直流变换器并联运行时的环流和振荡控制.doc

直流变换器并联运行时的环流和振荡控制0??? 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??? 两个正激电源模块并联系统 ??? 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。 图2??? 并联等效电路 ??? 从图2可以很明显地看出，当Vout2Vout1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[1] ??? 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。 图3??? 等效电路1 ??此时vS2=0，加在S1两端的电压为 vS1=－Lm（2） iLm=(n2CS3＋CS1)（3） －L1=V2（4） ??由于S1由导通到关断，vS1的初值为零，可以得到 vS1(t)=iLm0Lmβsin(βt)（5） iLm(t)=－vS1dt＋iLm0（6） iL1(t)=－t＋iL10（7） 式中：iL10和iLm0为iL1和iLm的初始值。 β=（8） ??? 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。 图4??? 等效电路2 ?此时有vS1=0。且 vS2=Lm（9） iLm=－iL1－(n2CS3＋CS2)（10） vS2－L1=V2（11） 由于vS2的初始值为零，可以得到 vS2(t)=（12） iLm(t)=－vS2dt＋iLm0（13） iL1(t)=vS2dt－t＋iL10（14） 式中： A2=（15） α=（16） θ2=arctan（17） 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。 图5??? 等效电路3 ?V1/n是变压器副边绕组的电压，此时iL1和iLm都线性增长。 iL1(t)=t＋iL10（18） iLm(t)=t＋iLm0（19） 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