并聯型高頻開關直流電源的系統設計

摘要：隨著模塊化電源系統的發展，開關電源并聯技術的重要性日見重要。這里介紹了一種新型并聯型高頻開關電源整流模塊的系統設計方案。其中，對開關電源的驅動電路、緩沖電路、控制電路及主要磁元件進行優化、設計。控制電路以UC3525為核心，構成電流內環、電壓外環的雙環控制模式，實現系統穩壓和限流。并且通過小信號模型分析，對電壓電流環的PI調節器進行設計。

敘詞：開關電源 PWM 并聯 均流 模塊

Abstract：With the development of modular power systems, switching power supply parallel the importance of technology has become increasingly important. But here is a new parallel-type high-frequency switching power supply rectifier module of the system design. One of the driving circuit switching power supply, buffer circuit, the main control circuit and magnetic components to optimize the design. Control circuit to UC3525 as the core, a current inner ring, the outer ring of the double loop voltage control mode, and system regulator and current limit. And through small-signal model analysis, the voltage and current Central PI regulator design.

Keyword：PWM switching power supply module Parallel Flow

0 概述

近幾年來，各式各樣的開關電源以其小巧的體積、較高的功率密度和高效率越來越得到廣泛的應用。隨著電力系統自動化程度的提高，特別是其保護裝置的微機化，通訊裝置的程控化，對電源的體積和效率的要求不斷提高。電源中磁性元件和散熱器件成了提高功率密度的巨大障礙。開關頻率的提高可以使開關變換器(特別是變壓器、電感等磁性元件以及電容)的體積、重量大為減小，從而提高變換器的功率密度。另外，提高開關頻率可以降低開關電源的音頻噪聲和改善動態響應。但是由于開關管的通斷控制與開關管上流過的電流和兩端所加的電壓無關，而早期的脈寬調制(PWM)開關電源工作在硬開關模式，在硬開關中功率開關管的開通或關斷是在器件上的電壓或電流不等于零的狀態下強迫進行的，電路的開關損耗很大，開關頻率越高，損耗越大，不但增加了熱設計的難度而且大大降低了系統得可靠性，這使得PWM開關技術的高頻化受到了許多的限制。

根據高頻電力操作電源的設計要求，結合實際的經驗和實驗結果選擇合適的開關器件，設計出穩定可靠、性能優越的控制電路、驅動電路、緩沖電路以及主要的磁性元器件。對最大電流自動均流法的工作原理以及系統穩定性進行了較為深入的研究。采用均流控制芯片UC3907設計了電源的均流控制電路，使模塊單元具有可并聯功能，可以實現多電源模塊并聯組成更大功率的電源系統。

1 系統原理的設計思想

在設計大型的開關電源模塊時，首先需要對系統有一個整體的規劃，以便于設計整體結構及相應的輔助電源。高頻開關直流電源系統的總體框圖。(如圖1)。

2 控制主電路設計

2.1電壓電流雙環控制

為了實現輸出電壓電流均可控，通常采用電流模式控制，常用的電流模式控制有峰值電流控制法和。針對峰值電流控制的不穩定性，容易發生次諧波振蕩，對噪聲敏感，抗噪聲性差等幾個缺點。我們采用平均電流控制法PWM。

平均電流模式采用雙閉環控制，其內環控制輸出濾波電感電流，外環控制輸出電壓，提高了系統響應速度。平均電流模式控制PWM的原理圖(如圖2)。

圖2 平均電流模式控制原理圖

將誤差電壓信號Ue接至電流誤差信號放大器的同相端，作為輸出電感電流反饋的控制信號Uip。將帶有鋸齒紋波狀分量的輸出電感電流反饋信號Ui接至電流誤差信號放大器的反相端，跟蹤電流控制信號Uip。Ui與Uip的差值經過電流誤差放大器放大后，得到平均電流跟蹤誤差信號UC。再由UC與三角鋸齒波信號通過比較器比較得到PWM控制信號。UC的波形與電流波形Ui反相，所以，是由UC的下斜坡(對應于開關器件導通時期)與三角波的上斜坡比較產生控制信號。顯然，這就無形中增加了一定的斜坡補償。但為了穩定工作，要求電感電流的下降坡度不能大于晶振的坡度。

2.2小信號分析及電流、電壓環PI調節器的參數設計

控制方式有恒壓和恒流兩種工作方式。當D1導通時，電路工作在恒流模式，此時，電壓環不起作用，電路相當于單環控制。當D1截止時，電路工作在恒壓模式下，電路采用串級雙環控制，電流環作為電壓環的內環，電壓環PI調節器的輸出Ue作為電流環PI調節器的給定。其電路方框圖(如圖3)所示，在設計參數時，先設計電流環的調節器，獲得穩定的內環，然后得到電流環的閉環傳遞函數Tic(s)，并將其作為電壓環的一個環節，(如圖4)所示，然后設計電壓環的調節器。這種控制方式的最大的優點是很好地解決了電路的限流問題，使電路具有最快的限流響應速度。而且可以通過調節電阻R3，減小D1管壓降的變化量，以提高這種控制方式的穩流精度。

H為輸出電壓采樣系數，

Ki為電感電流采樣系數;

FM為脈寬調制器的傳遞函數，FM=1/Upp，(Upp為三角波峰峰值);

圖3 雙環控制模式下的電路方框圖

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