一种新型开关电源模块均流技术的研究

众所周知，并联技术已成为实现大功率分布式电源系统的核心技术，但由于各并联电源模块特性并不完全一致，输出电压高的模块可能承担更多负载，而有的模块则可能轻载、甚至空载运行，结果导致分担电流多的模块热应力大，降低了电源整体的工作可靠性。随着电子系统的发展，对电源可靠性、效率和功率密度的要求越来越高，因此有必要采取一种有效的均流控制方案，保证整个电源系统的输出电流按各个单元模块的输出能力均摊，这样既能充分发挥单元电源模块的输出能力，又能保证每个单元电源的工作可靠性。

目前已有大量文献介绍并联电源系统的均流技术，虽然其原理不尽相同，但控制器的设计都是在电源模块简化、近似的数学模型基础上进行。考虑到大功率器件及其电源模块的非线性特性，基于古典反馈控制的均流措施不可能取得满意的控制效果。随着计算机技术的迅速发展，复杂参量和系统的状态实时计算、估计已成为现实，自适应控制、滑模变结构控制等现代控制理论以及模糊控制、神经网络等智能控制方法都已应用于电力电子系统。因此，在设计高精度、高稳定性电源时使用先进的控制策略论将更具吸引力和实用价值。本文将模糊控制与常规PID控制相结合，并采用积分前馈控制，构成智能均流控制器，试验波形表明电源系统的动、静态性能得到了显著提高。

并联DC/DC模块的主-从均流法

工作原理

如图1a所示，在主从控制方式下的N个模块中#1模块作为主模块(master)，工作在电压源(VS)方式(图1b)，其余N-1个模块作为从模块(slave)，工作在电流源(CS)方式(图1c)。Vr1是主模块的电流基准值，作为PWM控制器的控制电压；从模块的PWM控制器由主模块与从模块输出电流的偏差电压即电流负反馈来调节，CSC是均流控制器。由于从模块电流均按主模块电流进行调节，其输出电流与主模块电流基本一致，从而实现均流。因此，该系统实际上是一个由电压外环和电流内环构成的双闭环控制系统。



图1　并联电源模块的主-从均流法工作原理图

主要特点

双闭环主-从均流控制技术主要有以下特点:

(1)每个电源模块的输出电流能够自动按功率份额均摊，实现均流；

(2)当输入电压或/和负载电流变化时，能保持输出电压稳定，并且均流瞬态响应好；

(3)由于主从模块间需要通讯联系，所以整个系统较为复杂。

PID均流控制器(CSC)设计

虽然文献提出的PI均流控制器在DC/DC模块电源并联系统中获得了较高的均流精度，但动态性能尚无法 满足电源在负载变化或电网波动过程中的快速性要求。为改善动态特性，在PI调节器的基础上引入微分环节，构成PID控制器。这里以降压型(BUCK)DC/DC电源模块为例，进行具体说明。模块参数:输入电压15V，输出电压5V，输出电流15A。系统采用三模块并联的MSC拓扑，电源总输出电流是45A。若均流控制器(CSC)采用图2所示的PI控制器，选择其带宽BW=28kHz，相位裕量pM=48°，幅值裕量GM=15dB，则其传递函数及参数:



图2　模糊均流控制器结构图



其中:



在PI控制器的基础上引入微分环节，增加低频段零点，从而在保证充分相位裕量的前提下，增加系统带宽。为提高系统快速性，将PID调节器的带宽由28kHz提高到100kHz，相位裕量不变，幅值裕量为无穷大，则PID控制器的传递函数为:



其中:kp=20，ki=1，kd=0.1，传递函数中包括Z1=0.05s-1、Z2=300×103s-1两个零点和附加微分环节的高频极点p=-ωp，ωp值由式(1)决定。值得注意的是，虽然电源系统的响应速度有了显著提高，但是带宽的增加使系统抑制输入信号高频噪声的能力大大下降。因此带宽的选择应当是在电源系统具体的应用背景下具体分析，尽量在系统快速性和抗扰性之间取得平衡。

FUZZY-PID均流控制器设计

由于并联电源系统的强耦合、非线性特性，其均流控制器的PID参数整定非常困难甚至根本无法整定，很难在工程上找到同时满足稳定性和动态性能要求的解决方案。因此，借助于智能控制不依赖被控对象精确数学模型的特点，本文介绍一种新型智能均流控制器设计方案，在PID调节器中引入模糊控制，在实现并联模块均流的同时，进一步提高系统的动静态性能指标。

均流控制器结构

基于FUZZY-PID控制的CSC结构(图2)采用二维模糊控制器结构，以均流误差e和误差变化e作为输入量，u为输出控制量。此时，模糊控制器的控制量成为电流误差和误差变化的非线性函数，它具有类似PD调节器的控制效果，系统动态特性有所改善，而静态性能并不令人满意，系统无法完全消除稳态误差；再加之模糊控制固有的死区现象，使稳态误差进一步扩大。另外，在模糊变量分级不够多的情况下，常常在平衡点附近有振荡现象。为克服这些问题，系统又引入误差信号的积分分离、前馈控制算法，以消除稳态误差。