直流变换器并联运行时的环流和振荡控制

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:开关电源并联系统产生的环流和振荡会对电子元件产生高电压冲击,降低功率因数,并且使并联的各个模块之间产生抑止。因此,对开关电源并联系统的技术研究得到了广泛的关注。分析了直流变换器并联系统产生环流和振荡的原因和过程,并通过实验结果得以验证。最后总结出几种有效解决并联系统环流和振荡问题的方法。 关键词:直流变换器;并联;环流;振荡 引言 多个开关电源模块并联是解决大功率供电系统的关键技术,它的优点是,可以灵活组合成各种功率等级的供电系统、提高了系统的可靠性、通过N+1冗余获得容错冗余功率、可以实现热更换、便于维修等。 原来应用于开关电源中的整流器二极管,由于效率较低,大部分已经被MOSFET代替。这样,在采用高效率MOSFET的同时,也产生了一些问题。 在同步整流器中的MOSFET相当于一个双向开关,它不仅可以通过正向的电流,也允许反向电流通过。 在同步整流器中,控制MOSFET的电路与MOSFET导通电路形成了交叉连接(cross-coupled)。这样一种电路的拓扑与晶体管多谐振荡器很相似,也就是说,这种电路本身就可以形成振荡。 所以,模块并联运行时,由于各个模块输出电压之间的差异,会导致输出电压高的模块与输出电压低的模块之间产生环流,形成振荡。这样,输出电压低的模块不仅不对外提供电流,还吸收输出电压高的模块的电流;输出电压高的模块不仅要提供负载电流,还要提供其它模块的电流。因此,输出电压高的模块就会受到大电流的冲击;振荡会产生大的电压冲击;几个模块之间互相干扰,输出电压高的模块会抑制输出电压低的模块。 本文主要针对直流开关电源并联系统,通过对可能产生环流的结构进行理论分析,阐明了产生环流和振荡的原因和过程,并总结出几种有效解决环流的控制方法。 1 并联系统产生环流的分析 图1为两个采用自驱动同步整流的正激DC/DC电源模块的并联系统原理图。 图1 图1模块1中,S1是同步整流管,S2是续流管,L1是滤波电感,C2是滤波电容,R是并联系统的负载。S3是MOSFET开关,控制变压器原边线圈的导通。C1和D4构成变压器原边线圈的续流回路。 由于S1代替了原来的二极管,使得原本只能单向导通的支路,允许反向电流通过。在并联系统中,当两个模块之间存在差异时,输出电压会有差值,这是导致整流回路出现环流的主要原因。 两个模块的输入电压相同,控制方式都相同,当其中一个模块的参考电压较高时,这里假设模块2的参考电压较高,就会导致S7的导通角要大于S3,使模块2的输出电压较高。 这时,从输出端看,可以将两个模块分别等效为理想电压源与电阻串联的结构。如图2所示。 从图2可以很明显地看出,当Vout2>Vout1时,极有可能构成回路,产生环流。 2 产生自激振荡时的理论分析 由于环流现象的存在,使得如图1所示的并联运行的电源系统会产生自激振荡现象。 根据开关状态不同,可以分为4个时段。 1)状态1 S3关断,S1关断,S2导通。 此时模块1的等效电路如图3所示。图中Lm是变压器的励磁电感,Cp是变压器原边等效到副边的电容值,S1,S2和S3关断时分别等效成电容CS1,CS2和CS3,V2是输出电压。 Cp=n2CS3 (1) 式中:n为变压器变比。 此时vS2=0,加在S1两端的电压为 由于S1由导通到关断,vS1的初值为零,可以得到 式中:iL10和iLm0为iL1和iLm的初始值。 当vS1减小到零时,进入状态2。 2)状态2 S3关断,S1导通,S2关断。此时的等效电路图如图4所示。 此时有vS1=0。且 由于vS2的初始值为零,可以得到 式中: 其中:iLm0和iL10为iL1和iLm在第二阶段的初始值; Ts为单位时间。 3)状态3 S3导通,S1导通,S2关断。此时的等效电路图如图5所示。 V1/n是变压器副边绕组的电压,此时iL1和iLm都线性增长。 4)状态4 S3关断,S1导通,S2关断。此时的等效电路图和状态2是相同的,所有量的时间函数表达式也都相同,只是初始值不同。 3 仿真和实验结果 为了验证上述环流和振荡现象的分析结果,用Pspice对图1所示的两个自驱动的电源模块系统进行了仿真,并制作了实验模块。 仿真和实验系统的主要参数为:输入电压60V,输出电压5V,开关频率为200kHz。并使模块2单独运行时的输出电压略高于模块1的输出电压。 图6和图7分别为仿真结果和实验结果。其中V1为模块1中整流管S1源-漏极之间的电压;V3为开关管S3源-漏极之间的电压。 仿真结果和实验结果表明,由于环流的存在,使得在并联系统中出现了自激振荡现象。 4 解决环流及振荡问题的几种措施 并联运行的电源模块出现环流和振荡后,会影响系统的正常工作。必须采取适当的措施避免环流和振荡现象的产生。可以采取如下措施。 4.1 电阻器法 在产生环流的回路中加入电阻器,这相当于增加了整个环流回路的电阻,可以减小环流。但是,所加入的电阻器在开关电源的输出回路中,必然减小输出电压和电流。只有在对开关电源的输出要求不高时,可以使用本方法。 4.2 采用检测的手段加以控制消除 在各个开关电源模块中加入电流检测器,当某一模块的电流发生非正常变化时,将检测到的信号送到控制器,控制器通过控制电路使该模块恢复正常工作,防止环流现象的发生。 这种方法可以与均流控制相结合,在防止环流产生的同时,使电流在各个模块之间均匀分配。 4.3 改变整流MOSFET的驱动 4.3.1 改进自驱动[5] 图8所示为一自驱动同步整流模块。 电路在多模块并联运行时,当某一模块因某种原因停止输出电压时,由于其它模块仍在工作,且该模块输出端与其它模块相联,故输出电压Vout仍然存在。这时虽然该模块不工作,但是由于结构上的原因,S1和S2的源极与漏极的电压为Vds=Vout,栅极与漏极的电压为Vgs=Vout,因此S1和S2都导通,从而将Vout短路,势必导致环流。 改进后的自驱动模块如图9所示。 图9 S5和S6是P沟道MOSFET。当模块正常工作时,S5和S6只起驱动电压缓冲作用,不影响S1和S2的驱动电压波形。当模块不工作时,虽然Vout仍然存在,但由于S5和S6的阻断,电压Vout不能加到S1和S2的栅极上,而且由于电阻R5和R6,静电不会在栅极上积累,此时S1和S2的管脚电压为Vds=Vout及Vgs=0。因此,S1和S2都不会导通。这样便有效地改进了自驱动结构。 4.3.2 将自驱动改为他驱动 整流MOSFET的驱动不用自驱动,而用他驱动。将前面的单整流MOSFET结构按此方法修改后如图10所示。整流MOSFET S1的栅极接到PWM控制电路上,改变了原来的十字交叉(Cross-coupled)结构,避免了环流和振荡的产生。 图10 将有两个整流MOSFET的自驱动结构改为他驱动后如图11所示。整流MOSFET S1和S2的驱动信号由PWM控制电路提供,同样改变了原来的十字交叉结构,有效地避免了环流和振荡的产生。 图11 5 结语 在分析了直流变换器并联系统产生环流和振荡原因的基础上,提出了几种有效解决问题的方法。
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200703/11654.html
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