数字化开关电源模块并联均流技术解析

引言

随着电力机车上用电设备的增加，机车对于控制电源的输出功率要求也越来越高，多个小功率电源模块并联的电源系统的优势逐渐明显。采用电源模块并联的电源系统成为了开关电源发展的方向之一。由于各个模块的外特性参数会有所差异，电源模块并联造成了各个模块电应力和热应力不同，大大降低了整个电源系统的可靠性运行。为了保证各个模块所受到的电应力和热应力基本相同，需要对并联模块采用并联均流技术。

本文由铁道电源专家中电华星铁道电源专家撰写，文中提出了数字化开关电源模块并联均流技术，采取平均电流型的自动均流法，降低了模块的电应力和热应力，增强了系统的冗余性，解决了电源模块间均流的问题，保证电源系统的稳定可靠运行。希望对大家有所帮助。

1 平均电流型自动均流法原理

平均电流型自动负载均流法的实现是通过在电源系统中的几个电源模块之间通过一条总线来控制。该总线可以作为实现均流控制的信号线，控制线的电压值是系统中的各个电源模块输出电流采样电压信号的均值，假设将Ui为第i个电源模块的电流输出对应的电压信号，同时，假设Ub是总线上的电压大小，则上面的参数应该满足以下方程式：

上面计算得到的Ub被当做一个反馈值，各个模块会将自己的采样电压与该反馈值进行比较，以得到一个误差电压Uc，根据各个模块的误差电压大小，可以调节电源模块的输出电流，最终达到均流的目的。

图1是主动型的平均电流控制方法的工作原理图，如果使用该原理图所表示的均流方式，系统的各电源模块均需要采用相同的结构方式。采样输出电流经过一个电流放大部件，会和均流母线连接在一起，中间的电阻R可以被用来检测采样电流与均流母线的电流是否有差值，假设没有差值，可以认为I1=0，整个电源系统就处于均流状态；如果有差值存在

I1≠0，R上必然存在一个电压值Uab，经过运放A2放大以后，可以得到Uc，它与对应电源模块的输入基准Ur相加，得到的值就是△U，将其与反馈的采样电压Uf进行比较，并根据通过放大以后得到的误差电压调节输出电流，通过这样的控制方式，就可以最终达到均流的目的。

2 并联均流控制系统总体设计

图2是由两个有相同结构的电源模块组成的均流法结构电路，并且这两个模块均有一个电压反馈环节。

在没有均流控制部分的情况下，电压反馈环节如果产生了微小的波动，就会造成两者有很大的差异。由于变换器之间会互相影响，他们都会试图对母线进行控制，若其中一台电源退出总线，则机车相应设备会自动检测出故障，并重新计算电源数量。

通过并联变换器、加入均流电路，系统有了一种新的特性。为了提高系统的通用性，将图2进行拓展，拓展后如图3所示，也即n个相同模块并联。

将j，号变换器通过Zcj，与P点相连，Zp为P与负载ZL间的阻抗。如果想要得到参考电流Icom，每一个变换器都应该对Ij检测，各电源模块的输出电流Ij与模块的电源增益uUj相乘，就得到了均流信号Icom，假设“u1=u2=u3=un=1／n，也就是前面提到的电流均值法。信号Mj(Icom-Ij )和基准电压进行加法运算，就可以得到第j号变换器的电压基准值 VRj，该基准值再与输出反馈电压VFj，做差，就可以得到PWM控制器所需要的控制信号。

3 实验结果分析

3．1 平均电流均流控制系统的仿真搭建

用MATLAB搭建仿真模型，仿真框图分为以下几个部分：主电路拓扑结构，PWM发生器(SinglPWM Generator)，均流控制模块(Current SharingBlock)，控制模块(controlblock)，负载，如图4所示.

PWM发生器：PWM发生器将频率为40 kHz，幅值为1的三角波与电压输出参考值比较，输出PWM脉冲调制波。最大输出电流为10 A，电源模块开关频率为40 kHz，最大占空比为0．9。

均流控制模块：采用平均电流均流控制技术，其模块内部结构图如图5所示。

3．2 平均电流均流控制系统的仿真波形分析

为了验证平均电流均流法的均流效果，在仿真图中，设定了特性不一样的两个电源模块进行并联均流分析。对比加入平均电流均流法前后的输出电流波形图，检验其均流效果。当没有均流效果时，两个并联运行的电源模块的电流波形如图6所示，加入平均电流均流法后，两个并联运行的电源模块的电流波形如图7所示。

比较两张图发现，图6没加平均电流均流法，四个模块输出电流之间存在明显的差异，图7加人了平均电流均流法后，四组模块输出电流比较均衡，验证了添加平均电流均流法后电流均衡效果明显，在电源并联系统中采用平均电流均流法的均流方式的合理性和可行性，提高系统的稳定性和安全性。

4 结论

本文选择了平均电流均流法作为均流控制策略，并搭建了均流电路，实现了并联电源模块系统的电压环、电流环、均流环三环控制。运用MATLAB／Simulink模拟硬件电路，搭建了四个电源模块并联输出的均流控制系统，仿真结果证明采用平均电流均流控制技术能很好地平均分配负载电流，达到各个并联电源模块均流的目的。如对相关应用有疑问，欢迎咨询中电华星相关铁道电源技术工程师！