串流电路表达方法（DC变换器的新型自动均流技术研究）

吴锡渊，王 勤

（南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京211106）

摘 要：研究了一种应用于并联DC/DC变换器的基于均流误差信号的自动均流技术，在详细分析其工作原理的基础上，针对存在的模块故障导致均流失效的问题，提出了改进措施，即故障模块排除方案，阐明了故障排除的实现过程。最后通过研制一台三相并联BUCK变换器的原理样机，验证了理论分析的正确性。

中图分类号： TM46

文献标识码：A

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.037

中文引用格式：吴锡渊，王勤. 应用于并联DC/DC变换器的新型自动均流技术研究[J].电子技术应用，2016，42(5)：135-138.

英文引用格式：Wu Xiyuan，Wang Qin. Research on a novel automatic current-sharing technique for parallel DC/DC converter[J].Application of Electronic Technique，2016，42(5)：135-138.

0 引言

随着电力电子技术的发展，以及大量电子设备的广泛应用，用户对变换器功率和功率密度的要求也不断提高。受目前半导体开关器件水平的限制，单台大容量直流电源技术尚不成熟，其设计与实现都非常困难，因而DC/DC变换器的并联技术得到了快速发展^[1-2]。

由于具有负载电流平均分布于并联每相、电感储能小、输入输出滤波器的开关纹波小等优点，并联DC/DC变换器常应用于低压大电流的场合。受误差的不可避免性和工艺水平的限制等因素影响，并联运行的各相变换器的参数存在差异，致使其外特性不尽相同。这将导致并联系统带载运行时，各相电流不平衡，电流大的模块中元器件承受更大的电流应力和热应力，损坏几率上升。为了防止一相或多相电源模块运行在电流极限值状态，在并联直流电源系统中必须引入有效的负载电流均流控制。

文献[1，3-8]提出了一系列均流方法，包括模拟和数字控制。大多数数字控制均流方法都需要专门的中央处理芯片，并且有专门的信号线将各相电源模块与中央处理芯片相连，这导致并联直流电源系统无法实现冗余^[3-5]。

最大电流和平均电流自动均流法是目前应用最为广泛的两种模拟控制均流方法^[6-7]。这两种均流方法都通过均流母线来传递电流信号，由于采用了均流母线，即使各相模块之间输出特性不是非常一致，仍可以较好地实现均流控制。但是均流母线对噪声比较敏感，而且它连接所有的控制电路，一旦某一并联模块出现故障，整个系统就容易崩溃。

文献[8]提出了一种基于均流误差信号的均流方法，不再采用均流母线传递电流信号，而将相邻两模块电流信号直接传输到待均流模块，从而获得均流误差信号实现均流。但是该方法并未解决模块故障问题，一旦发生模块故障，整个并联系统仍会受到影响，严重时系统将瘫痪。

针对上述问题，本文对文献[8]提出的方法进行了改进，在每个模块的控制电路中加入了故障模块排除电路。当并联系统某一相发生故障时，通过故障模块排除电路，可以迅速将其从系统中切除，同时使系统剩余模块保持稳定运行和均流。

1 基于均流误差信号的自动均流技术原理

基于均流误差信号的自动均流技术原理如图1所示，图中显示了一个并联DC/DC变换器中的相邻三模块，分别为模块n和n±1(下面以模块n为主进行分析)。每个模块由变换器主电路和控制电路组成，其中变换器主电路用简化拓扑表示，由占空比信号D_n控制开关管导通关断，产生电流I_n输送给负载。

图1(a)中控制电路方框以内的部分产生均流误差信号。具体的产生方法如图1(b)所示，图中I_n、I_n±1分别为模块n和相邻两模块的电流。将模块n的电流与相邻两相电流的平均值作比较，可以得到均流误差信号ε_n表达式：

然后将该误差信号送入调节器C_Δn(s)中得到基准电压校正信号V_sn。

图1(a)中控制电路方框以外的部分产生占空比信号。基准电压设定值V_rn与基准电压校正信号V_sn作差，得到校正后的电压基准V_rn^′。然后以V_rn^′为电压环电压基准进行闭环控制，得到最终需要的占空比信号D_n。D_n控制开关管，使得模块n的电流趋近于相邻两相电流的平均值。

将采用上述均流技术的电源模块排列成菊花链形式^[8]，模块n±1，n±2…的电流也将趋近于各模块相邻两相电流的平均值。对并联系统而言，各相电流会趋向于整个系统的平均电流值，达到最终均流的目的。

与常用均流方法相比，基于均流误差信号的自动均流技术避免了与并联DC/DC变换器各相都有连接的中央处理芯片或者均流母线的使用，排除了因为这些器件故障而导致整个系统瘫痪的危险；同时可以按照菊花链排列形式将并联系统扩展到任意相，实现并联系统的冗余。

2 故障模块排除方案

采用基于均流误差信号的自动均流技术的并联直流电源系统可以实现均流，同时具有良好的冗余性、可扩展性。但是并联系统对模块故障的容错能力并不突出，一旦某一模块发生故障将导致整个系统均流效果下降甚至系统瘫痪。

下面取典型的断路故障进行分析。设定：(1)故障发生前，并联直流电源系统已经稳定运行；(2)模块n发生断路故障后，电流I_n立刻降为0；(3)断路瞬间，其余模块保持不变，各模块电流仍为系统总平均电流I_avg。

断路故障发生后，模块n的控制电路不再起作用，电流I_n降为0后保持不变。根据设定，此时n-1、n-2模块电流为I_avg，则由式(1)可知，模块n-1的平均电流误差信号ε_n-1将为正值，因此通过调节器C_Δn-1(s)(一般为P或PI调节器)后得到的基准电压校正信号V_sn-1也为正值，从而基准电压校正值V_rn-1^′减小，相应的占空比信号D_n-1也随之减小，最终导致模块n-1电流减小。由此类推，模块n 1，n±2…电流也将减小，最终将会达到以下情况：模块n电流最小(为0)，其余模块的电流以模块n为界向两侧递增。

取一个六相并联DC/DC变换器进行分析。假设在t时刻之前，该并联变换器已经实现均流且稳定运行，在t时刻该并联系统中的模块4发生断路故障，故障前后的各相电流波形如图2所示。图中点画线表示的是故障前已经均流的各相电流波形，其值为I_avg，实线表示的是故障后的各相电流波形。由图可见，模块4断路故障后，并联系统各模块的电流将不再自动均流，而是以模块4为界，向该模块两侧递增，且两侧模块电流相对模块4对称。

结合图2和上述分析可以看出，断路故障将对并联系统造成较大影响。一方面故障发生后各相电流变化很大，并联系统失去自动均流功能：有些模块的电流变得很小，有些模块的电流则变得较大，甚至超过故障前系统总平均电流，这将导致这些模块中的元器件损坏几率上升。

另一方面并联系统的总电流将减小，达不到负载电流要求。因为故障模块n的控制电路信号线与系统其余模块相连，如果仅将模块n的主电路从并联系统中切除，系统其余模块仍会受到模块n的影响。

为防止故障对系统其余模块造成影响，保证系统能在故障发生后继续稳定工作，不仅需要在模块n发生故障后将该模块的主电路从并联系统中切除，还需要将该模块的控制电路从并联系统中切除，亦即将模块n控制电路的信号传输线切除。但直接切除信号传输线将导致并联系统分为两个独立部分，且两部分都不能自动均流。针对这种情况，本文提出了一种方案：对模块n均流单元的信号传输线进行“重构”，从而变相地将该均流单元切除。

将图1中控制电路的均流误差信号产生部分转化为图3(a)所示形式，下面称其为“均流单元”。图3(a)中，实线是该环节向外部传输信号的信号输出线，虚线是向该环节内部传输信号的信号输入线。

均流单元进行信号传输线“重构”之后的连接方式如图3(b)所示。由图可以看出，“重构”后均流单元的信号输出线3、4不再传输模块n的电流信号In，不再与本模块电流信号线1相连，而是分别与传输相邻两模块电流信号的信号输入线6、5相连：模块n-1的电流信号I_n-1将通过信号线5和4传输到模块n 1的均流单元，模块n 1的电流信号I_{n 1}传输方式相同。“重构”后，模块n均流单元中的模块电流信号线1和均流误差信号线2不再传输信号，均流单元不再对模块n控制电路产生影响。

因此，通过信号传输线的“重构”，就可以“绕过”模块n的均流单元，将其从原并联系统的均流单元的菊花链结构中切除，同时将剩余模块的均流单元重新组合成一个新的、完整的菊花链结构。对模块n的均流单元“重构”后，该模块的故障不再对并联系统剩余模块的均流造成影响。此时若模块n主电路已经切除，剩余模块可以组合成一个新的并联直流电源系统，该系统稳定运行后各模块能够自动均流，且因为此时只有n-1个模块向负载供电，为达到负载电压要求，各模块电流较故障前略有增大。

3 仿真与实验验证

为了验证本文研究的基于均流误差信号的自动均流技术以及提出的故障模块排除方案的可行性，进行了仿真和实验。以BUCK变换器作为并联直流电源系统中各模块主电路拓扑，三个相同模块并联后给负载供电，各模块之间除了输出端通过负载连接在一起外，相邻两个模块间还有两条信号线相连。该仿真和实验模型可以扩展到多相，这里仅验证原理所以取三相并联。

仿真和实验条件如表1所示。

3.1 仿真验证

在Saber中搭建了采用基于均流误差信号的自动均流技术的三相并联DC/DC变换器的仿真模型，仿真结果如图4、图5所示。

图4(a)显示的是未均流时并联系统三模块的电流波形，其中模块1为实线，模块2为虚线，模块3为点划线，后续各图亦然。由图可见，此时三相电流并不相等，模块2电流明显大于其余模块。

图4(b)显示的是系统实现均流后三模块的电流波形图。由图可以看出，此时三个模块电流波形重合，这表明并联系统成功实现了三模块自动均流。

图5(a)显示的是系统实现均流后于某一时刻发生模块2断路故障的电流波形图。如图所示，模块2发生断路故障后，两侧的模块1和3电流上升且保持相等为4 A，并联系统输出总电流下降为8 A，导致输出电压下降，而这与上一节分析一致。

图5(b)显示的是模块2故障后于某一时刻进行均流环节线路“重构”的电流波形图。由图可见，在线路“重构”后，模块1和3电流上升至5 A，并联系统输出电压重新上升到3 V，模块2不再对系统造成影响。这表明“重构”方法能够排除模块断路故障。

3.2 实验验证

为了验证上述分析，搭建了采用新型自动均流技术的三相并联DC/DC变换器实验平台，进行实验调试，得到图6所示实验波形，这些实验波形与仿真波形一一对应。

从图中可以看出：(1)采用新型自动均流技术的三相并联DC/DC变换器实现了均流，各模块电流波形基本重合；(2)均流单元的“重构”方案实现了模块2断路故障后的排除，“重构”后输出电压回升至额定值，1、3模块电流平分负载电流；(3)实验波形整体稳定，仅在模块2故障发生时有波动，这是模块2附加的断路故障产生电路引起的，不影响结果分析。

4 结论

通过理论分析及实验验证可知，本文研究的应用于并联DC/DC变换器的新型自动均流技术方便可行，可以较好地实现多相并联系统的均流；提出的均流单元“重构”方法切实有效，在并联系统某一模块发生故障后可以快速将故障模块切除，同时将剩余模块重新组合为一个新的并联DC/DC变换器，继续稳定运行并实现均流。

参考文献

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