基于并联开关电源的功率比例分配研究.docx

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基于并联开关电源的功率比例分配研究

摘要

直流稳压电源主要分为线性稳压电源和开关稳压电源两种。

开关稳压电源相比普通的线形稳压电源，具有非常多的优点。

它的开关管以开关方式工作，功耗小，效率高，稳压范围宽，安全可靠，对电网电压及频率的变化适应性强，能够提供不同数值的输出电压。

本文主要研究使用两块开关电源模块并联形成的供电系统，输出电压稳定在8V，电流比例可调节。

利用MATLAB的Simulink环境，搭建降压结构DC/DC转换器的仿真电路，采用电流分配法，用调节电源模块的输出，来实现并联模块之间的电流分配。

关键词：

开关电源并联；电流分配；MATLAB

Abstract

Dcvoltagestabilizeraredividedintolinearvoltagestabilizerandaswitchingpowersupplytwokinds.Aswitchingpowersupplycomparedtocommonlinearmanostat,hasverymanyadvantages.It'sswitchtubetoswitchworkway,littlepowerconsumption,highefficiency,widerangeofvoltage,safeandreliable,andtopowervoltageandfrequencychangesadaptabilityisstrong,canprovidedifferentvaluesoftheoutputvoltage.

Thispapermainlystudiesusingtwopiecesofswitchpowersupplymoduleinparallelformofpowersupplysystem,theoutputvoltagestabilityin8V,currentratiocanbeadjusted.UseofMATLABSimulinkenvironment,setupstep-downstructureDC/DCconvertercircuitofthesimulation,thecurrentdistributionmethod,adjustthepowermodulewithoutput,torealizethecurrentdistributionofparallelbetweenmodules

Keywords:

Switchpowersupplyparallel;Currentdistribution;MATLAB

1绪论

大量电子设备，特别是计算机、通讯、空间站等的广泛应用，要求组建一个大容量、安全可靠、不间断供电的电源系统。

如果采用单台电源供电、该变换器势必处理巨大的功率、电应力大，给功率器件的选择、开关频率和功率密度的提高带来困难。

并且一旦单台电源发生故障，则导致整个系统崩溃。

采用多个电源模块并联运行，来提供大功率输出是电源技术发展的一个方向。

并联系统中每个模块处理较小功率，解决了上述单台电源遇到的问题。

八十年代起，分布式电源供电方式成为电力电子学新的研究热点。

相对于传统的集中式供电，分布式电源利用多个中、小功率的电源模块并联来组建积木式的大功率电源系统。

在空间上各模块接近负载，供电质量高，通过改变并联模块的数量来满足不同功率的负载，设计灵活，每个模块承受较小电应力，开关频率可以达到兆赫级，从而提高了系统的功率密度。

　　大功率输出和分布式电源，使电源模块并联技术得以迅速发展。

然而一般情况下不允许模块输出间直接进行并联，必须采用均流技术以确保每个模块分担相等的负载电流，否则，并联的模块有的轻载运行，有的重载甚至过载运行，输出电压低的模块不但不为负载供电，反而成了输出电压高的模块的负载，热应力分配不均，极易损坏。

对于多个模块并联运行电源系统的基本要求是：

一是输入电压或者负载发生变化时，保持输出电压稳定;二是控制各模块的输出电流，实现负载电流平均分配，均流动态响应良好。

为提高系统可靠性，并联系统应该具备以下特性：

实现冗余。

当任意模块发生故障时，其余模块继续提供足够电能，整个电源系统不会崩溃;实现热拔插，电源系统真正意义上的不间断供电。

1.1开关电源技术发展方向

进入21世纪，开关电源技术将有更大的发展，主要集中在以下几个方面

a.高性能碳化硅功率半导体器件

可以预见，碳化硅将是21世纪最有可能成功应用的新型功率半导体器件材料，碳化硅的优点就是：

禁带宽，工作温度高，通态电阻小，导热性能好，漏电流极小，PN结耐压高等等。

b.高频磁技术

高频开关电源中用了多种磁原件，有许多基本问题需要研究，如磁芯损耗的数学建模，磁滞回线仿真建模，高频变压器一维和二维仿真模型等。

此外，高频磁原件的设计决定了高频开关电源的性能，损耗分布和波形，因此，人们希望给出设计推测、方法、磁参数和结构参数与电路性能的依赖关系，明确设计的自由度与约术条件等，同时，人们将研究损耗更小，散热性能更好，磁性能更优越的高频磁性材料。

高频磁技术材料的研究还包括磁电混合集成技术，即将铁氧体或其他薄膜材料高密度集成在硅片上，或者将硅材料集成在铁氧体上。

c.新型电容器

研究开发适用于功率电源系统用的新型电容器和超大电容。

要求电容量大、等效串联电阻（ESR）小、体积小等。

20世纪90年代末，美国已经开发出330uF新型固体钽电容，其ESR显著下降。

d.功率因数校正AC-DC开关变换技术

开关电源输入侧有整流器、电容平波电路，使其输入电流呈尖脉冲状，谐波分量很高，一半功率因数仅有0.65左右。

对电网产生很大的谐波污染；同时对其他设备有很大的干扰，引起仪器仪表和保护装置的误测量、误动作。

开关电源的高次谐波抑制，及功率因数的提高主要采用无源功率因数校正技术（PFC）有源功率因数校正技术（APFC）和简化电路方式等方法。

e.高频开关电源的电磁兼容研究

高频开关电源的电磁兼容问题通常涉及到开关过程产生的di/dt,du/dt,它引起强大的传导性电磁干扰和谐波干扰。

有些情况还会引起强电磁场辐射。

不但严重污染周围电磁环境，对附近的电气设备造成电磁干扰，还可能危机附近操作人员的安全。

同时，开关电源内部的控制电路也必须能承受主电路及工业应用现场的

电磁噪声的干扰，显然，在电磁兼容领域，有许多前沿课题有待研究，如典型电路与系统的传导干扰和辐射干扰建模；印制板电路和开关电源EMC优化设计软件；大功率开关电源EMC测量方法的研究。

f.开关电源的设计、测量技术

建模、仿真和CAD是一种新的、方便且节省的设计工具。

为了仿真开关电源，首先要进行建模。

仿真模型中应包括电力电子器件，变换器电路、数字和模拟控制电路以及磁原件和磁场分布模型，电路分布参数模型等，还要考虑开关管的热模型，可靠性模型和EMC模型。

开关电源的CAD，包括主电路和控制电路设计、器件选择、参数优化、磁设计、热设计EMI设计和印制电路板设计、可靠性预估、计算机辅助综合和优化设计等。

此外，开关电源的热测试、EMI测试、可靠性测试等技术的开发、研究与应用也是应大力发展。

g.开关电源的开数据处理系统的速度和效益日益提高

低电压、大电流的开关电源的开数据处理系统的速度和效益日益提高，新一代处理器的逻辑电压抵达1.1到1.8V，而电流达50到100A，其提供电源低电压、大电流输出DC-DC变换器模块将会成为开关电源新的研究方向之一。

1.2题目分析

开关电源电路是电力电子电路的一种，被广泛应用在小功率及各种电子设备领域，顾名思义，开关电源就是电力电子器件在看管状态的电源，对于DC/DC电路，可以变换的对象主要是电压和电流。

在这道题中，要求使用两块开关电源模块并联形成的供电系统，输出电压稳定在8V，电流比例可调节。

这道题的难点就在与实际操作中开关电源不能同时控制输出电压和电流，但既要输出稳定电压，又要电流呈一定比例。

利用MATLAB仿真技术搭建电路，掌握PWM波产生原理及其占空比的调节方法，降压斩波电路的原理及搭建，输出电压反馈的调节，并利用MATLAB的Simulink环境，搭建降压结构DC/DC转换器的仿真电路，采用电流分配法，用调节电源模块的输出，来实现并联模块之间的电流分配。

建立其线性模型，得到由控制到输出的传递函数，对系统进行补偿，使系统的稳定性达到最优。

并进行仿真分析，调整电路结构、元件参数和仿真参数。

1.3设计任务与指标

设计一个有两个额定输出功率为16W的8VDC/DC模块构成的并联供电系统，如图1.1所示。

图1.1两个DC/DC模块并联供电系统主电路示意图

a.调整负载电阻值额定输出功率工作状态，供电系统的直流输出电压

V。

b.额定输出功率工作状态下，供电形同效率不低于60%。

c.调整负载电阻，保持输出电压

V,是两个模块输出电流之比为1:

1和1:

2。

2并联特性及电流分配方法

2.1并联特性

图2.1为两个模块并联工作时的等效电路及其外特性曲线。

如果两个模块的参数完全相同，即

，

，两条外特性曲线重合，负载电流均匀分配。

如果其中一个模块的电压参考值较高，输出电阻较小（外特性斜率小），如图1中的模块1，则该模块将承受大部分负载电流，负载增大，模块1将运行于满载或超载限流状态，影响了系统可靠性。

（a）并联等效电路

（b）输出外特性

图2.1两个模块并联均流原理图

可见，并联电源系统中各模块按照外特性曲线分配负载电流，外特性的差异是电流难以分配的根源.正常情况下，各并联模块输出电阻是个恒值，输出电流不均衡主要是由于各模块输出电压不相等引起。

电流分配的实质即是通过均流控制电路，调整各模块的输出电压，从而调整输出电流，以达到电流分配的目的。

一般开关电源是一个电压型控制的闭环系统，电流分配的基本思想是采样各自输出电流信号，并把该信号引入控制环路中，来参与调整输出电压。

选择不同的电流信号注入点，可以直接调节系统基准电压、反馈电压误差、或者反馈电流误差，形成多种电流分配方案，以满足不同的稳态性能和动态响应。

2.2电流分配方法

根据并联电源系统中模块之间有无传递电流分配信号的互连线，所有电流分配方法可归成两大类：

下垂法和有源电流分配法，下垂法为模块之间只有输出端导线相连;有源电流分配法除了连接输出导线外，还用电流母线把各模块连在一起。

2.2.1下垂法

下垂法（又叫斜率法，输出阻抗法）是最简单的一种电流分配方法。

其实质是利用本模块电流反馈信号或者直接输出串联电阻，改变模块单元的输出电阻，使外特性的斜率趋于一致，达到电流分配。

由图2.1（b）可见，下垂法的电流精度取决于各模块的电压参考值、外特性曲线平均斜率及各模块外特性的差异程度。

选择不同的电流反馈信号注入点，可以修正控制环路的反馈电压值或基准电压。

图2.2（a）为采用调节基准电压来改变电压参考值的方式下所对应的外特性曲线图。

可见电压参考值的差异越小，均流效果越好。

图2.2（b）为采用调节反馈电压值来改变斜率的方式下所对应的外特性曲线图。

外特性斜率越陡，电流分配效果越好。

图2.2（a）调节基准电压

图2.2（b）调节反馈电压

常用的下垂法均流控制框图如图2.3所示。

为电流放大器输出信号，与模块输出电流成比例

，

为电压反馈信号，显然

，当某模块电流增加时，

上升，

下降，通过反馈使该模块输出电压随之下降，即外特性向下倾斜，接近其他模块的外特性，从而其他模块电流增大，实现电流分配。

电压误差放大器E/A具有很大的直流增益

，假设

→∞时

，，改变电压环和电流环的比例参数可以获取期望的外特性。

图2.3下垂法电流分配控制框图

此外，在模块输出端与负载之间串联一定的电阻值也是一种调节输出电阻的下垂法。

缺点为串联电阻会消耗额外电能。

较为经济的办法是串联热敏电阻，其阻值随在电阻上消耗的热能变化而改变，同样达到电流分配。

　　而且，电流不连续模式下的Buck、Boost、Buck-Boost变换器和串联谐振变换器本身就固有一定的外特性下垂率，这类变换器可以直接并联运行，实现自然均流。

　　下垂法的特点可归纳如下：

模块之间无互连通讯线;实为开环控制，小电流时电流分配差，随着负载增加电流分配效果有所改善;对稳压源而言，希望外特性斜率越小越好，而下垂法则以降低电压调整率为代价来获取电流分配，该法可以应用在电流分配精度大于或等于10%的场合;对于不同额定功率的并联模块，难以实现电流分配。

2.2.2有源电流分配法

有源电流分配法是电流分配方法中的一大类别，其特征是采用互连通讯线连接所有的并联模块，用于提供共同的电流参考信号。

一般并联变换器采用电流型控制，即电流内环和电压外环双环控制，以下把功率级和电流内环作为变换器的基本单元。

在基本单元外设计控制结构和母线连接方式，形成各类有源电流分配法，如主从法、平均电流法、最大电流法等。

　　控制结构指均流环与电压环如何配置，图2.4为有源电流分配法的三种控制结构：

电压环环外调整、环内调整和双环调整。

环外调整中均流环从电压环外部叠加（图2.4a），电流母线带宽低，对噪音不敏感，但由于受到低带宽电压环限制，电流分配控制反应比较缓慢;环内调整中电流分配环从电压环内叠加（图2.4b），电流分配环可以很好的和电流环结合起来，整个结构简单，电流分配信号从环内注入，其带宽不受电压环的限制，反应速度快，电流母线的电压从电压调整放大器获得，但容易引起噪声;双环调整中电流分配环和电压环并行一起作用于基本单元（图2.4c）。

（c）双环调整

图2.4三种控制结构

电流母线连接方式指如何从所有的模块中获取公共电流参考信号，表明了模块间的主从关系。

图2.5显示了三种电流母线的连接：

自主配置、平均配置和指定配置。

自主配置（图2.5a）中，各个模块和母线之间通过二极管连接，只有具备最大电流的模块对应的二极管才能导通，电流母线上代表的是最大电流信号;平均配置（图2.5b）中，各个模块和母线之间通过参数完全一致的电阻连接，电流母线上代表的是平均电流;指定配置（图2.5c）中，只有人为指定的模块直接连接电流母线,成为主模块。

图2.5三种电流母线连接方式

2.2.3最大电流法

图2.6所示为最大电流法控制框图，对比图2.4、图2.5可见最大电流分配技术由环外调整和母线自主配置相结合而成，不改变模块基本单元的内部结构，只需在电压环外面叠加一个电流环，各模块间接一条电流线CSB。

图2.6最大电流法

因为二极管单向性，只有电流最大的模块才能与电流母线相连，该模块即为主模块。

其余为从模块，比较各自电流反馈与电流线之间电压的差异，通过误差放大器输出来补偿基准电压达到电流分配。

特点是：

（1）这种电流分配方法一次只有一个单元参与调节工作，主模块永远存在且是随机的，为实现冗余最常用的方法;

（2）二极管总存在正向压降，因此主模块的电流分配会有误差;（3）电流分配是一个从模块电流上升并超过主模块电流的过程，系统中主、从模块的身份不断交替，各模块输出电流存在低频振荡。

UnitrodeIC公司开发的均流控制芯片UC3902、UC3907正是基于最大电流自动电流分配的思想，简化了并联电源系统的设计与调试，得到广泛应用。

2.2.4平均电流分配法

环外调整结构和母线平均配置相结合形成平均电流分配法。

即将图2.6中的二极管用一个电阻R代替。

如果所有电阻R参数完全一致，电流线的电压反映了所有模块电流的平均值。

当

时表明已经达到电流分配，如果电流分配不均，电阻R上出现电压，该电压通过误差放大器输出一个误差电压，从而修正基准电压，以达到电流分配目的。

　　平均电流法是一项专利技术，可以实现精确的均流。

缺点是当电流母线短路或某个模块不工作时母线电压下降，将促使每个模块电压下调，甚至达到下限，造成故障。

解决办法是自动地把故障模块从电流母线上切除。

2.2.5主从电流分配法

在并联电源系统中，人为的指定一个模块为主模块，直接连接到电流母线，其余的为从模块，从母线上获取电流分配信号。

图2.7为采用电压环内调整结构的主从电流分配法。

主模块工作于电压源方式，从模块的误差电压放大器接成跟随器的形式，工作于电流源方式。

因为系统在统一的误差电压下调整，模块的输出电流与误差电压成正比，所以不管负载电流如何变化，各模块的电流总是相等。

图2.7主从电流分配法

采用这种电流分配法，精度很高，控制结构简单，模块间联线复杂。

缺点是一旦主模块出现故障，整个系统将完全瘫痪，宽带电压回路容易产生噪声干扰。

使用中主、从模块间的联线应尽量短。

3降压斩波电路

3.1降压斩波电路的概念

降压斩波电路是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电路，该电路一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。

降压开关电源属于直流开关电源非隔离式单管DC/DC转换器的派生型。

3.2降压斩波电路的特点

降压斩波电路是将直流电流变为另一固定电压或可调直流电，也成为直接变换器。

其主要特点有：

非常小的内部损耗；非常小的温度漂移；很高的输出电压稳定度；很好的负载和线性调整率；很宽的工作温度范围；较宽的输入范围；外围电路非常简单，使用起来极为方便。

3.3降压斩波电路的原理

3.3.1PWM控制信号

PWM波形的产生和控制是降压斩波电路的技术核心之一，本文采用的是模拟电路构成三角波和直流信号发生电路，用比较器来确定他们的交点，以形成等脉宽PWM波。

如图3.1所示。

图3.1PWM控制信号

3.3.2降压主电路

直流降压斩波主电路使用一个全控电压驱动器件IGBT。

用控制电路和驱动电路来控制IGBT的导通或关断。

当t=0时，V管被激励趋于导通，VD要承受反压。

在V管接通的的t1时间内，开关管V流过的电流就是电感电流，电感L中电流直线上升，能量存能电感中。

电源E向负载供电，负载电压

=E,负载电流io按指数曲线上升。

当t=t1时刻V管关断，由于电感储能作用，电感电流必须要按某一路径流通，能量要释放。

其中二极管VD势必导通，电感电流可通过负载，VD形成通电回路。

电流经二极管VD续流，负载电压

近似零，负载电流指数曲线下降。

为了使负载电流连续且脉动小，故应串联较大的电感L。

当电路工作稳定时，负载电流在一个周期的初期和终值相等，

，式中

为V处于通态时间，

处于断态时间；T为开关周期；

为占空比，简称导通比。

图3.2降压斩波电路主电路

负载电流的平均值为I=

/R

若负载中L值较小，则在V关断后，到了T2时刻，负载电流已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。

有波形可见，负载电压

平均值被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。

图3.3降压电路波形图

3.3.3降压反馈回路

根据题目要求，要做到不论输入电压Vi怎样变化，都要得到一定的输出电压Vo，并且输出电压值Vo逐渐趋于稳定，所以要设计反馈回路，以达到电压自动调节。

由公式（3.1）知，输出电压Vo与输入电压Vi、占空比D有关，那么当输入电压Vi变化时，只要调节占空比D就可使输出电压Vo自动稳定到要求得到的电压值。

由PWM信号的产生方法可知，调节直流信号b的值可直接调节占空比D，b与D的关系为：

（3.1）

结合式3.1和式3.2得：

（3.2）

由式（3.1）可知当输入电压Vi一定时，输出电压Vo只与b有关，所以设计如图（3.2）所示反馈回路得到b值。

图中U为实际输出电压，U≈Vo，0.1为实际输出电压U与理想输出电压Vo的差值的反馈比例系数。

4软件仿真设计

4.1软件介绍

4.1.1Matlab仿真软件介绍

Matlab是矩阵实验室（MatrixLaboratory）之意。

除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。

当前流行的Matlab6.5/7.0包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包（Toolbox）.工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包.功能工具包用来扩充Matlab的符号计算,可视化建模仿真,文字处理及实时控制等功能.学科工具包是专业性比较强的工具包,控制工具包,信号处理工具包,通信工具包等都属于此类.目前，Matlab已经把工具包延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分

方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。

4.1.2Simulink仿真环境介绍

Simulink是一个以Matlab的核心数学运算功能、图形处理功能和编程语言为基础的仿真系统。

它是Matlab软件的扩展，是实现动态系统建摸和仿真的一个软件包，用于动态系统仿真、性能评估、控制、DSP和通信系统设计的框图建模环境。

同时，Simulink又是以Matlab为基础的，必须在Matlab环境中运行。

Simulink中的“Simu”一词表示可用于计算机仿真，而“Link”一词表示它能进行系统连接，即把一系列模块连接起来，构成复杂的系统模型。

作为Matlab的一个重要组成部分，Simulink由于它所具有的上述的两大功能和特色，以及所提供的可视化仿真环境、快捷简便的操作方法，而使其成为目前最受欢迎的仿真软件。

另外，Simulink是一个开放式组件，具有很好的开放性，允许与Matlab的工具箱一起使用，且可以调用并执行Matlab的m文件。

在使用DSPBuilder进行算法的模型设计时，可以通过编写m文件来提供图像处理系统的输入，并将处理后的结果读回显示，这对于数字图像处理来说，是非常有益处的，既可以方便的读取图像，又可以直观的看到模型输出的图像处理结果，从而根据结果对设计进行调整。

4.1.3simulink电路仿真环境使用方法

利用Simulink进行系统仿真的步骤是：

启动Simulink；建立Smulink仿真模型；设置仿真参数，进行仿真；输出仿真结果。

a.启动Simulink

单击MATLABCommand窗口工具条上的Simulink图标，或者在MATLAB命令窗口输入simulink，即弹出图示的模块库窗口界面（SimulinkLibraryBrowser）。

该界面右边的窗口给出Simulink所有的子模块库。

常用的子模块库

有Sources（信号源），Sink（显示输出）,Continuous（线性连续系统），Discret（线性离散系统），Function&Table（函数与表格），Math（数学运算），Discontinuities（非线性），Demo（演示）等。

每个子模块库中包含同类型的标准模型，这些模块可直接用于建立系统的Simulink框图模型。

b.打开空白模型窗口；

模型窗口用来建立系统的仿真模型。

只有先创建一个空白的模型窗口，才能将模块库的相应模块复制到该窗口，通过必要的连接，建立起Simulink仿真模型。

也将这种窗口称为Simulink仿真模型窗口。

以下方法可用于打开一个空白模型窗口：

（1）在MATLAB主界面中选择【File:

NewModel】菜单项；

（2）单击模块库浏览器的新建图标；

（3）选中模块库浏览器的【File:

New