DC/DC變換器并聯均流技術（一）

摘要：開關電源多模塊并聯系統發揮了分布式電源供電大容量、高效率和低成本等優勢，同時提高了整個電源系統的可靠性，實現平均分配各模塊負載電流的并聯均流技術是開關電源模塊并聯的關鍵技術之一。常用DC/DC并聯均流技術有無源法與有源法，有源法依據輸出電壓調節方式和均流母線產生方式不同而有多種組合控制方法。對目前電源并聯均流技術原理、主要均流方法進行分析，綜述無主模塊均流控制和無均流線控制等新型均流策略，指出并聯均流技術朝著智能化、數字化方向發展的趨勢。

隨著科技的迅猛發展，大量電子設備需要安全、可靠、大容量的電源供電，單電源難以實現這方面的需求。分布式電源系統具有大容量、高效率、高可靠性等優點[1],其廣泛采用多模塊并聯方式，但模塊間因為控制參數不同，且各模塊輸出是電壓源性質，如果沒有特殊的均流措施，輸出電壓的微小偏差會導致輸出電流很大的差別，一旦某個模塊過載，將造成一個或多個功率器件熱應力過大，從而降低系統的穩定性。

為了獲得并聯電源的理想特性，已經提出一系列并聯均流方法[2-4],現有的DC/DC并聯均流技術具體可分為兩大方法[1],即無源法和有源法。無源法又叫輸出阻抗法，有源法由控制方法和均流母線形成方法組合而成，其控制方法主要用來調節各并聯電源的輸出電壓，有4 種，即改變輸出電壓基準或反饋，改變電流內環的給定或反饋，同時改變輸出電壓和電流基準以及采用外部閉環控制。這4 種方法對應有4 種均流控制方法，即外環調節、內環調節、雙環調節和外控制器法。從均流母線產生方法來看，有源法可分為兩大類，即平均法和主從法(包括指定主從法和最大電流自動均流法)。另有結合運用了熱學的熱應力自動均流法及其他均流方法。文中將從并聯均流技術和其控制方法等方面，結合其發展現狀和趨勢對現有文獻進行綜述。

1 無源法

無源法通過調節電源模塊輸出阻抗來達到均流目標。常用無源法控制框圖如圖1 所示。電阻Rs 檢測到的電流信號經比較器后輸出UI ,Uf 為反饋電壓信號。

由圖1 知，當某模塊電流增加，Us 上升，Uc 下降，該模塊輸出特性曲線向下傾斜，接近其他模塊外特性，輸出電壓隨之下降，而其他模塊電流增大，實現近似均流。

另一種是在負載前串入一定電阻值，為減小耗能，通常串聯熱敏電阻來實現近似均流，因其阻值可隨電流變化而變化，同樣可達到改變輸出阻抗的目的。

輸出阻抗法是最簡單的均流方法，屬于開環控制。在小電流時電流分配特性差，隨著電流的增大，分配特性會有所改善，但仍不平衡，且以犧牲電壓調整率來個別調整每個模塊達到均流。此法可應用在小功率、均流精度要求較高的場合，對于額定功率不同的并聯模塊，難以實現均流。

2 有源法

2.1 控制方法

2.1.1 外環調節控制法

外環調節控制法框圖如圖2(a)所示，圖中Rs 為與負載相串聯的檢測電阻;Uo , Io分別為輸出電壓和輸出電流;Uin 為輸入電壓。該方法將各模塊輸出端電流與均流信號作差進行誤差放大，生成均流環信號，再與標準電壓相加得到的信號與輸出電壓采樣值比較后，產生的控制信號送入脈寬調制器。該方法中輸出電壓采樣值及電壓調節器都是獨立的，即使某個模塊不能工作也不會影響全局，所以其控制方式和系統結構配置較靈活，簡化了系統的擴展和維護工作。缺點是：均流環帶寬比較窄，遠在電壓環帶寬之下，影響系統的動態均流特性;由均流環與電壓環串聯形成三環系統，設計困難[5],容易引起系統的不穩定，一般不采取此種方法。

2.1.2 內環調節控制法

如圖2(b)所示的內環調節控制法框圖，該方法將輸出電壓與標準參考電壓比較放大后，經過均流電阻與采樣電流值進行比較放大后產生控制信號，送入電流模式控制或PWM控制環節，進而調節輸出電壓，實現各模塊間的均流。該方式由于均流誤差信號不經過電壓環調節器，故與外環調節相比，響應更快，具有穩定性好、均流環帶寬等優點。缺點是：電壓環的帶寬比較寬，造成均流母線上會出現豐富的高頻信號;均流母線抗干擾較差，對噪聲敏感，系統容易不穩定;均流母線為電壓誤差信號，電壓環的動態響應影響均流性能，模塊化特性差。

2.1.3 雙環調節控制法

單母線結構的雙環調節控制法框圖如圖2(c)所示。此方法綜合了外環與內環調節的優點，可使均流達到一種迅速、且具有好的抗干擾性能的效果，但由于一般情況下均流環輸出的信號只是控制信號的一小部分，故存在輸出電壓不可調的內在缺陷，均流環難以糾正由電壓不平衡引起的電流不均衡現象。

在此基礎上文獻[5]中分析了改進式三環并行控制策略，將其應用于并聯Boost 變換器均流控制。針對不對稱半橋DC-DC變換器，文獻[6]中提出將“改進式最大電流均流法”的三環控制原理作為均流方案，設計出其并聯運行的均流控制電路。利用同樣的方法文獻[7]中對3 臺48 V/12 V/10 A的Buck 樣機進行并聯實驗，證明了多環路設計的正確性和改進式自主均流法的優越性。