開關電源并聯系統的數字均流技術??

摘要：分布式電源系統應用中，并聯開關變換器模塊間需要采用均流措施，它是實現大功率電源和冗余電源的關鍵。主要討論了電源模塊并聯系統均流控制的數字化問題，提出了基于CAN總線的電源模塊間實時通信方案。

關鍵詞：開關電源；均流控制；數字化；控制器局域網

?Digital Control Scheme for Load Share in a Parallel System of SMPS

WU Guo-zhong, PAN Guan- li?

Abstract:The measure of current sharing is needed in distributed power application systems. It is the key of realizing big and redundancy power systems. The problems of digitizing the current sharing of parallel control system are discussed,and a real? time communication plan between power modules based on CAN bus is brought forward.

?Keywords:SMPS; Current sharing; Digitization; CAN?

1? 引言

??? 電源系統的發展方向之一是用分布式電源系統取代集中式電源系統。這是因為分布式電源系統具有更多的優點，比如易于擴充輸出功率容量、可靠性高、使電源保持高的效率和較快的動態響應、可以實現標準化設計、便于維護等。但是外特性不同的電源模塊并聯工作時，如果不采取一定的均流措施，每個模塊的輸出電流將出現分配不均的情況，外特性好的電源模塊將承擔更多的電流，甚至過載，從而降低了可靠性；分擔電流小的模塊可能處在效率不高的工作狀態。因此必須采取均流措施。

??? 同時分布式電源系統對兩個技術提出了更高的要求：

??? 1）并聯模塊間的自動均流技術；

??? 2）模塊的智能化技術。

??? 電源模塊的數字化能夠提高其可靠性和產品一致性等工程問題，并且有利于實現智能化，是應用技術的發展方向。

2? 平均電流法

??? 目前常用的均流方法有：輸出阻抗法、主從設置法、平均電流法、最大電流法、熱應力自動均流法和采用均流控制器的方法等。為了提高電源系統的可靠性和可維護性，采用的均流方法最好有如下特點：

??? 1）單個模塊的故障不影響整個系統的正常運行；

??? 2）模塊之間自動實現均流，無需人為的調整和設定，無需模塊之外控制器的介入。

??? 考慮到均流算法和數字化的特點和互補性，本系統選用平均電流法。這種方法是將并聯工作的每個模塊電流值取平均后，將平均電流值送給每個模塊。各模塊都以這個平均電流值為目標自動調節自己的輸出電流，從而達到均流的目的。圖1畫出了N個并聯模塊中一個模塊按平均電流自動均流的控制電路原理圖。并聯各模塊的電流放大器輸出端，通過一個電阻R，接到均流母線上。如圖1所示，電壓放大器輸入為Vr′是基準電壓Vr和均流控制電壓Vc的綜合，它與Vf進行比較放大后，產生電壓誤差Ve，控制PWM及驅動器。Vi為電流放大器的輸出信號，和每個模塊的負載電流成正比，Vb為母線電壓。當N=2時，也就是兩個模塊并聯運行狀態下，Vi1和Vi2分別為模塊1和2的電流信號，都經過阻值為R的電阻接到母線b，母線電流I值計算如下：

???? I=(Vi1－Vb)/R＋(Vi2－Vb)/R?? (1)

圖1? 平均電流法自動均流控制原理圖

圖2? 82C250的功能框圖

??? 當母線電流I=0時，由式(1)得

???? Vb=(Vi1＋Vi2)/2??? （2）

??? 母線電壓Vb是Vi1和Vi2的平均值。也代表了模塊1，2的輸出電流平均值。代表均流誤差的Vi與Vb之差，經過調節放大器，輸出調整電壓Vc，Vc值可正可負。當Vb=Vi時，電阻R上的電壓為零，調整電壓Vc=0，實現了均流。一旦模塊間的電流分配不均勻，Vb≠Vi，電阻R承受電壓，此時Vr′=Vr±Vc，電路通過調整放大器改變Vr′，以達到均流目的。

??? 這種方法能夠精確地實現均流，但是，若采用模擬方法實現時，也會有一些特殊問題，比如當均流母線發生短路，或接在母線上的任何一個模塊不能工作時，均流母線電壓下降，將促使各模塊電壓下調，甚至達到下限，造成故障。若采用數字方法實現，用通信的方法獲得所有并聯模塊的平均電流值，再用這個平均電流值與模塊電流值比較，比較的結果用來補償電壓基準，則可防止上述情況的出現。采用數字方式實現這種方法能夠揚長避短，具有很大優越性。

3? 數字均流控制的實現

??? 采用數字方式實現均流控制具有控制方法靈活的特點，很容易做到單個模塊故障時不影響與其并聯的其它模塊的正常運行。而要實現模塊之間的自動均流，則模塊之間的數據交換是必需的功能。采用數字方式，則這種交換數據的簡單形式一般就是通信。因此，模塊之間的通信技術是實現數字均流的關鍵技術。采用何種通信方式、制訂怎樣的通信協議，既能夠實現數據的可靠和高速交換又能使通信接口簡單，便是數字均流技術首先要研究的內容。

??? 許多單片機（包括DSP控制器）都有內置通信模塊。選用這些單片機片內的通信模塊實現數據通信，無論對于增加可靠性，還是簡化軟硬件設計都有很大的幫助。TMS320X241DSP控制器具有較高的A/D轉換速率、較小的封裝，并且帶有CAN模塊。可作為主電路的控制核心。

??? CAN屬總線式串行通信網絡，與一般的通信總線相比，CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由于CAN具有以上一些特點，對于100ms級響應時間的均流控制來說，能夠滿足其實時通信的要求。通過CAN，我們能夠實現并聯工作的各電源模塊之間的數據通信，而且硬件接口簡單，圖2為CAN控制器與物理總線之間的接口電路82C250的功能框圖。82C250能夠提供對總線的差動接收和發送功能，以實現總線上各節點間的電氣隔離，最高通信速率達1Mbps。

4? CAN的協議模型和自定義的高層協議

??? 上面的硬件實現方案中，CAN只采用了OSI參考模型的兩層協議——物理層和數據鏈路層，它僅實現了節點間無差錯的數據傳輸。因此，其它層的協議需要我們自己定義。

??? 以下是針對開關電源并聯系統的數字均流控制制訂的部分高層協議：

??? 1）允許參加并機的模塊總數不超過8個，每個模塊擁有1個3位的地址編碼，模塊的地址編碼不允許重復。

??? 2）每個模塊都以自身的地址碼作為發送數據的優先級。

??? 3）模塊向外發送數據幀時，應包含自身的地址碼信息。

??? 4）所有的數據都以廣播形式向總線發送，同時回收自己發送的數據，若發現發送和回收的數據不符，則立即重發。

??? 5）對每個模塊而言，上電后1s內若未接收到任何通信信息，則在1s計時結束后，延時發送自身的地址碼及電流采樣值（可能為零）。這個延時發送時間（tdelay）的計算公式為

????????? tdelay=T1×MADDR????? （3）

式中：T1為單位延時時間常數，該值可以根據通信速率合理定義；

????? MADDR為模塊自身地址編碼。

??? 6）從模塊上電后第一次接收到通信信息（可能為自身發送的信息）起，每隔40ms向外發送自身地址碼和電流采樣值。如發生沖突，CAN會根據每個模塊信息的優先級自動調整發送順序。由于每個模塊發送信息的優先級都不相同，因此它們會自動按一定的次序發送出去。

??? 7）每個模塊在自身發送信息10ms之后，計算出并聯工作的模塊總數，并求出所有采樣電流的平均值，通知模塊的控制環節。由于CAN高速的通信能力和極低的出錯率，10ms之內所有的模塊都能將電流采樣值發送出去讓每個模塊接收到。

??? 8）模塊檢測到自身出現故障時，應及時切斷輸出，并退出通信。

??? 結合上面制訂的高層的通信協議和平均電流均流算法，模塊之間傳輸數據類型和數量，模塊內部對這些數據的處理方法都可以得到解決。

5? 結語

??? 平均電流法可實現精確的均流控制，上述數字均流技術已成功地應用在開關電源并聯系統中。實踐表明，在滿足輸出電壓要求的同時也達到了很好的均流精度，提高了電源系統的可靠性和容錯能力。采用數字方法實現均流能夠避免模塊發生故障時影響整個系統工作的現象，揚長避短，具有很大的優勢。

參考文獻

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