變換器均流技術

各並聯電源模組由於參數無法做到完全一致，如果將模組直接並聯的話，也勢必很難保證各模組均勻分擔負載電流，即造成電流不均衡問題。所謂均流控制，就是通過改變各並聯變換器的電壓源特性(使特性變軟)或改變電壓源的幅值，使各電源模組輸出電流均衡的技術。採用均流控制的主要依據是：模組並聯運行需要均流控制的主要原因是由於模組輸出是電壓源性質，輸出電壓的微小偏差會導致輸出電流的很大差別。

基本介紹

• 中文名：變換器均流技術
• 外文名：Converter currentsharing technology
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 套用：並聯變換器控制
• 作用：均衡並聯變換器輸出電流

背景

隨著科技的發展，電子設備往往需要大容量直流電源供電。由於單個電源組件的功率容量畢竟是有限的，在需要大容量供電的情況下，如果採用單個電源，開關管與整流管的開關應力就會變得非常難以處理，散熱問題也難以解決，因而設計與實現都非常困難。由於單電源供電在實現大容量和保證高可靠性方面存在困難，人們才將目光轉向了分散式電源系統。所謂分散式電源系統，即是由若干小容量的電源模組組合而成的一個大容量的電源系統。從理論上說，分散式電源系統的構成可以有串聯、並聯以及串聯與並聯混合等方式，不過實際套用中通常只是對電源的輸出電流要求很高，而對輸出電壓的要求並不高，因此相比較而言，並聯電源系統得到了更廣泛的套用。較之傳統的單電源供電而言，並聯電源具有很多優點，如可實現大容量、高效率，能夠保證較高的可靠性，能夠根據需要配置成為冗餘系統，能夠實現電源的模組化，能夠實現電源容量的可擴充性，能夠降低成本投入等等。

均流控制的意義

直接並聯的問題

並聯電源系統較之傳統的單電源供電有一些明顯的優勢，但如果將各模組直接並聯的話，就會存在一些問題，這些問題主要是由於系統中參與並聯各模組特性難以做到完全一致造成的。

由於工藝水平的限制以及誤差的不可避免性，實際系統中參與並聯的各個模組，它們彼此的參數或多或少都會有些差別，這種差別只可以儘量縮小，卻難以完全避免。此外，各個模組的參數還會隨著時間和溫度等外界因素的變化而發生變化，而這種由於外界因素而產生的各模組參數的差別可能要比模組本身固有的差別要大的多。

鑒於系統中參與並聯的各電源模組的參數無法做到完全一致，如果將模組直接並聯的話，也勢必很難保證各模組均勻分擔負載電流，可能會出現某些模組輸出的電流比較大，某些模組輸出的電流比較小，甚至還有些模組可根本沒有輸出電流的情況。在並聯電源系統中，如果各個模組輸出的電流不一致，也即各個模組並沒有均擔負載電流的話，就可能會導致很多問題：

首先，各個模組輸出電流不一致，勢必會導致某些模組輸出電流比較大，相應的，這些模組所承受的電壓和電流的應力也比較大，這就會使它們損壞的機率上升。其次，當系統工作在大負載狀況時，如果各個模組輸出電流不一致，則必然會導致其中輸出電流最大的模組率先達到模組的最大電流限制，引起系統的保護動作，進而導致整個並聯繫統不能正常工作。此外，在動態過程中，會出現更大的輸出電流不均衡現象，嚴重時甚至能夠導致系統無法穩定工作。

均流控制的一般原理

對於多個DC/DC模組並聯的電源系統，參與並聯的每個模組都可以等效為一個電壓源(代表空載電壓)和一個電阻(代表輸出電阻)的串聯，這種等效方法可以為進一步研究DC/DC並聯時的電流分布情況提供便利。通過計算可準確獲得兩個並聯DC/DC模組之間的輸出電流差值。如果針對兩個模組並聯的情況，要么空載電壓存在差別，要么輸出電阻存在差別，而非兩者同時存在差別。更一般的，如果不是兩個模組而是多個模組並聯，如果各模組的空載電壓和輸出電阻都存在差別，那么，輸出電流的情況就可想而知了。因此，在採用並聯技術實現分散式電源系統的同時，必須採取一定的措施來保證每個模組平均分擔輸出電流(即所謂的均流)，只有這樣，方能保證系統穩定可靠的工作，充分發揮並聯電源的優點。

均流的衡量標準和必要性

衡量標準

負載均分性能一般以不平衡度指標來衡量，不平衡度越小，其均分性能越好，即各模組實際輸出電流值距系統要求值的偏離點和離散性越小。國家有關標準和信息產業部入網要求其均分負載不平衡度不大於輸出額定電流值的5%。

必要性

以兩個Buck變換器模組並聯組成的系統為例來說明一下均流的重要性。系統未加均流控制，每個Buck模組的輸入電壓為48V,輸出電壓為12V,額定電流為10A,電感值為130uH，輸出電容值為110uF，開關頻率為100kHz。沒有採用均流措施時，兩個BUCK變換器的濾波電感的寄生電阻分別取0.2歐姆,0.1歐姆。當輸出電流為10A時。穩態時兩個Buck模組的輸出穩態電流分別為3.5A和6.5A。此時，均流誤差為60%，遠遠超出允許值5%。不符合均流規範要求。

考慮極端的情況，某個並聯模組可能負擔了系統的大部分負載，而有的模組可能沒有任何輸出功率。結果使得分擔電流多的模組熱應力增大，使用壽命降低。據專家分析，當電子元器件溫度從25℃上升到5O℃時，其壽命將大為降低，僅為25℃時的1/6。因此在並聯繫統中，並聯均流技術是其關鍵技術。

常見均流方法的簡介

從本質上講，模組並聯運行需要均流的主要原因是由於模組輸出是電壓源性質，輸出電壓的微小偏差會導致輸出電流的很大差別。因此均流可以通過改變電壓源的特性(使特性變軟)或改變電壓源的幅值來實現。從目前國內外對均流技術的研究看，在並聯的電源系統中，實現均流控制常用的幾種並聯均流技術有以下幾種：

1、下垂法(又稱作輸出阻抗法或者電壓調整率法)

2、主/從設定法

3、平均電流自動均流法

4、最大電流自動均流法(民主均流法)

5、熱應力自動均流法

6、外加均流控制器均流法

下面簡單的介紹一下前幾種均流方法。

下垂法

下垂法是一種通過調節變換器輸出阻抗(即調節外特性傾斜度)，實現並聯模組均流。下垂法是最簡單的均流方法，在小電流時電流分配特性差，重載時分配特性要好一些，但仍是不平衡。其缺點是：電壓調整率下降，為達到均流，每個模組必須個別調整;對於不同額定功率的並聯模組，難以實現均流。

右圖為基於外特性下垂法的均流控制電路。R為模組電流的檢測電阻，與負載電阻串聯。檢測到的電流信號經過電流放大器輸出Vi，與模組輸出的反饋電壓V，綜合加到電壓放大器的輸入端。這個綜合信號電壓與基準電壓Vr比較後，其誤差經過放大得到Ve，控制脈寬調製器及驅動器，用以自動調節模組的輸出電壓。當某模組電流增加得多，Vi上升，Vo下降，使該模組的輸出電壓隨著下降，即外特性向下傾斜(輸出阻抗增大)，接近其它模組的外特性，使其它模組電流增大，實現均流。

下垂法實際套用圖

主/從設定法

主從設定法適用於採用電流型控制的並聯開關電源系統中，所謂電流型控制是指開關電源模組中有電壓控制和電流控制，形成電壓/電流雙閉環系統。電壓環用於調節輸出電壓、電流環用於調節電感電流。主從設定法是在並聯的n個變換器模組中，任意指定其中一個為“主模組”；其餘各模組跟從主模組分配電流，稱為從模組。例如以n個DC-DC變換器模組並聯為例。每個模組都採用電流型控制。設其中任一模組為主模組，按電壓控制規律工作，其餘的n-1個模組按電流型控制方式工作。各個從模組的電流都按同一值調製，與主模組電流基本一致，從而實現了均流。

主從控制法均流的精度很高，但存在的最大缺點是一旦主控電源出現故障，整個系統將完全失控。此外，由於系統在統一的誤差電壓控制下，任何非負載電流引起的誤差電壓的變化，都會導致各並聯電源電流的再分配，從而影響均流的實際精度。通常主控電源電壓取樣反饋迴路的頻寬不宜太寬，主從電源間的連線應儘量短。

平均電流自動均流法

均流控制器如右圖所示。

下垂法實際套用圖

Va與Vb之差代表均流誤差，通過調整放大器輸出一個調整用的電壓Vc。當Va=Vb時，電阻R上的電壓為零，表明這時己實現了均流。當R上有電壓出現，說明模組間電流分配不均勻，Va與Vb不相等，這時基準電壓將按下式修正：Vr±Vc，相當於通過調整放大器改變Vr’，以達到均流的目的。這就是按平均電流法實現自動均流的原理。

最大電流自動均流法

最大電流自動均流法與平均電流自動均流法的差別，僅在於將連線在電流放大器和均流匯流排之間的電阻用二極體(令a點接二極體陽極，b點接陰極)代替。這時均流母線上的電壓Vb反映的是並聯各電流放大器輸出Vi的最大值。由於二極體的單嚮導通性，只有電流最大的模組，二極體才導通，a點才能與均流母線相連。設各模組分配的電流均衡的正常情況下，如果某個模組電流突然增大，成為n個模組中電流最大的一個，於是Vi上升，該模組自動成為主模組，其它各模組為從模組。通過調整放大器調整基準電壓，自動實現均流。

常見的均流方法的優劣比較

前述幾種均流技術，各有特點，其中輸出阻抗法和最大電流自動均流法套用較為廣泛，並且己有現成的集成控制晶片。下面對它們作簡單的比較：

1、主從設定法均流利用雙環控制，提高了均流效果，主要缺點是:(1)主從模組間必須有通訊聯繫，使系統複雜。(2)如果主模組失效，則整個電源系統不能工作，團此這個方法不適用於冗餘並聯繫統。(3)電壓環的頻寬大，容易受外界干擾。

2、平均電流法可以精確地實現均流，但具體套用時，會出現一些特殊問題。例如，當均流母線發生短路，或接在母線上的任一個模組不能工作時，母線電壓下降，將促使各模組電壓下調，甚至到達其下限，結果造成故障。而當某一模組的電流上升到其極限時，該模組大幅度增大，也會使它的輸出電壓自動調節到下限。

3、採用外加均流控制器雖然可以獲得很好的均流效果和電壓調整率，但需要外加一個均流控制器，一旦它發生故障，系統將無法正常工作；而且當並聯模組較多時，並聯繫統的連線也較多，在一定程度上也降低了系統的可靠性。基於這些原因，這種方法使用的不多。

4、下垂法不需要在並聯模組電源間建立聯繫，是最簡單的實現並聯均流的方法。但它的缺點也很明顯:首先它是通過改變模組等效內阻實現均流，在提高均流性能的同時會導致模組的電壓調整率下降。

5、採用最大電流自動均流法的並聯模組電源間不是孤立的，通過一條均流母線聯繫起來的。它為每一個模組電源提供了一個電流基準值，而所有並聯模組電源則依據這個基準值來調整其輸出電流，實現系統總電流在各並聯電源中的精確均分，因而是一種優良的均流方法。

結論與展望

結論

首先簡要的說明了均流原理，然後介紹了當前常見的幾種均流方法。最後對幾種均流技術優劣進行了對比。

(1)下垂法由於其簡單性，在小功率電源中，被廣泛套用。通過理論分析和仿真計算，對小功率場合常用的串電阻法、輸出電流反饋法和有源droop法進行比較分析。最後得出，在對均流精度要求較高的場合，有源droop法是比較好的一種方案。

(2)自主均流法由於控制精度高，套用廣泛，有很多專家和學者研究對其進行了詳細地研究。該方法目前有四種具體實現的策略，通過對它們的結構分析，得出其中一種改進式自主均流法是其中較好的一種。

展望

目前的均流方法眾多，此外，隨著控制晶片的不斷發展，新的控制方法也不斷湧現。其他均流方法需要在今後的對其適用性繼續研究。