数字式PWM+AC—DCDC电源并联系统分析与研究.pdf

第2 9 卷第4 期增刊2 0 0 8 年4 月仪器仪表学报C h i n e s eJ o u m a lo fS c i e n t 讯cI n S t r u m e n tV b l 2 9N o 4A p r 2 0 0 8数字式P W MA C D C D C 电源并联系统分析与研究杜鹏英1(1 浙江大学城市学院电气系杭州3 l o o l 5：金海22 浙江理工大学信电学院杭州3 1 0 0 3 8)摘要结合嵌入式和计算机控制技术，设计了一种新型的数字式P 硼D c D C 电源模块并联系统，分析研究了调制方式及频率一致性对并联系统的影响，实现了各并联模块之间的智能化均流、电源控制与管理的数字化，系统运行可靠。关键词A C D C D c 并联P w M 调制方式均流频率一致数字式A n a l y s i sa n dR e s e a r c ho fD i g i t a lC o n t r o l l e dP a r a e lP W MA C D C D CP o w e rS u p p n e sD uP e n g y i n g lJ i nh a i 2U E E D 印n r l 眦毗坷z h 球d 鸭U n i v e r 曲|c 匆c o l t n g c H a n g z h o n3 l o o l 5 c h i 眦；2 s c h l 巧l 咖r m m 蛔&E l e a m n i 璐，z h e j i n 鸭s c i T e c hU m V e 幅i 协H 硼g z I l o H3 l o o l 8，c h i 呐A b s t r a c t：An e w s t y l ed 心t a lc o n t m l l e dp a m l l e lP W MD C D Cp o w e rs u p p I i e si sd e s i g n e 也u S i n ge m b e d d e ds y S t e m 卸dc o m p u t e rc o n t r o l t e c h n i q u e T h ei n f e c t i o no fm o d u l a t i o nm e t h o d 锄d 仔e q u e n c yi n V 撕柚c ei sa l s ea n a l y s e da n dr e s e a r c h e d T h ei n t e l j i g e n t i z e dc u r 化n ts h a r i n gj np 锄l I e lm o d u l e s，d i g i t a lc o n t r o l 锄dm a n a g ea 爬r e a l i z e d A n dt h es y t e mr 啪sr e l a b I y K e yw o r d s：p a m l l e lA C D C D CP o w e rS u p p l i e s；P W Mm o d u l a t i o nm e t h o d；c u 丌e n ts h 撕n g；舶q n c yi n v a r i a n c e；d i g i t a lc o n t r o I1引言随着电力电子技术的发展，很多场合都需要大功率大电流的直流电源，为了获得需要的容量和一定的冗余，需要将电源模块并联使用。传统并联系统多是采用模拟的方法实现模块问的电流均流的，还存在着一些共同的不足：1)必须有均流控制母线，需要增加专门的均流控制器，抗干扰能力较弱；2)难于保证电源模块调制频率的致。针对模拟均流存在的问题，本文提出了一种新型的数字化A C D c 电源并联系统，以数字通讯的方法实现均流信息的传递和系统冗余，满足了并联系统的各种要求。6 2 92 数字式A C D C 并联系统结构结合计算机控制思想，采用主从方式设计了数字式A c D c 直流电源并联拓扑结构如图1 所示，并联主电路采州独立的A C D c D c 直流电源并联-“1。图l 独托A C D c D c 电源并联系统结构框图这种拓扑结构可保证每个模块的独立性，还可在D C，1)C 环节设置均流环节，选择合适的调整方式和控制策略即可实现系统良好的动静态性能。越=厶3D C D C 调制方式选择以两个模块并联为例。模块中的D C，D C 部分主电路是P w M 桥式电路，有三种P 删调制方式：双极型、单极型、受限单极型。受限单极型只有一个管子在开关调制，可靠性比较高，不存在同一桥臂的两个管子同时导通的可能；且开关损耗与双极型，单极型相比较小。当模块并联时，稳态时并联系统中各模块的P 删工作状态相同，即要么都工作在一类工作状态或都工作在二类工作状态。若采用双极型或单极型，当两组电源工作不同步或占空比不一致时，会出现模块1 和模块2 直通的现象，使管子甚至整个系统的损坏；而采用受限单极型，只要模块的工作状态一致，可以避免电流经直通短路的现象。下面从负载电流脉动的角度，来分析比较当负载电流较大时一个开关周期，受限单极型(同单极型)与双极型P 删转换器负载电流脉动比较的情况。设第i 个模块开关周期为T i，开通时间为t i。对于受限单极型方式，一个开关周期此模块的动态方程如下：J：U。=戚+三竺i【0 9 9】(1)一讲J=O：m+生n t 卯(2)础可得模块输出负载电流为：警卜钏，器卜吣吲，(r f f)巧巧r写：垒!二垒墼互工式中占空比D i=t i 几。可得电流最大脉动量为：越一=苦=等=挠可见此时i 模块单独作用负载电流的最大脉动量与电源电压成正比，与电感L 和开关频率f 成反比。对于双极型P w M 变换器，对应动态方程为：心+三妾【o g 鱼】(5)一乩=心+三粤旧绷(6)同上，得电流脉动量，最大脉动量分别为：越；譬磐=刍=警=亮胛比较式(4)和(7)，在滤波电感和开关频率相同的情况下，双极型的负载电流最大脉动最是受限单极型(单极型)的2 倍。因此在要求相同的电流脉动下，受限单极型所需的滤波电抗器就比双极型小，时间常数小，这样可以提高系统的快速性，同时可减小装置的体积。通过对电路工作的可靠性和电流脉动的分析，并联系统中的D C D C 模块将采用受限单极型控制方式。(3)4 频率、占空比一致性对系统的影响舯L=鲁，巧=警k 髂黻均衡电抗器，如L l，L 2)分别为平均负载电流和负载回路电磁时间常数。此模块单独作用负载电流脉动脉动量为：根据叠加定理，并联系统的负载输出是由各模块叠加提供，各模块P w M 调制频率和占空比一致性与否对输出负载电流、电压有一定的影响，通过对2 模块并联仿真进行分析协“1。设两模块D C D C 的直流输入电压U s l U s 2=3 0 0 V。卜面分为3 种情况分析讨论。(其中I 卜1 2为两模块输出的支路电流，U。，l。为负载电压和电流)。第2 9 卷第4 期增刊2 0 0 8 年4 月仪器仪表学报C h i n e s eJ o u m a lo fS c i e n t i f i cl n s t l l l m e n tV b l 2 9N o 4Ap r 2 0 0 81)调制频率与占空比相同(石2 ，D l=D 2)。各模块调制同步时，I 卜1 2、U。和I。的波形如图2(a)所示；调制不同步时，如图2(b)所示。#：搏器荨萼i：羔：专舔薪忑j 爵!Z卢一，寺 争=一；：=一=一一：D n 孙7 1，、八V Yb 茸I 孟；苫釜!苟：战：当；：擘：奠孽紫-!苎篓羔尊。懋(a)同步调制(b)不同步调制，且调制交叠图2 调制频率与占空比相同时的电压电流仿真波形由图2(a)可见调制同步时，两台直流电源均衡供电，所得的负载电流波形和两支路电流的形状相同且为它们两个电流之和。对于图2(b)，调制不同步时，模块的支路电流波形已经不是标准的电感充放电波形，而是有些畸变，负载电流波形一个周期t l t 5 由4 个阶段。其等效电路有3 中情况，如图3 所示。圃圣函三困(a)t l t 2 阶段(b)t 2 t 3 阶段(c)t 4 t 5 阶段图3 调制频率与占空比相同时模块工作等效图对于图2(b)：t l t 2 阶段，模块l 的T l 导通，支路电流增加，而模块2 的T l7 关断，均衡电抗器续流，电流快速下降，总电流较为平缓。由于两模块瞬时供电不均衡，使得模块l 的电流增长比单独工作时的电流增长率大，而模块2 的续流阶段的电流下降率也比单独工作时的大，但总电流总是支路电流之和，综合起来变化不大，比较j F 缓。此阶段的等效电路如图3(a)所示，得负载两端的电压为：=一墨一娼+厶)粤=也+)冬一之垦。t 2 t 3 阶段：模块1 的T 1 和模块2 的T 1 都导通，模块2 的电流增长，这样使两模块提供的电流趋于平衡。其等效电路如图3(b)所示，此时负载两端的电压为：=一足一(厶+厶)象=z 一之R 一(厶。+)老t 3“阶段：同第一阶段类似。负载电压为：6 3 12-(上l+厶)罢一足=一之足一(厶+上2)卺t 4 t 5 阶段：模块1 的T 1 和模块2 的T l 都不导通，此时两模块都处在电感续流的阶段，支路电流都在缓慢减小，总电流减小。两模块提供的电流趋于平衡，其等效电路如图3(c)所示，负载电压为：=_ 厶+厶)譬一R=-厶+三：)拿一f 2 是“l“f可见，只有当模块的频率、占空比均相同，且工作同步时，各模块给负载均衡供电，基本不受其他模块的影响，波形也比较整齐；而调制不同步时，由于存在两模块工作状态不相同的情况，以及电感的感应电势的作用，使得各支路电流相互影响，但负载电流、电压的平均值是相同的，负载电流的脉动比要小。2)调制频率相等但占空比不等(Z=以，D l 马)当输入电压U s l=U s 2 时，调制频率相等但占空比不等，模块不均流，造成一个模块负荷较大，而另一个模块则较小，严重不平衡。一个周期中出现了当一个模块电流降到零，而另一个模块仍工作的状态，如图4 的t 4 t 5 阶段，此时等效电路如图5所示。、刀。7 弋夺7 尽。A 奠二Z 一疆二“：爿：乃二疆二I：_ _ _-、丁阿习：丁：淤：r q；、：h 一：n 一一一一：图4 调制频率相等与占空比不相同时真波形LR 图5 一个模块屯流为零，另一个模块工作时等效电路冈其输出电压为：；”。=u，2 一f 2 R 2 一(l+三2)兰予口l比较以上1)和2)两种情况的波形图(图2 和图4)，可以看出只要箨模块的P 删调制频率相等，2 厶，不管占空比相同与否，负载电流波形都比较稳定；占空比相同利于模块静态均流，若调制不同步，一个周期中出现短暂动态不均流现象，但输出的负载电流的脉动程度较小；占空比不同，引起不均流，这是不希望出现的现象。3)调制频率不相等(，厶)如果各模块的P 删调制频率不相等，：。仿真波形如图6。负载总电流的脉动是动态的，不稳定的，且频率比较低，一个变化周期是从各模块的调制管同时开通的时刻开始到下一次同时开通。当各模块调制频率越接近，负载电流的变化周期越长，即频率越低。0 0-m 型幽婴=竺型懊她唑竺=竺竺竖她唑竺=删柚l t。一-一皇竺竺黧曲幽能2 竺竺：=竺曼竺唑她婴旦2 1 羔型!婴卿鼎燃柚f h 等螋皑唑竺黑鼎删蜘魍嬲懋恻然憋苫两赫两赫酾厕耐两妊删两硒两丽妊；唔诫U 图6 调制频牢不一致时仿真波形综合电流的脉动、模块电流均衡和稳定性，在模块输入电压相同的情况下，并联系统各D C，D C模块应设法做到调制频率和占空比一致，频率不一致会产生低频脉动信号，增加输出电流和电压的纹波成分；占空比不一致为造成各模块严重的不均流现象。5模块调制频率一致性的实现A C D C 电源模块调制频率的一致性，直接影响并联输出的电压、电流纹波。传统的模拟并联方法很难做剑模块调制频率一致，为了实现智能化均流和控制各模块频率和占空比一致，结合传统的模拟方式采川嵌入式技术和计算机控制技术，选择一致的控制器的品振频率，P W M 控制软件执行的时间也基本相同，可以实现模块的频率一致；根据图l，由监控计算机枪测负载电流，并通过通信方式提供均衡的给定电流，各模块实现电流内环控制，使模块输出电流跟踪给定，当给定信号和频率一致时，通过各模块的闭环调节，即可产牛占空比相近的P w M 控制信号，通过数字控制方式解决多i：联中的均流问题。6 数字式A C D C 并联系统实验对四台输出电压为l o o V，输出电流为1 0 A 的模块并联的样机进行实验，测得输出直流电压为1 0 0 4 V，波形中的纹波电压(睢P)为1 2 V，纹波系数为：1 2。实际检测结果显示，各模块之间的6 3 2调制频率非常一致，避免了输出电压的低频脉动。另外测量了各模块输出电流值和总输出电流值，均流误差2 2，模块电流基本上是均衡供电。7 结论通过对四台电源模块并联的实验样机进行实验，得出此种数字式电源并联系统与传统的模拟电源并联系统相比具有以下特点：1)采用P W MA C D C D C 模块并联，并联系统要求模块调制的一致性。2)由于嵌入式应用，各模块都具有监控能力；数字式电流跟踪技术和双环P I 控制，实现模块之间的智能化均流，提高了均流信号的抗干扰能力。3)火人提高了模块调制频率的一致性，有利于减小输山电压、电流的低频纹波。综上所述，本文结合嵌入式应用实现了电源控制与管理的数字化，与模拟控制相比显示出较大的优越性，在需要大功率输出的场合，具有良好的应用前景。参考文献【l11 h i F uW u，Y u-K a iC h e n 柚d、r o n 争H c hH u 柚g 3 Cs t r a t e g yf o ri n v e r t e 幅i np a m l l e lo p e m t i 伽h i e v i n g 锄e q u a lc u 九-e n td i s t r i b u t i o n【J】1 E E ET 啪s a c t i o no nI n d u s t r i a lE l e c t m n i c s，2 0 0 0，4 7(4)：2 8 4 2 9 1【2】s 岫J，Q i u，-Y，L u-B，x u M，L-F C，T i p t o f l，W CD y n 栅i cp e r f o 加a n c ea n a l y s j so fo u t e r 1 0 0 pc u 爪m ts h 州n gc o n t r o If o rp a m e l e dD C D Cc o n V e n e r S I J】A p p l i e dP o w c rE I e c n 0 n i c sC 佣f c r e n 锄dE x p o s i t i o n，2 0 0 5 A P E C2 0 0 5 T w e n t j e t h 舳n 陋lI E E E，2 0 0 5，2(3)：1 3 4 6 1 3 5 2【3】A z a rR，U d 佗aR，W 撕T U n gN g，D a w s o nF，F 协d I a yw a i n dP 1 1 1 ec u 玳n ts h a n g 叩t i m i z a t i o no fp a m I l e l c di g b t si nap o w c r 巾o d u l et i I eu s i n gap s p i c ef e q u e n c yd e p e n d ti m p e d a n c em o d e I【J】P o w e rE I e c t r o n i c S l E E ET m n s 扯t i o n so n，2 0 0 8，2 3(1)：2 0 6 2 1 7【4】H o n g f 抽gW 卸g，w 卸gF P o w 盯m o s f e t sp 啪l l e l n g叩e m t i o n衙h i g l lp o w 盯h 砂d 朗s 时c o n V e n e r S【J 1 I n d u s t 叮A p p l i c a t i o n sC o n f e 佗n，2 0 0 6 4lS tI A SA n n u a IM e e t i n g C o n f e 他n c eR e c o r do ft h e2 0 0 6l E E E 2 0 0 6 5(8)：2 2 8 4 2 2 8 9