一种直流电源模块并联运行均流方法*

0 引 言

外层电流环为均流环，利用最大电流法进行均流[9]，将各模块的电流值与均流母线上的最大电流进行误差放大后，得到电流差值ΔImax，经过一个比例放大P环节后转化为ΔUmax，利用最大电流法进行均流会出现各个模块额定输出电压偏高、输出电流偏大的情况。内层电流环为精确稳流环，对主电路电流Idc进行采集，与设定参考电流Iref进行误差放大，形成误差放大信号ΔUdc，消除了输出额定电压偏高的误差。ΔUmax和ΔUdc经过DSP处理器内部比较调制处理后，形成误差补偿信号ΔU。参考电压Uref和误差补偿信号ΔU进行叠加后，与输出电压Uo进行比较调整，调整产生的误差信号经过比例积分PI环节后，产生PWM信号对各个DC-DC变换电路模块进行驱动，达到各个模块之间精确均流的目的[10]。

文献[1]针对电动汽车电能变换电路提出了一种滑动平均控制的均流方法，具有较强的抗干扰能力，但是存在均流精度不高的问题。文献[2]对输出电压环和电流环进行设计，提出了一种双环控制的均流电路，但在双环控制过程中电流环抗干扰能力差，导致整个系统抗干扰能力较低。文献[3]利用谐振原理，设计了一种具有自动均流特性的并联 LLC 谐振变换器，但整个变换器系统在自动均流过程中存在一定的均流偏差。文献[4]通过DSP数字控制，提出了一种基于LLC谐振变换器的数字控制均流方法，但是存在谐振点难以掌握、抗干扰能力差的缺点。文献[5]进行了各个模块之间的信息通信，使得各模块的输出电压一致，但是通信过程中容易出现数据缺失的问题，导致均流精度差。

为了解决电源模块并联运行过程中并联均流精度低、抗干扰能力差的问题，本文提出了一种直流电源模块并联运行的双电流环均流控制方法。在传统双闭环均流控制的基础上，增加了内电流控制环，通过对电压环和双电流环进行控制，使得并联运行的各个电源模块电流分布均衡。所设计的均流方法具有均流精度高、稳定性高、抗干扰能力强等优点。

1 电路设计

对2台4 000 W的DC-DC变换器进行并联均流控制，核心处理器选择DSP芯片TMS320F28335，并联均流控制的电路图如图1所示。

图1 均流电路图

图1中，输出额定电压为400 V，电流传感器CT1和CT2均选择ACS712电流传感器芯片，分别对主电路电流和输出端电流进行采样。

CT1将主电路电流转化为电压经过采样电路连接到DSP处理器，形成内层电流环，内层电流环避免输出电流过大，保证了均流的精度和系统的抗干扰能力。CT2将输出端电流转化为电压，单个模块的输出电流转化为电压后，经过二极管VD1连接到均流Bus母线上。当多个模块并联运行后，电流最大的模块转化后的电压最高，经过二极管后即为均流母线电压，故均流母线电压为多个模块并联运行时电流最大的模块转化而来的电压。电流较小模块的电流转化为电压后与均流母线电压通过运算放大器进行误差放大[6]，误差放大信号连接至DSP处理器，形成外层电流环[7]，外电流环保证各个模块之间能够实现并联均流运行。

对输出电压进行采样，连接至DSP处理器，形成电压环。电压环和双电流环经过PI调节后，生成脉宽调制(PWM)信号，经过驱动电路对DC-DC变换电路进行驱动，调节各个模块的输出电压，达到各个模块均流的目的[8]。

2 控制方法

电压环和双电流环共同对整个系统作用，其中电压环起到稳定外环电压的作用，外层电流环根据最大输出电流进行模块间的均流，内电流环则限制最大输出电流以保证均流的精度和稳定性。均流控制方法框图如图2所示。

图2 均流控制方法框图

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3 仿真分析

在PLECS仿真软件里对2个额定输出电压为400 V的直流电源模块进行直接并联运行仿真，工作频率为20 kHz，并联的输出端等效负载为20 Ω，仿真电路图如图3所示。

图3 模块直接并联输出波形

由图3可知，直接进行2个直流电源模块的并联运行，基本不能实现均流，2个模块之间的输出电压和电流偏差太大。一路模块发生严重过载情况；另一路模块没有得到充分的应用。

利用传统单电流环控制的最大电流均流法对2个模块进行并联均流控制，两电源模块并联运行的输出端波形如图4所示。

图4 单电流环控制模块并联输出波形

根据最大电流均流的方法，利用设计的双电流环和电压环共同控制的方法对2个直流电源模块的并联运行进行均流控制，输出端波形如图5所示。

图5 双电流环控制模块并联输出波形

由图4可知，在利用传统最大电流法进行2个直流电源模块之间的并联均流控制时，两路模块之间能够实现均流运行，额定输出电压为411、423 V，额定输出电流为10.275、10.575 A。但是，输出电压超过额定电压，不利于电源模块的长久运行。改变输出端负载，使得系统由半载向满载运行进行负载扰动仿真，但输出系统经过较长时间才稳定，抗干扰能力差。由图5可知，利用双电流环和电压环进行均流控制时，2个模块的输出电压稳定在额定输出电压附近，额定输出电压为403、406 V，额定输出电流为10.075、10.150 A，2个模块之间的均流精度有所提高。改变输出端负载，使得系统由半载向满载运行进行负载扰动仿真，双电环控制增强了整个系统的抗干扰能力，系统快速达到稳定输出。

4 试验验证

采用2个4 000 W的直流电源模块进行试验测试，工作频率为20 kHz，输入电压为交流380 V，输出电压为400 V。处理器为TMS320F28335，输出端滤波电感为10 mH，电容为470 μF，电流传感器为ACS712，输出端负载为20 Ω。直接利用基于最大电流法进行单电流环进行并联运行均流控制的试验测试输出波形如图6所示。

图6 单电流环控制模块并联输出测试波形

利用设计的基于最大电流法，采用双电流环进行2个模块并联运行均流控制的测试波形图如图7所示。

图7 双电流环控制模块并联输出测试波形

根据图6和图7可知，测试波形图与仿真结果相似。基于最大电流法对直流电源模块并联运行进行均流控制，单电流环控制时2个模块能够实现均流运行，但输出电压均偏高。一路电压为423.8 V，电流为10.567 A；另一路电压为410.8 V，电流为10.273 A。该方法不利于模块的长期运行，且均流精度较低，存在一定误差。当采用双电流环进行均流控制时，2个模块均工作在额定电压附近。一路电压为409.9 V，电流为10.226 A；另一路电压为402.2 V，电流为10.065 A。采用该方法，均流精度得到大大提高，有利于整个系统的长时间可靠稳定运行。

5 结 语

本文根据最大电流均流法，利用主电路电流和输出端电流形成双电流环控制，结合电压环控制，达到了直流电源模块并联均流运行的目的。经过仿真分析和试验测试，设计的双电流环均流控制方法与传统的均流方法相比，具有均流精度高、稳定性好、抗干扰能力强的优点。