1、1开关电源并联均流技术 基于增量式 PID 的开关电源并联均流系统设计导读：就爱阅读网友为您分享以下“基于增量式 PID 的开关电源并联均流系统设计”的资讯，希望对您有所帮助，感谢您对 的支持!第卷第期年月 科学技术与工程 （） 基于增量式的开关电源并联 均流系统设计 郝秉文郑晟 （太原理工大学信息工程学院，太原） 摘要 由于开关电源模块的输出阻抗不一致，导致开关电源模块在并联工作时各模块的输出电流差异较大。为解决这一 问题，提出了一种基于增量式算法的开关电源并联均流方2案。介绍了增量式算法的实现方式，以及结合总线通 信系统时算法的工作流程。经实际验证表明该设计具有均流精度高、稳定性好等特点
2、。解决了开关电源在并联工作时电流 不均衡的问题，提高了开关电源并联系统的整体可靠性。 关键词开关电源 增量式 总线 并联均流 中图法分类号 ； 文献标志码 随着科学技术的发展，人们对电源功率的需求 等效成为一个电压源或电流源，但对于电流源来说 越来越大，单台电源功率有限就成为一个突出的问 是不需要均流的，因为其反馈控制量就是电流，在 题。解决这个问题的一个很好的办法就是多个电 给定相同的情况下，保证反馈误差很小的情况下， 源模块的并联，但由于每个模块的输出特性不一 输出电流就可以做到基本无差 。而对于电压源， 致，导致了在并联工作时每个模块的输出电流差异 其反馈控制量是电压，稍微的一点波动就会
3、造成电 很大，输出电压调整率大的模块，往往运行在轻载 流的不均衡。这里以两个模块并联为例，每个模块 或者是空载状态，这就意味着其他模块总是处于重 等效成一个恒压源和一个电阻的串联模型，这个电 载工作，长期下去会使整个系统的可靠性、安全性 阻代表输出阻抗。这样可以通过图（输出阻抗相 大打折扣，甚至带来可怕的后果。因3此，在电源模 等，但空载电压有差异）和图（空载电压相等，但输 块并联工作时要解决它们之间的均流问题，尽量减 出阻抗不相等）来分析其不均流的原因。 小输出电流的差异，提高系统的稳定性。 介绍了一种并联均流方案，以 为核心控制芯片，采用增量数字式算法，利用芯 片内部集成的控制器实现多台模
4、块之问的通 信，达到电源模块问均流的目的。 不均流原因及衡量标准 图 输出等电阻下空载 图空载电压相同时 电压的变化 输出电阻的变化 电源模块不均流原因 图中的 。 、 也分别代表两个模块电源的 对于多台电源并联构成的系统，每个模块可以 空载电压， 代表实际输出电压。 由图得出两个模块的输出电压为： 年月 收到 第一作者简介：郝秉文（一） ，男，内蒙古商都县人，硕士研究生 一 （一） 研究方向：嵌入式。：。 一， （） 那么输出电流差为： 期 郝秉文，等：基于增量式的开关电源并联均流系统设计 ，一（ 一 ）（） 同理，由图得出的输出电压为： 一， （） 4一， ： （） 一 （） 输出电流差为
5、： ，一，（一） （） 式（）中的代表输出电压的变化量，由此可 知，各个模块的输出电流是按照输出阻抗分配的， 所以输出阻抗的不一致是导致输出电流不相等的 主要因素。 均流衡量标准 模块均流的标准，可以用国家出台的通信用 半导体整流设备标准中的不平衡度来衡量，其要 求不平衡度不大于，计算方法如下 ： （）（ 一， ）。 式中： 为单个模块所分担的输出电流值； 为单个模块输出电流额定值； ，为个模块输出电流总和； 为 个模块输出电流额定值。 常用均流技术 目前国内外常用的均流方式大致可以分为三 大类 ：输出阻抗法（也称为外特性下垂法） 、主从 控制法、有源均流法。 输出阻抗法 这种方法是通过调节开
6、关器件的外特性倾斜 度来改变电源模块的输出阻抗，以达到均流的目 的。其优点是：实现简单，易于模块的扩展。但其 属于开环控制，故缺点就是电压调整率差，在轻载 时（小电流时）效果差些，重载时较好。 主从控制法 主从控制法的工作原理是：在并联的，个模块 中，选定一个为主模块，其余为从模块，用主模块的 电压误差信号控5制各个从模块的输出信号，于是各 个从模块的输出信号均为主模块的输出信号，因此 各模块的电流基本一致，从而实现了均流 。这种 方法的优点是：精度高，可以实时调整各模块的输 出特性。但缺点是：一旦主模块故障，整个将失控， 由于主模块电源电压取样反馈回路的带宽较宽，故 抗干扰能力差。 有源均流
7、法 有源均流法是一种闭环控制方式，由并联系统 的闭环控制模式和均流误差信号控制方式两种，根 据它们的不同选择组合，目前已经衍生出了多种组 合类型。由于这种方法将均流误差信号加入到调 节过程，所以使得这种方法具有了优良的性能与广 阔的研究前景。 增量式控制原理 增量式算法是在传统的算法基础上离 散化得到的，数字控制器的输出只是控制量的增量 （） 。离散化后的算法如下： （ ） ，（ ） （： ）（ ）一（一） （） 一 （）（一）（ ）（一）一 （ 一） （） 由公式（）减去公式（）可得 ，（）（ ）一（） （） （）一（一）（一） （） 式（）即为增量式6的的数学模型。化简以后的 增量式模型如
8、式（ ） 。 （）（）（一）（一） （） 增量式算法优点：算式中不需要累加。控制增 （）的确定仅与最近三次的采样值有关，容易通 过加权处理获得比较好的控制效果；数字控制器每 次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化 量，故机器发生故障时影响范围小、不会严重影响 生产过程。式中的比例系数 会影响系统的响应 速度，可对系统偏差做出及时响应，但是容易产生 较大的超调；积分系数 主要用来消除系统稳态误 差，但是容易因为积分饱和而产生较大超调；微分 科学技术与工程 卷 系数 主要用来克服系统振荡，但是容易产生动态 超调 。 基于增量式的均流方案 设计思路 综合上面的介绍与分析，设计一种数字式的均 流方
9、法，也就是通过采集并联的两个电源模块的输 出电流，并计算出模块实际要输出的电流大小，两 者比较，计算出电流的误差，根据误差的符号，通过 增量式算法得到模块电压环路的基准增量 ，再求出要调整的电压基准 ，以此改变模块的 输出电压，自动调节输出电流，达到模块间均流这 一目的。这种数字式均流方法易于用软件实现，灵 活性强，在单个模块发生故障时，不会影响其它 模块。 7要实现上面这一均流方案，模块间的通信是绝 对不能缺少的一个环节，这里采用的主控芯片是意 法半导体的，其内部集成了控 制器，再加上总线在抗干扰能力，灵活性，可靠 性等方面都有一定的优势，而且易于在应用层开发 通信协议，接口电路也简单，故模
10、块间采用 通信。 总体方案 根据上述设计思路，这一方案采用了一种星型 拓扑结构，一个主控板，两个模块板。其中主 控板的任务有以下几项： ）设置电源工作电压、电流等参数，这个可以 使用（人机交互的触摸屏）来实现。把工作参 数通过总线发送给电源模块； ）采集电源工作时的总电流，并计算出每个模 块应该输出的电流，通过总线将这一模拟量发 送到各个模块。 电源模块的板主要任务有： ）按照主控板发送来的电压，电流等工作参数 工作； ）采集输出电流，并与主控板发送来的应该输 出电流值进行比较，利用算法，得出电压基准 来调整输出电压。 图给出了这一星型拓扑结构的控制图。 图系统整体结构框图 图中电源模块，电源
11、模块和主控的 通信地址如下表所示。 表 通信地址（） ）表 主控板和模块都以定时发送的方式通信。 增量式算法设计 由于使用的是 8内核芯片为核心的 控制电路，这里软件算法的设计可以在的 编程环境中进行，编写如图的均流程序。 下面对这种算法进行一个简要说明，前提是模 块电源已经开始正常工作，因为主控发送均流数据 是在发送完开机指令，并且确认电源模块工作以 后。首先模块判断接收到的是否是主控板， 如果不是，不予处理，如果是则读取均流参数， ， 采集模块电源的输出电流 （ 代表模块电源编号 ，） ，然后计算出（），一 ，这里要设置 一个死区值，防止震荡的产生，（）则不 需要处理；如果， （），则利用
12、算法的简化式 （）计算出，也就是电源电压基准的增量， 如果 ，令 ，这个日值是限幅处 理，防止产生较大误差。至此就可以计算出 的 值，实现输出电压自动调节，达到均流的目的。其 中算法的参数是通过大量试验得到，。， ，。 电源系统控制框图如图所示，得到的电压基 期 郝秉文，等：基于增量式的开关电源并联均流系统设计 准，作用于被控对象，通过调节的占空比控 制输出电压。 数的设置、显示使用昆仑通态的系列触 摸屏。负载为纯阻性负载。 9实验中的两台开关电源输出电压虽然一致，但 由于其输出特性不同，模块承担了大部分的输出 电流，的输出电流却很小。以下表是没有加入 图电源系统控制框图 厂 初始化、 、 。
13、 一， 是 、 读取均流参数 、 ， 采集输出电流， 、 计算（） 人 佃、 ，（ ： 、 、 ， ）。 ）。 ， ） 一） 一） 一） 是、 否 、 （ 算得到 ，结束） 图 均流程序流程图 实验验证 实验采用的是两台 的开 关电源并联，电压调节范围是 一 ，总功 率为 ，模块与主控用总线连接，工作参 均流算法时电源的工作参数。 表不加均流算法测试数据表 由实验数据可以看出，在模块恒流之前，承 担了大部分的输出电流。 接下来在电源模块中加如均流算法，实验数据 如表所示。 表加入均流算法测试数据表 从表中的实验数据可以看出，加入均流算法后 的电源输出电流得到了改善，每个10模块的输出电流 在一
14、定程度上满足了均流要求，说明本设计可以解 决开关电源并联时电流的不均衡问题。 总论 分析了造成并联电源不均流的原因，介绍了目 前常用的均流方法，并设计了一种基于增量式 调节的均流方法，给出了设计方案。而且通过实验 测试，在加入均流算法后的模块输出电流确实得到 了改善，验证了其可行性。具有一定的参考价值。 参考文献 关炀电动汽车充电电源并联均流技术的研究北京交通大 学硕士学位论文，；： 通信用半导体整流设备一 （下转第页） 科学技术与工程 卷 辉，彭应宁，等空间谱估计理论与算法北京：清 ，： 王永良，陈华大学出版社， ， 11 程志友，梁孙金玮，刘栋，韦穗，等一种快速暂态电能质量扰动定位 听，孙
15、圣和基于总体最小二乘法的多功能信号重 方法电力系统自动化，；（）： 构方法研究电子学报，；（） ，；（）： ，；（）：一 ， ， ， ，；（）： 丁屹峰，程浩忠，吕干云，等基于算法的谐波和间谐波 频谱估计电工技术学报，；（）： 12 ，；（）： ， ， （ ， ， ，） ， 13 ， ， ， 一 ，? ； 14 （上接第页） 高玉峰，胡旭杰，陈涛，等开关电源模块并联均流系统的研 术的研究电源技术，；： 宋和平，胡成全，王力风，等新型双温度反馈增量式控制器 的设计控制系统，；（）：加 究电源技术，；： 马骏，杜青，罗军，等一种开关电源并联系统自动均流技 ?， （ ， 15 ， ，） ， ， ， 16 ， ， 17百度搜索“就爱阅读”,专业资料,生活学习,尽在就爱阅读网,您的在线图书馆百度搜索“就爱阅读”,专业资料、生活学习,尽在就爱阅读网 ,您的在线图书馆!
