摘要：大功率輸出和分布式電源是電源技術發展的方向，這使得電源的并聯均流技術成為一個研究熱點。為此，本文系統地分析和總結了目前電源并聯均流技術原理、主要均流方法。 關鍵詞：并聯 均流控制 外特性 模塊 1 引言 　　大量電子設備，特別是計算機、通訊、空間站等的廣泛應用，要求組建一個大容量、安全可靠、不間斷供電的電源系統。如果采用單臺電源供電、該變換器勢必處理巨大的功率、電應力大，給功率器件的選擇、開關頻率和功率密度的提高帶來困難。并且一旦單臺電源發生故障，則導致整個系統崩潰。采用多個電源模塊并聯運行，來提供大功率輸出是電源技術發展的一個方向。并聯系統中每個模塊處理較小功率，解決了上述單臺電源遇到的問題。 　　八十年代起，分布式電源供電方式成為電力電子學新的研究熱點。相對于傳統的集中式供電，分布式電源利用多個中、小功率的電源模塊并聯來組建積木式的大功率電源系統。在空間上各模塊接近負載，供電質量高，通過改變并聯模塊的數量來滿足不同功率的負載，設計靈活，每個模塊承受較小電應力，開關頻率可以達到兆赫級，從而提高了系統的功率密度。 　　大功率輸出和分布式電源，使電源模塊并聯技術得以迅速發展。然而一般情況下不允許模塊輸出間直接進行并聯，必須采用均流技術以確保每個模塊分擔相等的負載電流，否則，并聯的模塊有的輕載運行，有的重載甚至過載運行，輸出電壓低的模塊不但不為負載供電，反而成了輸出電壓高的模塊的負載，熱應力分配不均，極易損壞。 　　對于多個模塊并聯運行電源系統的基本要求是[2]：一是輸入電壓或者負載發生變化時，保持輸出電壓穩定;二是控制各模塊的輸出電流，實現負載電流平均分配，均流動態響應良好。為提高系統可靠性，并聯系統應該具備以下特性：實現冗余。當任意模塊發生故障時，其余模塊繼續提供足夠電能，整個電源系統不會崩潰;實現熱拔插，電源系統真正意義上的不間斷供電;均流方案無需外加均流控制單元;使用一條公共的低帶寬均流總線來連接各模塊單元。 2 并聯特性及均流一般原理 　　圖1為兩個模塊并聯工作時的等效電路及其外特性曲線。如果兩個模塊的參數完全相同，即V1max=V2max，R1=R2，兩條外特性曲線重合，負載電流均勻分配。如果其中一個模塊的電壓參考值較高，輸出電阻較小（外特性斜率小），如圖1中的模塊1，則該模塊將承受大部分負載電流，負載增大，模塊1將運行于滿載或超載限流狀態，影響了系統可靠性。 [align=center] （a）并聯等效電路 （b）輸出外特性 圖1兩個模塊并聯均流原理圖[/align] 　　可見，并聯電源系統中各模塊按照外特性曲線分配負載電流，外特性的差異是電流難以均分的根源。均流性能的優劣用均流精度來衡量。均流精度定義為： 　　CSerror=ΔIomax / （Io/N） 　　式中N為并聯模塊數，Io為負載電流，ΔIomax為最大電流與最小電流之差。 　　正常情況下，各并聯模塊輸出電阻是個恒值，輸出電流不均衡主要是由于各模塊輸出電壓不相等引起。均流的實質即是通過均流控制電路，調整各模塊的輸出電壓，從而調整輸出電流，以達到電流均分的目的。一般開關電源是一個電壓型控制的閉環系統，均流的基本思想是采樣各自輸出電流信號，并把該信號引入控制環路中，來參與調整輸出電壓。選擇不同的電流信號注入點，可以直接調節系統基準電壓、反饋電壓誤差、或者反饋電流誤差，形成多種均流方案，以滿足不同的穩態性能和動態響應。 3 均流方法 　　根據并聯電源系統中模塊之間有無傳遞均流信號的互連線，所有均流方法可歸成兩大類：下垂法和有源均流法，下垂法為模塊之間只有輸出端導線相連;有源均流法除了連接輸出導線外，還用均流母線把各模塊連在一起。 　　3.1下垂法[4] 　　下垂法（又叫斜率法，輸出阻抗法）是最簡單的一種均流方法。其實質是利用本模塊電流反饋信號或者直接輸出串聯電阻，改變模塊單元的輸出電阻，使外特性的斜率趨于一致，達到均流。由圖1（b）可見，下垂法的均流精度取決于各模塊的電壓參考值、外特性曲線平均斜率及各模塊外特性的差異程度。 　　選擇不同的電流反饋信號注入點，可以修正控制環路的反饋電壓值或基準電壓。圖2（a）為采用調節基準電壓來改變電壓參考值的方式下所對應的外特性曲線圖。可見電壓參考值的差異越小，均流效果越好。圖2（b）為采用調節反饋電壓值來改變斜率的方式下所對應的外特性曲線圖。外特性斜率越陡，均流效果越好。 [align=center] 圖2 （a）調節基準電壓 圖2（b）調節反饋電壓[/align] 　　常用的下垂法均流控制框圖如圖3所示。Vi為電流放大器輸出信號，與模塊輸出電流成比例Ki，Vf為電壓反饋信號，顯然V-=Kv×Vo+Ki×Io，當某模塊電流增加時，Vi上升，Ve下降，通過反饋使該模塊輸出電壓隨之下降，即外特性向下傾斜，接近其他模塊的外特性，從而其他模塊電流增大，實現近似均流。電壓誤差放大器E/A具有很大的直流增益Ko，假設Ko→∞時，Vo=Vref /Kv-IoKi /Kv=Vomax-IoKi /Kv，改變電壓環電流環的參數可以獲取期望的外特性。 [align=center] 圖3 下垂法均流控制框圖[/align] 　　此外，在模塊輸出端與負載之間串聯一定的電阻值也是一種調節輸出電阻的下垂法。缺點為串聯電阻會消耗額外電能。較為經濟的辦法是串聯熱敏電阻，其阻值隨在電阻上消耗的熱能變化而改變，同樣達到近似均流。 　　而且，電流不連續模式下的Buck、Boost、Buck-Boost變換器和串聯諧振變換器本身就固有一定的外特性下垂率，這類變換器可以直接并聯運行，實現自然均流。 　　下垂法的特點可歸納如下：模塊之間無互連通訊線;實為開環控制，小電流時均流效果差，隨著負載增加均流效果有所改善;對穩壓源而言，希望外特性斜率越小越好，而下垂法則以降低電壓調整率為代價來獲取均流，該法可以應用在均流精度大于或等于10%的場合;對于不同額定功率的并聯模塊，難以實現均流。 　　3.2有源均流法[1]～[2] 　　有源均流法是均流方法中的一大類別，其特征是采用互連通訊線連接所有的并聯模塊，用于提供共同的電流參考信號。一般并聯變換器采用電流型控制，即電流內環和電壓外環雙環控制，以下把功率級和電流內環作為變換器的基本單元。在基本單元外設計控制結構和母線連接方式，形成各類有源均流法，如主從法、平均電流法、最大電流法等。 　　控制結構指均流環與電壓環如何配置，圖4為有源均流法的三種控制結構：電壓環環外調整、環內調整和雙環調整。環外調整中均流環從電壓環外部疊加（圖4a），均流母線帶寬低，對噪音不敏感，但由于受到低帶寬電壓環限制，均流控制反應比較緩慢;環內調整中均流環從電壓環內疊加（圖4b），均流環可以很好的和電流環結合起來，整個結構簡單，均流信號從環內注入，其帶寬不受電壓環的限制，反應速度快，均流母線的電壓從電壓調整放大器獲得，但容易引起噪聲;雙環調整中均流環和電壓環并行一起作用于基本單元（圖4c）。 [align=center] 圖4 三種控制結構[/align] 　　均流母線連接方式指如何從所有的模塊中獲取公共電流參考信號，表明了模塊間的主從關系。圖5顯示了三種均流母線的連接：自主配置、平均配置和指定配置。自主配置（圖5a）中，各個模塊和母線之間通過二極管連接，只有具備最大電流的模塊對應的二極管才能導通，均流母線上代表的是最大電流信號;平均配置（圖5b）中，各個模塊和母線之間通過參數完全一致的電阻連接，均流母線上代表的是平均電流;指定配置（圖5c）中，只有人為指定的模塊直接連接均流母線,成為主模塊。 [align=center] 圖5　三種均流母線連接方式[/align] 　　3.2.1 最大電流法（民主均流法、自動均流法） 　　圖6所示為最大電流法控制框圖，對比圖4、圖5可見最大電流均流技術由環外調整和母線自主配置相結合而成，不改變模塊基本單元的內部結構，只需在電壓環外面疊加一個均流環，各模塊間接一條均流母線CSB。 [align=center] 圖6 最大電流法[/align] 　　因為二極管單向性，只有電流最大的模塊才能與均流母線相連，該模塊即為主模塊。其余為從模塊，比較各自電流反饋與均流母線之間電壓的差異，通過誤差放大器輸出來補償基準電壓達到均流。 　　特點是：（1）這種均流方法一次只有一個單元參與調節工作，主模塊永遠存在且是隨機的，為實現冗余最常用的方法;（2）二極管總存在正向壓降，因此主模塊的均流會有誤差;（3）均流是一個從模塊電流上升并超過主模塊電流的過程，系統中主、從模塊的身份不斷交替，各模塊輸出電流存在低頻振蕩。 　　Unitrode IC公司開發的均流控制芯片UC3902、UC3907正是基于最大電流自動均流的思想，簡化了并聯電源系統的設計與調試，得到廣泛應用。文獻[2]指出，UC3902在滿載時均流誤差達到2%，在20%負載時誤差約15%。 　　3.2.2 平均電流法 　　環外調整結構和母線平均配置相結合形成平均電流均流法。即將圖6中的二極管用一個電阻R代替。如果所有電阻R參數完全一致，均流母線的電壓反映了所有模塊電流的平均值。當Ua=Ucsb時表明已經達到均流，如果電流分配不均，電阻R上出現電壓，該電壓通過誤差放大器輸出一個誤差電壓，從而修正基準電壓，以達到均流目的。 　　平均電流法是一項專利技術，可以實現精確的均流。缺點是當均流母線短路或某個模塊不工作時母線電壓下降，將促使每個模塊電壓下調，甚至達到下限，造成故障。解決辦法是自動地把故障模塊從均流母線上切除。 　　3.2.3 主從均流法 　　在并聯電源系統中，人為的指定一個模塊為主模塊，直接連接到均流母線，其余的為從模塊，從母線上獲取均流信號。圖7為采用電壓環內調整結構的主從均流法。主模塊工作于電壓源方式，從模塊的誤差電壓放大器接成跟隨器的形式，工作于電流源方式。因為系統在統一的誤差電壓下調整，模塊的輸出電流與誤差電壓成正比，所以不管負載電流如何變化，各模塊的電流總是相等。 [align=center] 圖7 主從均流法[/align] 　　采用這種均流法，精度很高，控制結構簡單，模塊間聯線復雜。缺點是一旦主模塊出現故障，整個系統將完全癱瘓，寬帶電壓回路容易產生噪聲干擾。使用中主、從模塊間的聯線應盡量短。 　　3.2.4 其他均流方法 　　基于三種控制結構和三種母線連接方式，可以設計出其他均流方法。圖8為雙環調整和平均配置相結合的均流方法文獻。這種控制方式降低了電壓環和均流環相互之間的影響，設計靈活，是權衡環外調整和環內調整優缺點的折中方案。此外，熱應力自動均流法是按照每個模塊的溫度來實現均流，使溫度高的模塊減小輸出電流，溫度低的模塊增加電流。外部控制器法是外加一個均流控制器，比較各模塊的電流信號，并據此補償相應的反饋信號以均衡電流。該法需要附加控制器且聯線較多[1]。 [align=center] 圖 8　雙環并行調整的均流方法[/align] 4 總結 　　由于大功率負載的需要和模塊化電源系統的發展，為了實現完全穩定可靠的冗余電源系統，模塊化電源的并聯技術則顯得尤為重要。而每個模塊的外特性不一致，分擔的負載電流也不均衡，承受電流多的模塊可靠性大為降低。因此，并聯運行系統必須引入有效的負載分配控制策略，保證各模塊間電應力和熱應力的均勻分配。這是實現高性能模塊化大功率電源系統的關鍵。 　　本文介紹均流技術的一般原理，全面詳細地討論了各種均流技術及其優缺點。在不斷提高均流精度和動態響應速度的同時，均流控制技術將朝著增加并機數目及不同容量模塊并聯的方向發展。隨著控制系統的逐步數字化和微處理器的發展，應用如單片機或DSP完成電源系統的檢測、運算和控制，可以更好地采用復雜的控制策略，實現均流冗余、故障檢測、熱拔插維修和模塊的智能管理。 參考文獻 　　1 蔡宣三。 開關電源的均流技術。 十一屆電源年會論文集;250-253 　　2 Mark Jordan, “UC3907 load share IC simplifies parallel power supply design”, Unitronde application note U-129,1993-1994 　　3 張占松。開關電源的原理與設計 電子工業出版社 2001 　　4 Brian T. Irving and Milan M. Jovanovic, “Analysis, design, and performance evaluation of droop current-sharing method” APEC’2000, vol.1 pp. 235 -241 　　5 Chang-Shiarn Lin and Chern-Lin Chen,"Single-wire current-share parallelling of current-mode-controlled DC power supply" Trans.Industrial Electronics,Vol.47,No.4 pp.780-786.August 2000.