直流變換器并聯(lián)運行時(shí)的環(huán)流和振蕩控制
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
摘要：開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)系統產(chǎn)生的環(huán)流和振蕩會(huì )對電子元件產(chǎn)生高電壓沖擊，降低功率因數，并且使并聯(lián)的各個(gè)模塊之間產(chǎn)生抑止。因此，對開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)系統的技術(shù)研究得到了廣泛的關(guān)注。分析了直流變換器并聯(lián)系統產(chǎn)生環(huán)流和振蕩的原因和過(guò)程，并通過(guò)實(shí)驗結果得以驗證。最后總結出幾種有效解決并聯(lián)系統環(huán)流和振蕩問(wèn)題的方法。
關(guān)鍵詞：直流變換器；并聯(lián)；環(huán)流；振蕩
引言
多個(gè)開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)是解決大功率供電系統的關(guān)鍵技術(shù)，它的優(yōu)點(diǎn)是，可以靈活組合成各種功率等級的供電系統、提高了系統的可靠性、通過(guò)N＋1冗余獲得容錯冗余功率、可以實(shí)現熱更換、便于維修等。
原來(lái)應用于開(kāi)關(guān)電源中的整流器二極管，由于效率較低，大部分已經(jīng)被MOSFET代替。這樣，在采用高效率MOSFET的同時(shí)，也產(chǎn)生了一些問(wèn)題。
在同步整流器中的MOSFET相當于一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)，它不僅可以通過(guò)正向的電流，也允許反向電流通過(guò)。
在同步整流器中，控制MOSFET的電路與MOSFET導通電路形成了交叉連接（cross-coupled）。這樣一種電路的拓撲與晶體管多諧振蕩器很相似，也就是說(shuō)，這種電路本身就可以形成振蕩。
所以，模塊并聯(lián)運行時(shí)，由于各個(gè)模塊輸出電壓之間的差異，會(huì )導致輸出電壓高的模塊與輸出電壓低的模塊之間產(chǎn)生環(huán)流，形成振蕩。這樣，輸出電壓低的模塊不僅不對外提供電流，還吸收輸出電壓高的模塊的電流；輸出電壓高的模塊不僅要提供負載電流，還要提供其它模塊的電流。因此，輸出電壓高的模塊就會(huì )受到大電流的沖擊；振蕩會(huì )產(chǎn)生大的電壓沖擊；幾個(gè)模塊之間互相干擾，輸出電壓高的模塊會(huì )抑制輸出電壓低的模塊。
本文主要針對直流開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)系統，通過(guò)對可能產(chǎn)生環(huán)流的結構進(jìn)行理論分析，闡明了產(chǎn)生環(huán)流和振蕩的原因和過(guò)程，并總結出幾種有效解決環(huán)流的控制方法。
1 并聯(lián)系統產(chǎn)生環(huán)流的分析
圖1為兩個(gè)采用自驅動(dòng)同步整流的正激DC/DC電源模塊的并聯(lián)系統原理圖。
圖1
圖1模塊1中，S1是同步整流管，S2是續流管，L1是濾波電感，C2是濾波電容，R是并聯(lián)系統的負載。S3是MOSFET開(kāi)關(guān)，控制變壓器原邊線(xiàn)圈的導通。C1和D4構成變壓器原邊線(xiàn)圈的續流回路。
由于S1代替了原來(lái)的二極管，使得原本只能單向導通的支路，允許反向電流通過(guò)。在并聯(lián)系統中，當兩個(gè)模塊之間存在差異時(shí)，輸出電壓會(huì )有差值，這是導致整流回路出現環(huán)流的主要原因。
兩個(gè)模塊的輸入電壓相同，控制方式都相同，當其中一個(gè)模塊的參考電壓較高時(shí)，這里假設模塊2的參考電壓較高，就會(huì )導致S7的導通角要大于S3，使模塊2的輸出電壓較高。
這時(shí)，從輸出端看，可以將兩個(gè)模塊分別等效為理想電壓源與電阻串聯(lián)的結構。如圖2所示。
從圖2可以很明顯地看出，當Vout2>Vout1時(shí)，極有可能構成回路，產(chǎn)生環(huán)流。
2 產(chǎn)生自激振蕩時(shí)的理論分析
由于環(huán)流現象的存在，使得如圖1所示的并聯(lián)運行的電源系統會(huì )產(chǎn)生自激振蕩現象。
根據開(kāi)關(guān)狀態(tài)不同，可以分為4個(gè)時(shí)段。
1）狀態(tài)1 S3關(guān)斷，S1關(guān)斷，S2導通。
此時(shí)模塊1的等效電路如圖3所示。圖中Lm是變壓器的勵磁電感，Cp是變壓器原邊等效到副邊的電容值，S1，S2和S3關(guān)斷時(shí)分別等效成電容CS1，CS2和CS3，V2是輸出電壓。
Cp=n2CS3 （1）
式中：n為變壓器變比。
此時(shí)vS2=0，加在S1兩端的電壓為
由于S1由導通到關(guān)斷，vS1的初值為零，可以得到
式中：iL10和iLm0為iL1和iLm的初始值。
當vS1減小到零時(shí)，進(jìn)入狀態(tài)2。
2）狀態(tài)2 S3關(guān)斷，S1導通，S2關(guān)斷。此時(shí)的等效電路圖如圖4所示。
此時(shí)有vS1=0。且
由于vS2的初始值為零，可以得到
式中：
其中：iLm0和iL10為iL1和iLm在第二階段的初始值；
Ts為單位時(shí)間。
3）狀態(tài)3 S3導通，S1導通，S2關(guān)斷。此時(shí)的等效電路圖如圖5所示。
V1/n是變壓器副邊繞組的電壓，此時(shí)iL1和iLm都線(xiàn)性增長(cháng)。
4）狀態(tài)4 S3關(guān)斷，S1導通，S2關(guān)斷。此時(shí)的等效電路圖和狀態(tài)2是相同的，所有量的時(shí)間函數表達式也都相同，只是初始值不同。
3 仿真和實(shí)驗結果
為了驗證上述環(huán)流和振蕩現象的分析結果，用Pspice對圖1所示的兩個(gè)自驅動(dòng)的電源模塊系統進(jìn)行了仿真，并制作了實(shí)驗模塊。
仿真和實(shí)驗系統的主要參數為：輸入電壓60V，輸出電壓5V，開(kāi)關(guān)頻率為200kHz。并使模塊2單獨運行時(shí)的輸出電壓略高于模塊1的輸出電壓。
圖6和圖7分別為仿真結果和實(shí)驗結果。其中V1為模塊1中整流管S1源-漏極之間的電壓；V3為開(kāi)關(guān)管S3源-漏極之間的電壓。
仿真結果和實(shí)驗結果表明，由于環(huán)流的存在，使得在并聯(lián)系統中出現了自激振蕩現象。
4 解決環(huán)流及振蕩問(wèn)題的幾種措施
并聯(lián)運行的電源模塊出現環(huán)流和振蕩后，會(huì )影響系統的正常工作。必須采取適當的措施避免環(huán)流和振蕩現象的產(chǎn)生?？梢圆扇∪缦麓胧?。
4.1 電阻器法
在產(chǎn)生環(huán)流的回路中加入電阻器，這相當于增加了整個(gè)環(huán)流回路的電阻，可以減小環(huán)流。但是，所加入的電阻器在開(kāi)關(guān)電源的輸出回路中，必然減小輸出電壓和電流。只有在對開(kāi)關(guān)電源的輸出要求不高時(shí)，可以使用本方法。
4.2 采用檢測的手段加以控制消除
在各個(gè)開(kāi)關(guān)電源模塊中加入電流檢測器，當某一模塊的電流發(fā)生非正常變化時(shí)，將檢測到的信號送到控制器，控制器通過(guò)控制電路使該模塊恢復正常工作，防止環(huán)流現象的發(fā)生。
這種方法可以與均流控制相結合，在防止環(huán)流產(chǎn)生的同時(shí)，使電流在各個(gè)模塊之間均勻分配。
4.3 改變整流MOSFET的驅動(dòng)
4.3.1 改進(jìn)自驅動(dòng)[5]
圖8所示為一自驅動(dòng)同步整流模塊。
電路在多模塊并聯(lián)運行時(shí)，當某一模塊因某種原因停止輸出電壓時(shí)，由于其它模塊仍在工作，且該模塊輸出端與其它模塊相聯(lián)，故輸出電壓Vout仍然存在。這時(shí)雖然該模塊不工作，但是由于結構上的原因，S1和S2的源極與漏極的電壓為Vds=Vout，柵極與漏極的電壓為Vgs=Vout，因此S1和S2都導通，從而將Vout短路，勢必導致環(huán)流。
改進(jìn)后的自驅動(dòng)模塊如圖9所示。
圖9
4.3.2 將自驅動(dòng)改為他驅動(dòng)
整流MOSFET的驅動(dòng)不用自驅動(dòng)，而用他驅動(dòng)。將前面的單整流MOSFET結構按此方法修改后如圖10所示。整流MOSFET S1的柵極接到PWM控制電路上，改變了原來(lái)的十字交叉（Cross-coupled）結構，避免了環(huán)流和振蕩的產(chǎn)生。
圖10
將有兩個(gè)整流MOSFET的自驅動(dòng)結構改為他驅動(dòng)后如圖11所示。整流MOSFET S1和S2的驅動(dòng)信號由PWM控制電路提供，同樣改變了原來(lái)的十字交叉結構，有效地避免了環(huán)流和振蕩的產(chǎn)生。
圖11
5 結語(yǔ)
在分析了直流變換器并聯(lián)系統產(chǎn)生環(huán)流和振蕩原因的基礎上，提出了幾種有效解決問(wèn)題的方法。
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