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DC/DC 模块有源均流技术研究

2014-5-22 13:48| 发布者: dzly| 查看: 471| 评论: 0|原作者: 余艳伟1,胡国喜2

摘要: DC 变流器的电流分配与控制方法,不同的模块功率分配负荷均流是解决并联技术的关键问题,根据并联技术实现均流 的目的,本文对均流方法进行系统的研究,由均流的原理得到了18 种有源均流方案,针对这18 种方案的模拟实验,经过分析 结果确定了8 种可实施的均流方法,进而对这8 种均流方案分别进行比较并探讨出各自的特点及不足,其中外环调节的均流 控制适用于普遍范围。
  0 引言
  标准模块集成电力电子系统研究当中,设计并联运行是标准模块中不可缺少的技术操作,设计标准模块的并联技术由模块不同的功率分配负荷均流、参与并联的系统稳定程度来判断的。
  现阶段提供了许多不同的均流技术,挑选适合的均流方法有利于标准模块集成电力电子系统的开展,我们针对目前的均流方法从它的成本、性能、真实性、复杂程度及模块化程度等具体方面做了一个系统的分析与比较。模块并联运行技术从根本上来说需要均流是因为电压源影响模块输出的功率,输出电压的伏度将直接作用于输出电流而后产生重大偏差。我们要做的就是从最基本的均流方法上来实施,以改变电压源的特性及最大值来达到均流的目的,目前均流方法分为以下两大类:下垂法与有源均流法。
  1 均流方法分类
  下垂法通过改变输出的电压源性质来达到均流的目的,电压电流的形成方法I 有五种不同的方式,由于下垂法无法使高效的均流精度与负载效应的调整情况相协调,下垂法凭借其简单的特性大量运用于小功率环境中。有源法改变输出电压源的最大值来达到均流目的,它的功能可以在中大型功率环境中充分得到实现,有源均流法分为控制与均流母线形成两种方法。
  改变输出电压的四种途径分别为改变输出电压基准及回馈、改变给定电流内环及回馈、改变电压电流基准、外部闭环控制。这四种途径有四种控制方法:外环调节、内环调节、双环调节及外控制器法。
  本文从均流原理出发,针对18 种有源均流方案分析研究出简单易行、具有稳定性及实用性的有源均流方案。
  2 外环调节
  2.1 外环调节加自动主从法
  如在外环调节的控制下两个模块相互作用,输出电流呈波形不断重合交叉在一起,它的电流频率、振幅与均流技术设计相关联。如果想要处理这一电流交叉的现象,就一定要控制在均流设计当中,应该在均流阶段设置定量的偏置电压。均流阶段设置定量的偏置电压是UC3907 芯片使用的方法,其中应用过程中加入定量的偏置电压会出现静态均流的变化,而这种变化可列出表达公式 就是输出电流样本的获益。自动主从法具备高效的稳定性及抗干预作用,易于广泛生产,这种控制方案无法调整主模块的输出电流导致系统反应相对有些迟钝,在均流阶段设置偏置电压影响静态均流的改变,这种处理会增加静态均流的差错性。
  2.2 外环调节加基本平均法
  由于均流方案的高精度均流,于是就没有自动主从法中出现的交叉现象。实施这一调节方法,系统分配均等电流的误差几乎为零,但基本平均法有一个缺点,如果关键环节出现了一个差错模块,则需要关闭其它所有开关的均流母线。
  2.3 外环调节加指定主从法
  指定主从法是在均流阶段还未能开始工作时,这时出现最大值输出电流的模块成为了控制其它模块的主要模块,如果缺少这一主要模块的话,均流将不会出现。见图1,多个模块输出电压相同,1 号模块作为主模块,模块之间并没有出现均流。此种控制方案较少采用,主要是因为在它参数改变的过程中系统将会无法实现均流,这是一个很大的技术漏洞。


  以上三种外环调节方法,OLR 控制方法有着较多的优点,可以方便标准化生产及系统维修扩充等特性,OLR+AM 和OLR+BAP这两种方案都可以在普遍的环境中应用多模块合并运行的系统。
  小功率的模块集成一个大功率模块的环境很适合使用OLR 控制方法,在多种交错并联的系统里这种控制方法的优点得到体现。
  但在均流阶段建立三环系统,则很难进行合理的均流设计,更容易致使系统出现各种不安定的因素。由于均流阶段带宽相对比较狭窄,低于电压环的带宽情况这必定会导致动态均流的不稳定。
  3 内环调节
  3.1 内环调节加基本平均法
  通常内环的电流信号不是根据输出电流的情况,而是依靠内部均流环的电感电流来决定,这样的方案具有两种优势:既可获取控制输出电流的益处,又使得电压补偿以及输出电流阶段的设计能够有效发挥。输出电流阶段将控制内部均流环的合理调整。
  在这种控制方法下,输出电流阶段和均流阶段是一体的应用控制,但它的缺点是输出电压阶段无法调整,输出电压的匹配数目将改变电源负载电源输出的不同。见图2,两个模块并联系统时,模块的基准电压仅只相差2%,但当负载发生了急剧的改变时,由原来的10% 上升至充足状态,此时输出电压变化幅度为2%。
  图2

  3.2 内环调节加自动主从法
  内环调节加自动主从法这种控制方法,可以有效改善在基本平均法的的输出电压调整率的情况,如果不存在输出连线电阻的问题,那么还未开始应用但具有最大的输出电压的模块将决定整个控制系统输出的电压。在负荷电流紧急改变的情况下,输出电压的调整率也一并获得了变化。在这种控制方法应用过程中,我们可以看到两个模块的输出电流并没有太大差异,这就表示均流阶段的带宽相对比较宽。
  由于系统指定的可输出最大电压的主模块控制了整个系统应用的输出电压情况。这多个模块具有连带关系,所以一旦出现了差错模块,结果将直接影响均流情形。控制方法当中,采取的电流样本信号不同均流精度也会出现一定变化。如果不存在电流样本信号差异的问题,直接应用电感电流,那么均流是合理实现的。
  还有一种方式若应用开关模块的输出电流,由于电感量的差异输出电流发生了变化,电感量的差异则决定了输出电流的差异。
  所以均流母线比较适合连接近距离的环境,当均流母线需要连接相对远的条件下不建议采用ILR 控制方法。
  4 双环调节
  4.1 单母线结构
  根据OLR 与ILR 两种方法的特点将其融合成一种既快速而又具备良好的抗干扰作用的均流方式,同样想要在均流阶段和电流环连接成一体,就像ILR 控制方法一样同时方便弥补均流阶段的设计。单母线结构就是在这种想法下产生的,但在真正技术运用的时候,DLR 方法却不能合理地存在单母线结构中。如果不去计较连线时输出电阻,电压的补偿效果与电压标准的数值不均等的时候,那么在电压补偿阶段,标准小的模块输出电压将直接变为零。均流阶段的输出通常情形下只会占据一小部分的控制信号,所以当输出电压没有反应的时候均流是不能实现的,出现这种情形的电流频率振幅见图3(a)。
  像这种不存在输出电压的情形,它的均流方法只有调整均流阶段才有可能实现,但当只有标准符合而输出连线电阻有很大差异时,各模块之间也是不会有机会实现均流。见图3(b) 输出连线电阻决定电流内部的稳定及平衡。单母线结构的缺点就是不能调节输出电压,电压的不稳定会造成输出电流的不均等,通过研究表明这一缺点是均流阶段无法改善的。如果遇到输出电压标准符合,在输出电压补偿阶段存在余差的情况下,单母线结构还是能发挥出具有特性的实际效用。
  图3

  4.2 双母线结构
  双母线结构与单母线结构二者间不同的是,双母线就是在单母线的基础上多加入一条电压调整母线结构,从而解决当输出电压在遇到不合适的模块并联阶段不能实现均流的情况。由于双母线结构不同的母线形成方式,双母线结构存在9 种DLR 组合,如上文分析结果相同,双母线结构的DLR 方法实际应用中可实行的方案有4 种,采用双母线结构均流方案得到了不错的成效。
  5 总结
  不同的有源均流法根据特性存在着不同的优良性,模拟研究与系统的比较分析,我们列出下面几点供大家参考与应用,比较简单易行的下垂法适用于小功率场合,有源均流法则可更好地满足中大功率场合的运用。ILR 控制方法与双母线DLR 这两种控制方法无法保证母线的稳定性,在遇到连接相对较远的均流母线时,无疑将两种控制方式的缺点全部暴露。在有源均流技术研究中OLR 控制方法是最实用的控制方案。
  
  

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