摘要：本文重点研究多个高频开关电源模块的并联运行需要解决的一个关键问题，就是负载电流的均分问题。即如果在并联系统中没有进行均流电路的硬件设计或软件设计，则可能出现其中某个或某些电源模块承担比较大的负载电流，运行在极限状态，而有些模块处于轻载运行，这将导致分担电流多的模块热应力大，致使系统的可靠性降低。详细讨论了均流的几种控制方法，介绍了最大电流自动均流的均流控制电路仿真结果。

1 概述 信息请登陆:输配电设备网

　　在电力系统中的直流系统，由于普遍采用高频开关电源模块，而对于高频模块的冗余备份就提出了一个关键的问题，那就是模块之间电流平均分配。针对多个高频模块的并联系统，提出基本要求是：    

　　(1)系统中的所有模块电源的外特性要一致，均流误差通常规定为不超过5%; 信息来自:输配电设备网

　　(2)采用冗余供电系统以保证任一电源模块损坏或者过流保护停止工作时，负载可以从备用模块中获得足够的电量; 信息来自:www.tede.cn

　　(3)各个模块承受的电流自动均流，为了提高系统的可靠性，尽可能不增加外部均流控制措施，减少均流失败因素;   

　　(4)当输入电压或负载电流变化的时候，应能够保持输出电压的稳定，并使得系统具有良好的负载响应特性，在负载突变的时候，不造成电流严重分配不均而停机。

 

　　2 均流的基本原理    

　　与线性电源相同，开关电源也具有如图1所示的外特性(输出特性)U0=f(I0)。R为开关电源的输出电阻，其中也包括开关电源模块连接到负载的导线或电缆的电阻。空载时，模块输出电压为U0MAX，当电流变化△I时，负载电压变化△U，该模块的输出电阻为：R=△U/△I。

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　　对电源模块来说，当电流增加了△I时，其输出电压降落了△U。因此上式也代表了开关电源的输出电压调整率。由图1(a)可知，开关电源的负载电压Vo与负载电流Io的关系可用下式表达： 信息来源:http://tede.cn

　　U0= U0max-RI0 (1)

　如图1(b)所示，两台容量相同、参数相同的开关变换器并联，负载电压分别表示如有下 信息来源:http://www.tede.cn

　　式中R1, R2分别为模块1及模块2的输出电阻(包括电缆电阻)。设RLd为负载电阻，可解得： 信息来源:http://www.tede.cn

　　由图1(b)可见，当负载电流为    

时，负载电压为Uo，按两个模块的外特性(电压调整率)分配负载电流ILd，斜率不相等，电流分配也不相等。当负载电流增大到

时，负载电压为

。显见，模块1外特性斜率小(即输出电阻小)，分配电流的增长量比外特性斜率大的模块2增长量大。如果能设法将模块1的外特性斜率(即输出电阻)调整得接近模块2，则可使这两个模块的电流分配接近均匀。使模块1和模块2外特性相近的方法如下：

 

　　(1)尽量使用性能和参数一致的器件，并使结构和安装尽量对称;

　　(2)利用反馈控制的方式，调整各个模块的外特性，使它们接近一致。后者就是均流技术的基础。
　　3 均流原理分析与研究   

　　实现均流的方式多种多样，它们的均流精度以及均流原理也是各不相同。常见的均流方法如外特性下垂法、主从法、平均电流法、最大电流法、热应力自动均流法、外加均流控制器法等。 信息来自:www.tede.cn

　　3.1 外特性下垂法

 

　　外特性下垂法又称电压调整率法，均流控制原理图见图2。其机理是调节变换器的外特性斜率(输出电阻)，在各模块间合理分配电流。实质是利用开关电源输出电阻的开环技术来获取电流输出平衡。这种均流的缺点很明显，本质上是一种开环控制，在小电流时电流分配特性差，重载时分配特性好一些，但仍不均衡。而且为了实现均流，各模块需要个别调整，对于不同额定功率的模块难以实现均流。

　　图2 外特性下垂法均流控制原理图

 

　　由于外特性下垂法的系统电压调整率差，因此这一方法不可能用在电压调整率很高(例如小于3%)的电源系统中。   

　　3.2 平均电流自动均流法 信息来自:输配电设备网

　　平均电流自动均流不需要外部控制器，用单一总线连接所有电源模块。此种均流方法完全是建立在一个数学模拟电路(平均值电路)的基础上，其原理如图3所示。由于模块的输出电流随着输出电压变化，从而实现模块间负载电流的均分。

　　(a) 单台 (b) 两台并联

　　图3 平均电流自动均流控制原理图 信息来源:http://www.tede.cn

　　按平均电流均分负载电流的方法可以精确的实现负载均流，但它同时存在缺陷。例如当均流母线发生短路或者在均流母线上的任何一个模块出现故障时，将会使均流母线电压降低，从而使得各模块的输出电压降低，甚至达到其下限值，引起整个系统发生故障。   

　　3.3 主从设置均流法

　　主从设置法适用于有电流型控制的并联开关电源系统中。在采用电流型脉宽调制的集成控制器件的开关电源中，电源的输出电流基本上决定于控制芯片内误差放大器的输出电压Ve。当并联的开关电源模块控制芯片相同时，可以按图4实现系统均流。人为指定其中一个模块为主模，其余的模块为从模块。主电源模块监控输出电流，并确定误差电压。各个从模块的电压误差放大器接成跟随器的形式，主模块的误差电压Ve输入跟随器，于是跟随器的输出均为Ve，它即是从模块的电流基准，各个从模块的电流都按同一Ve调节，与主模块电流基本一致，无论负载电流如何变化，均能实现负载电流的均分。

　　图4 主从设置法均流控制原理图

　　这种均流方法的精度比较高，但它的缺陷是，一旦系统所选定的主模块失灵，则整个系统就瘫痪了,因此这个方法不适用于冗余并联系统。由于系统在同一个误差电压控制下，任何的非负载电流变化引起的误差电压变化，均能引起电流的重新分配，从而影响均流的实际精度，而且电压环的带宽大，容易受到外界噪声干扰。    

　　3.4 最大电流自动均流法

　　最大电流自动均流法也叫自主均流，图5描述了最大电流自动均流法的简要原理。这种方法和平均电流法相似，只是将后者和均流线相连的电阻换成了二极管，由于二极管的单向导电性，只有输出电流最大模块的电流信号能使二极管导通，与均流母线相通，这使得均流母线上的电压反映的是各模块中输出电流最大模块的电流信号，从而实现了主模块的自动选择。 信息来源:http://www.tede.cn

　　最大电流自动均流法与主从设置均流法相比较，不同的是最大电流法实现负载均流时，其主电源模块是随时变换的。最大电流法能随时根据系统中承担电流最大的模块，不断调整各并联模块分担的负载电流，实现系统总电流在各电源模块中的精确分配。因而这种控制方法能够对故障模块自动隔离，便于实现系统冗余和热插拔，提高系统的可靠性。

　　图5 最大电流法自动均流控制原理图   

　　基于以上的分析，外特性下垂法的均流精度比较低，主从设置法和平均电流法无法实现冗余技术，因而并联电源系统的可靠性得不到保证，外加控制器法使得系统变得相当的复杂。对于电力高频电源，要求它的均流精度高，动态响应快，可以实现冗余技术等，故使用先进的最大电流自动均流法非常合适。

　　4 均流仿真与分析 信息请登陆:输配电设备网

　　为了验证最大电流自动均流法的均流效果，本节利用psim软件建立仿真电路对其行进仿真分析。仿真时特建立了输出特性不一致的两个模块进行并联均流分析。对比加入均流控制前后，两模块的输出电流，检验其均流效果。无均流控制时，两模块并联运行的输出电路波形如图6所示。加入均流控制时，两模块并联运行的输出电流波形如图7所示。

　　

　　图6 无均流控制时，两模块并联输出电流波形

　　图7 均流控制时，两模块并联运行的输出电流波形   

　　5 结论

　　本文介绍了几种常用的负载均流方法及电路分析。通过比较几种均流方法，总结出最大电流自动均流法是高频模块并机使用的最佳方案。并对最大电流自动均流的均流控制电路进行了仿真试验。随着电力电子技术的不断发展，必将推动高频开关电源均流朝着更先进的方向发展。