电压，则VAC为,若电阻R1上的电压为零，则表明此时已实现均流；若不为零，则表明模块间的电流分配不均匀。各模块根据均流误差调节均流放大器的输出电压值，从而改变输出电压的值
8、，达到均流的目的。平均电流法以其简单、实用、均流特性好等优点得到广泛应用。下面重点介绍平均均流法的DC/DC变换器模块并联供电系统。,8.2 平均电流均流法与DCDC变换器模块的动态模型,图8-6为带平均电流法均流控制的DC/DC变换器模块的框图。每个模块通过均流电阻rcs与其他模块并接在均流母线上，模块电流经检测电阻rs将自身电流转换为电压信号VIi，此信号与均流电压信号VAC比较，所得的误差信号经均流环节调整设定电压信号，从而调节PWM控制信号，实现均流。引人均流环节实现负载均流。均流的前提条件是单个模块能够稳定地闭环工作。所以分析模块均流之前，需要先建,立单个DC/DC变换器电压控制模型
9、，设计能够保证其闭环稳定工作的补偿网络。,假设DC/DC变换器模块采用组合双管正激变换器主电路结构，如图8-7所示。组合双管正激变换器由两个双管正激变换电路并联得到，,它可以等效为一个开关占空比为d的Buck电路，设每个双管正激变换器的开关占空比为d1，于是组合双管正激变换器的占空比为d=2d1。图中，rL为输出滤波电感等效串联电阻，rC为输出滤波电容的等效串联电阻。,通过电路分析，得到稳态关系式,考虑输出电感的等效串联电阻，输出电压增益与理论值nD相比减小了。运用状态空间平均法对电路建模，导出占空比到输出电压的传递函数,图8-8给出了组合双管正激变换器的输出电压闭环控制框图。vref(s)为
10、给定输出电压扰动量，Gvd(s)为DC/DC变换器的传递函数，Gcv(s)为补偿网络传递函数，Fv为分压系数、Fm为脉宽调制器(PWM)的传递函数，系统的开环传递函数为,假设组合双管正激变换器的参数为：Vin=385V，Vo=220V，n=1.19，RL=25，L=300H，rL=0.05，C=380F，rc=0.02。假设PWM的传递函数为常数Fm=1/Vm，Vm为锯齿波电压幅值(3.3V)。分压系数Fv=O.0106。校正前系统开环波特图如图8-9所示，其相角裕度为6.5，对应穿越频率为1068.1Hz，系统动态性能较差。另外回路直流增益偏低，稳态精度也较差。为了使系统获得较好的动态性能，
11、同时具有较好的稳态精度，于是引入补偿网络。这里选择超前滞后网络，利用其中的超前环节改善系统的暂态性能，滞后环节保证系统的稳态,精度，从而使系统在稳态和暂态方面都有较好的表现。超前滞后环节的传递函数形式如下表示：,补偿网络的具体取值为：K=609.12，1=4.1010-4，2=7.1710-4，3=5.4210-6，4=4.4010-6。引入补偿网络后，系统的开环波特图如图8-10所示，相角裕度为64.9，穿越频率为1272.3Hz，由于引入了一个积分环节，因此系统成为无差系统。,8.3 平均电流法控制小信号模型,根据单个模块的电压闭环控制模型(图8-8)可以构建采用平均电流法的均流控制模型，
12、如图8-11所示。,图中，vAC为均流信号，vA为均流误差信号，Fm为PWM调制器传递函数，Fv为输出电压反馈系数，H为输出电流检测系数，Gvd记为占空比到输出电压传递函数，Gcs为均流放大倍数，Gcv为电压环校正环节传递函数，Vref为输出电压设定量，Fr为单个模块负载电流转换为电压的传递函数。,式中，rs是检测电流的取样电阻；ZL是模块负载阻抗，,第j个模块的输出电流信号为,式中，rsH是输出滤波电感电流IL转化成电压信号VIj的系数。所有并联模块合成的均流信号为,式中，VIj是各模块输出电流经取样电阻得到的对应电压信号；n是并联模块数目；vAC是平均电流信号。,式(8-13)写成分式为,
13、用小信号描述,式中，、。代表每个模块输出电流对应的电压信号扰动量。第n个模块的均流控制器输出的电流误差信号为,这里重点考虑第n个模块输出电流跟踪平均电流的动态特性，由图8-11可以得到均流环的开环传递函数,在均流环回路函数中，除均流放大倍数Gcs外，Gcd、Gcv、Fm均已在前一节中确定。设滤波电感电流IL转化成电压信号VIj的系数rsH等于0.24。,图8-12为采用不同的均流控制增益Gcs时均流环回路传递函数的波特图，将它与图8-10比较可知，均流环的穿越频率远低于输出电压环的穿越频率，因此二者相互影响小。,从理论上讲，对均流环的设计就是调整均流放大倍数Gcs。加入均流环后，控制系统同时存在电压环和均流环，设计均流环时要避免两个环路的相互影响。,8.4 本章小结,本章介绍典型均流方法和DC/DC变换器模块并联供电系统的动态模型，分析了平均电流法的均流控制器参数变化对均流效果的影响。,
