电源模块并联供电的冗余结构及均流技术

摘要：介绍了将电源模块并联，并构成冗余结构进行供电的好处，讲述了几种传统的并联均流电路，讨论了各种方式下的工作过程及优缺点，并对均流技术的发展做了展望。

关键词：电源模块；并联；冗余；均流

1 概述

随着电力电子技术的发展，各种电子装置对电源功率的要求越来越高，对电流的要求也越来越大，但受构成电源模块的半导体功率器件，磁性材料等自身性能的影响，单个开关电源模块的输出参数（如电压、电流、功率）往往不能满足要求。若采用多个电源模块并联供电，如图1所示，就不但可以提供所需电流，而且还可以形成N＋m冗余结构，提高了系统的稳定性，可谓一举两得。

图1 多个电源模块并联供电框图

但是，在电源模块并联运行时，由于各个模块参数的分散性，使其输出的电流不可能完全一样，导致有些模块负荷过重，有些模块过轻。这将使系统的稳定性降低，会给我们的生产和生活带来严重的后果，而且电源模块自身的寿命也会大大缩短。国外有资料表明，电子元器件在工作环境温度超过50℃时的寿命是在常温（25℃）时的1/6。因此，使各并联电源模块的输出电流平均分配，是提高并联电源系统稳定性的一个必须解决的问题。

本文从均流电路的拓扑结构出发，介绍几种传统的并联均流方案，对于其他均流方案（比如按热应力自动均流法），暂不做讨论。对于文中提到的每一种均流方法，都做了详细的介绍，并结合简单电路图，讲述其工作原理及优缺点[1][2][3][4]。在文章的最后部分，对并联均流的发展做了简单的展望。

2 N＋m冗余结构的好处

采用N＋m冗余结构运行，可以提高系统稳定性。

N＋m冗余结构，是指N＋ m个电源模块一起给系统供电。这里N表示正常工作时电源模块的个数，m表示冗余模块个数。m值越大，系统工作可靠性越高，但是系统成本也会相应增加。

在正常的工作情况下，由N个模块供电。当其中某个或者某些模块发生故障时，它们就退出供电，而由m个模块中的一个或全部顶替，从而保证整个系统工作的持续性及稳定性。

以某个输出电流为100A的系统为例来说明冗余结构运行的好处，这里只讨论1＋1，2＋1，3＋1三种工作方式，如图2所示。各电源模块的工作情况由K_n的闭合情况决定。

(a) 1＋1

(b) 2＋1

(c) 3＋1

图2 三种冗余结构

如果采用1＋1冗余结构，即采用两个输出电流为100A的电源模块并联供电。正常情况下只有一个模块工作，当它发生故障，退出工作时，另一个模块开始工作，系统仍然能正常运行。

如果采用2＋1冗余结构，即采用3个输出电流为50A的电源模块并联供电。正常情况下只有两个模块工作，当其中之一发生故障，退出工作时，另一个模块开始工作，系统仍然能正常运行。

如果采用3＋1冗余结构，即采用4个输出电流为33A的电源模块并联供电，正常情况下只有3个模块工作，当其中之一发生故障，退出工作时，另一个模块开始工作，系统仍然能正常运行。

比较上面三种工作方式，采用2＋1这种方式最好，这是因为，1＋1方式中有一半的功率被闲置，而3＋1方式中使用元器件太多，成本过高，经济性不好。

3 几种传统的并联均流方案

3．1 下垂法

下垂法全称外特性下垂法，也叫做斜率控制法。在并联电源模块系统中，各个电源模块是独立工作的。每个模块根据其外特性以及电压参数值来确定输出电流。在下垂法中，主要是利用电流反馈信号来调节各模块的输出阻抗，也就是调节V_o=f(I_o)的斜率，从而调节输出电流。其工作原理图如图3所示。

图3 下垂法工作原理图

R_i为任一并联模块输出电流I_o的采样电阻，经电流放大产生电流反馈电压信号V_i，V_f为输出电压反馈，V_r为V_i与V_f的和，V_g为控制基准电压（5V），V_e为误差电压。当某一模块输出电流I_o偏大时，电压与电流反馈合成信号V_r=V_i＋V_f增大，与V_g进行比较后，使V_e减小，V_e反馈回电源模块的控制部分，使该模块的输出电压I_o下降，则I_o减小，即V_o=f(I_o)外特性下调。每个模块各自调整自己的输出电流，就可以实现各模块的并联均流。

这种方法的优点是简单，不需要外加专门的均流装置，属于开环控制。缺点是调整精度不高，每个模块必须进行个别调整，如果并联的模块功率不同的话，容易出现模块间电流不平衡的现象。

3．2 主从电源法

主从电源法是将并联的多个电源模块中的一个作为主模块，其他模块跟随主模块工作。具体工作过程是：主模块的工作电流与输出反馈信号进行比较，将差值信号反馈回各电源模块（包括主模块和从模块）的控制电路，从而调节各模块的输出电流大小。

如图4所示，设模块1为主模块，其输出电流的采样电压为