直流变换器并联运行时的环流和振荡控制

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直流变换器并联运行时的环流和振荡控制

摘要：开关电源并联系统产生的环流和振荡会对电子元件产生高电压冲击，降低功率因数，并且使并联的各个模块之间产生抑止。因此，对开关电源并联系统的技术研究得到了广泛的关注。分析了直流变换器并联系统产生环流和振荡的原因和过程，并通过实验结果得以验证。最后总结出几种有效解决并联系统环流和振荡问题的方法。    关键词：直流变换器；并联；环流；振荡
引言
多个开关电源模块并联是解决大功率供电系统的关键技术，它的优点是，可以灵活组合成各种功率等级的供电系统、提高了系统的可靠性、通过N＋1冗余获得容错冗余功率、可以实现热更换、便于维修等。
原来应用于开关电源中的整流器二极管，由于效率较低，大部分已经被MOSFET代替。这样，在采用高效率MOSFET的同时，也产生了一些问题。
在同步整流器中的MOSFET相当于一个双向开关，它不仅可以通过正向的电流，也允许反向电流通过。
在同步整流器中，控制MOSFET的电路与MOSFET导通电路形成了交叉连接（cross-coupled）。这样一种电路的拓扑与晶体管多谐振荡器很相似，也就是说，这种电路本身就可以形成振荡。
所以，模块并联运行时，由于各个模块输出电压之间的差异，会导致输出电压高的模块与输出电压低的模块之间产生环流，形成振荡。这样，输出电压低的模块不仅不对外提供电流，还吸收输出电压高的模块的电流；输出电压高的模块不仅要提供负载电流，还要提供其它模块的电流。因此，输出电压高的模块就会受到大电流的冲击；振荡会产生大的电压冲击；几个模块之间互相干扰，输出电压高的模块会抑制输出电压低的模块。
本文主要针对直流开关电源并联系统，通过对可能产生环流的结构进行理论分析，阐明了产生环流和振荡的原因和过程，并总结出几种有效解决环流的控制方法。
1 并联系统产生环流的分析
图1为两个采用自驱动同步整流的正激DC/DC电源模块的并联系统原理图。


图1

    图1模块1中，S1是同步整流管，S2是续流管，L1是滤波电感，C2是滤波电容，R是并联系统的负载。S3是MOSFET开关，控制变压器原边线圈的导通。C1和D4构成变压器原边线圈的续流回路。
由于S1代替了原来的二极管，使得原本只能单向导通的支路，允许反向电流通过。在并联系统中，当两个模块之间存在差异时，输出电压会有差值，这是导致整流回路出现环流的主要原因。
两个模块的输入电压相同，控制方式都相同，当其中一个模块的参考电压较高时，这里假设模块2的参考电压较高，就会导致S7的导通角要大于S3，使模块2的输出电压较高。
这时，从输出端看，可以将两个模块分别等效为理想电压源与电阻串联的结构。如图2所示。

从图2可以很明显地看出，当Vout2>Vout1时，极有可能构成回路，产生环流。
2 产生自激振荡时的理论分析
由于环流现象的存在，使得如图1所示的并联运行的电源系统会产生自激振荡现象。
根据开关状态不同，可以分为4个时段。
1）状态1 S3关断，S1关断，S2导通。
此时模块1的等效电路如图3所示。图中Lm是变压器的励磁电感，Cp是变压器原边等效到副边的电容值，S1，S2和S3关断时分别等效成电容CS1，CS2和CS3，V2是输出电压。
Cp=n2CS3    （1）
式中：n为变压器变比。


此时vS2=0，加在S1两端的电压为

由于S1由导通到关断，vS1的初值为零，可以得到

式中：iL10和iLm0为iL1和iLm的初始值。

当vS1减小到零时，进入状态2。
2）状态2 S3关断，S1导通，S2关断。此时的等效电路图如图4所示。


此时有vS1=0。且

由于vS2的初始值为零，可以得到

式中：

其中：iLm0和iL10为iL1和iLm在第二阶段的初始值；
Ts为单位时间。
3）状态3 S3导通，S1导通，S2关断。此时的等效电路图如图5所示。


V1/n是变压器副边绕组的电压，此时iL1和iLm都线性增长。


4）状态4 S3关断，S1导通，S2关断。此时的等效电路图和状态2是相同的，所有量的时间函数表达式也都相同，只是初始值不同。
3 仿真和实验结果
为了验证上述环流和振荡现象的分析结果，用Pspice对图1所示的两个自驱动的电源模块系统进行了仿真，并制作了实验模块。
仿真和实验系统的主要参数为：输入电压60V，输出电压5V，开关频率为200kHz。并使模块2单独运行时的输出电压略高于模块1的输出电压。
图6和图7分别为仿真结果和实验结果。其中V1为模块1中整流管S1源-漏极之间的电压；V3为开关管S3源-漏极之间的电压。


仿真结果和实验结果表明，由于环流的存在，使得在并联系统中出现了自激振荡现象。
4 解决环流及振荡问题的几种措施
并联运行的电源模块出现环流和振荡后，会影响系统的正常工作。必须采取适当的措施避免环流和振荡现象的产生。可以采取如下措施。
4.1 电阻器法
在产生环流的回路中加入电阻器，这相当于增加了整个环流回路的电阻，可以减小环流。但是，所加入的电阻器在开关电源的输出回路中，必然减小输出电压和电流。只有在对开关电源的输出要求不高时，可以使用本方法。
4.2 采用检测的手段加以控制消除
在各个开关电源模块中加入电流检测器，当某一模块的电流发生非正常变化时，将检测到的信号送到控制器，控制器通过控制电路使该模块恢复正常工作，防止环流现象的发生。
这种方法可以与均流控制相结合，在防止环流产生的同时，使电流在各个模块之间均匀分配。
4.3 改变整流MOSFET的驱动
4.3.1 改进自驱动[5]
图8所示为一自驱动同步整流模块。


电路在多模块并联运行时，当某一模块因某种原因停止输出电压时，由于其它模块仍在工作，且该模块输出端与其它模块相联，故输出电压Vout仍然存在。这时虽然该模块不工作，但是由于结构上的原因，S1和S2的源极与漏极的电压为Vds=Vout，栅极与漏极的电压为Vgs=Vout，因此S1和S2都导通，从而将Vout短路，势必导致环流。
改进后的自驱动模块如图9所示。


图9

    S5和S6是P沟道MOSFET。当模块正常工作时，S5和S6只起驱动电压缓冲作用，不影响S1和S2的驱动电压波形。当模块不工作时，虽然Vout仍然存在，但由于S5和S6的阻断，电压Vout不能加到S1和S2的栅极上，而且由于电阻R5和R6，静电不会在栅极上积累，此时S1和S2的管脚电压为Vds=Vout及Vgs=0。因此，S1和S2都不会导通。这样便有效地改进了自驱动结构。
4.3.2 将自驱动改为他驱动
整流MOSFET的驱动不用自驱动，而用他驱动。将前面的单整流MOSFET结构按此方法修改后如图10所示。整流MOSFET S1的栅极接到PWM控制电路上，改变了原来的十字交叉（Cross-coupled）结构，避免了环流和振荡的产生。


图10

    将有两个整流MOSFET的自驱动结构改为他驱动后如图11所示。整流MOSFET S1和S2的驱动信号由PWM控制电路提供，同样改变了原来的十字交叉结构，有效地避免了环流和振荡的产生。


图11
5 结语
在分析了直流变换器并联系统产生环流和振荡原因的基础上，提出了几种有效解决问题的方法。