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输出并联均流电路设计

2023-02-28帅维恒

电子产品世界 2023年2期
关键词:并联基准电源

帅维恒

摘 要:针对大型的用电设备,如果对此整体设计一个高功率的电源,应用的器件应力会非常大,相应的体积和成本也会成倍的增加。根据不同的市场应用环境和产品需求定位,可以选择不同的均流方案,对此类设计进行了实际应用探讨。

关键词:输出并聯;均流电路模块

0 引言

目前市面上的设备通常都是使用1 kW以下的电源供电,而针对大型一点的用电设备,功率可能会到3 kW、甚至5 kW以上,如果对此整体设计一个高功率的电源,应用的器件应力会非常大,相应的体积和成本也会成倍的增加。

而如果选择用多个低功率电源并联使用达到高功率输出(如3个1 kW电源并联,达到3 kW输出功率),设计难度会降低很多,同时从系统的角度考虑,这样也能节省成本,为了实现电源模块的并联输出,这里就需要用到并联均流技术。

1 均流电路常见方式

我们要如何实现电流均流呢?当两个模块并联使用时,经常会出现1个模块输出电流高,1个模块输出电流低的情况,这种时候,如果我们能让输出电流高的模块电压下降,或者输出电流电流低的模块电压升高,就可以实现各个模块电流往均流方向调节。

一般有以下几种方式,可以实现模块的均流功能。

1.1 输出阻抗法(下垂法)

这种方法是通过调节模块的输出阻抗,达到近似均流的目的。如图1,单独使用时,如果模块输出电流增大,通过电流检测电阻R1将电流信号放大,叠加到电压环负反馈输入端,经过与基准电压Vr比较后,输出信号通过环路反馈,使得输出电压降低,降低模块输出电流,参见图1。

模块并联使用时,假设模块1输出电流大,电流信号通过负反馈使得模块1输出电压降低,此时模块1输出电流下降,故而模块2输出电流就会增加。最终两个模块实现均流。

而这种均流方法,随着电流的增加,输出电压会降低,对于有电压精度要求的后端设备来说是不合适的,且均流精度相对较低。

1.2 主从设置法

这种方法就是通过人为的设置一个主模块,其余的模块全部已主模块为参考分配电流,如图2。

图2中每个电源模块都是双环控制系统,在这种控制系统中,工程师将模块l设定为主模块并使其以电压控制工作,其余的模块设置为从模块,按电流型控制方式工作。

Ur为主模块的基准电压,Uf为输出电压反馈信号。经过电压误差放大器,得到误差电压Ue,成为主模块的电流基准,与Ui1(该参数反映主模块电流的大小)比较后,产生控制电压Uc1,控制调制器和驱动器工作。其中主模块电流将按电流基准Ue调制。

模块并联使用时,各个从模块的电压误差放大器接成跟随器的形式,主模块的电压误差Ue输入各跟随器,跟随器输出均为Ue,成为各个从模块的电流基准,因此各个从模块的电流均按Ue值调制,与主模块电流基本一致,从而实现模块间的均流。

这种方法能较好地确保产品实现稳定的运行,且不会出现电流分配特性差等问题。但是这种均流方式需要主从模块之间有通讯连接,且如果主模块失效,整个电源系统就不能正常工作,因此主模块的稳定性决定了整个系统可靠性,故只能均流,不适合构成冗余并联系统。

1.3 平均电流法

这种均流方法要求并联各模块的电流放大器输出端,通过1个相同阻值的电阻R接到1条公用母线上,称为均流母线(ShareBus),如图3。

图3为并联模块中每个单一模块都按平均电流自动均流的电路原理图。由图3可知,电压放大器的输入为Vr′和反馈电路Vr,Vr′是基准电压Vr和均流控制电压VC之和,它与Vf进行比较放大后产生Ve(误差电压放大),Ve控制PWM及驱动器对功率级的输出进行调整。

模块并联使用时,所有模块的输出经过电流采样放大,接入共同的均流母线。根据基尔霍夫定律,所有支路流进母线的电流之和为0,可得到如下公式。

此时Vb反应的是所有模块的电流平均值,Vi和Vb之差为均流误差,经过误差放大器后得到控制电压Vc。当Vb = Vi时,表示各模块均流;当Vb≠Vi时,说明电流分配不均,不均模块的Vi与均流母线Vb的误差控制信号与Vr相加后输入到电压放大器,输出误差信号Ve,从而调整模块输出,使得各模块的均流。

此方法能够比较精准的实现均流,但是当均流母线接地,或者某一模块失效时。都会使得模块的电压降低,导致输出故障。

1.4 母线峰值电流法

峰值电流法,要求并联各模块电流放大器的输出端,通过1个相同的二极管D接到同一条均流母线上(ShareBus),如图4所示。

模块并联使用时,均流母线Vb等于Vi-Vdf(二极管压降)。也就是说此时的均流母线电压,与各模块中最大的Vb正相关。这种均流方式,能够自动的将负载电流最大的模块变成主模块,其余模块通过控制回路,将输出电流向主模块靠拢。

这种方法,能够在其中1个模块失效时,其余模块会再次选择1个主模块,保证系统仍然能够正常工作,但是由于均流母线和模块电流采样电压相差1个二极管压降,导致其余模块无法和主模块保持电流完全一致,对均流精度有一定的影响。

2 结束语

根据不同的市场应用环境和产品需求定位,可以选择不同的均流方案,目前市面上常见的均流方式为母线峰值电流法:如金升阳的LMF1000系列,通过母线峰值均流法,不仅能实现较高的均流精度,而且还能实现并联冗余功能,保证某一模块失效后,对后端不会产生较大的影响,大大提高系统的可靠性和稳定性。

随着对市场需求的探索和研究,金升阳始终如一,深耕电源技术创新,为客户提供更优质,更稳定的一站式电源解决方案。

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