收稿日期:2003-10-13;修改日期:2003-12-22作者简介:杜少武(1965-),男,安徽合肥人,合肥工业大学副教授,硕士生导师.第27卷第8期合肥工业大学学报(自然科学版)Vol.27No.82004年8月JOURN AL OF HEFEI U NIVERSITY OF T ECH NOLOGY Aug.2004带自动均流的DC /DC 变换器并联模块的研究杜少武, 金 波, 葛锁良(合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥 230009)摘 要:分析和比较了几种DC/DC 电源模块并联均流技术,介绍了Unitrode 公司生产的U C3907芯片内部结构和功能。
在此基础上,设计出一种基于UC3846和UC3907的带自动均流的大功率DC/DC 变换器的控制电路。
提出了在UC 3907的14脚和6脚之间接一电阻,从而解决电源模块并联运行时主控与辅控交替的现象,有效控制每个电源模块均摊总负载电流。
关键词:并联;自动均流;DC /DC 变换器中图分类号:TM 46 文献标识码:A 文章编号:1003-5060(2004)08-0936-05Study of DC /DC converter with automatic load sharingDU Shao -w u , JIN Bo , GE Suo -liang(School of Electric E ngineering and Au tom ation,Hefei University of T echnology,Hefei 230009,China)Abstract :Several metho ds of sharing current in the parallel -connected DC /DC converter are analy zed and compared .The inner structure and function o f the UC 3907produced by Unitro de Company is in-tr oduced.T he control circuit of a high pow er DC/DC converter w ith automatic load sharing is de-signed based o n UC3846and U C3907.In or der to reso lve the pr oblem o f the alternate betw een m ain co ntrol and assist control in the pow er m odule under parallel connection ,a m ethod that a r esistance is co nnected betw een the pin No.14and the pin No.6of UC3907is pr esented so that the output current of each pow er m odule can be controlled effectiv ely and all the load current shared ev enly.Key words :parallel connection;autom atic load sharing;DC/DC co nv erter0 引 言电源并联运行是电源产品模块化、大容量化的一个有效方法,是电源技术的发展方向之一,是实现组合大功率电源系统的关键。
电源并联扩容的基本要求[1]为:电源并联后,总电源系统的源电压效应和负载效应要满足所要求的技术指标;每个电源模块的输出电流应相等;有一个低带宽的总线来连接所有的电源模块;具有良好的负载瞬态响应特性。
因为电源并联在一起,很难达到输出电流分配均匀,所以并联电源模块间必须采用均流措施。
某DC/DC 变换器要求:输入电压为385V,输出电压38V,输出电流为100A ,必要时多台开关稳压电源可以直接并联使用,并联使用时的负载不均衡度小于5%。
DC /DC 变换器主电路采用半桥式电路拓扑,控制芯片采用UNITRODE 公司生产的电流控制型PW M 集成控制芯片U C 3846,在比较几种均流控制方案的基础上,选择了根据最大电流自动均流法而设计的UC 3907均流控制芯片,实现了并联运行时均流控制。
电源模块在并联时,取得较好的均流效果。
1 常用的并联均流技术1.1 常用的几种并联均流技术比较直流模块并联的方案很多,常用的均流方法[2]有:下垂法、主从设置法(M aster-Slaves)、外部控制电路法、平均电流型自动均流法及最大电流自动均流法。
下垂法虽然简单易行,但负载效应指标较差,均流精度太低;主从设置法和平均电流型自动均流法都无法实现冗余技术,因为一旦主电源出故障,则整个电源系统都不能正常工作,使电源模块系统的可靠性得不到保证;外控法的控制特性虽好,但需要一个附加的控制器,并在控制器和每个单元电源之间有许多附加连线;而最大电流自动均流法依据其特有的均流精度高、动态响应好及可以实现冗余技术等性能,越来越受到开发人员的青睐[3]。
1.2 U C3907的控制功能介绍UNIT RODE 公司根据最大电流自动均流法开发出均流控制集成芯片UC3907,该芯片通过对各个电源模块的输出电压进行微调来实现均流。
通过均流总线(CURRENT BU S )电路监视每一电源模块的输出电流,判断出并联模块中输出电流最大者,标为主模块,调整其余模块,使其输出电流与主模块输出电流之差在5%以内[4]。
UC 3907的内部结构,如图1所示。
由图1可见,UC 3907可分为电压环与电流环(包括均流控制)两部分。
电压环由电压放大器、接地放大器和驱动放大器构成。
电流环由电流放大器、缓冲放大器、调节放大器和状态指示构成[1,5]。
图1 UC3907内部结构电压环用以稳定输出电压,电流环由于要抑制噪声所以是一个较低带宽的环路。
芯片的均流部分使用了电流放大器、缓冲放大器和调节放大器。
电流放大器的输出,代表了负载电流的模拟信号并送至单向缓冲放大器的输入端。
由于缓冲放大器只提供电流,所以它可以保证输出电流最高的模块成为主模块,并能够以较低的阻抗驱动均流母线,向其它模块传递信息,而其它缓冲器在其对地负载阻抗达到937第8期 杜少武,等:带自动均流的DC/DC 变换器并联模块的研究10k 时截止。
调节放大器将模块自身的输出电流与均流母线的信号相比较,发出指令调节各单个模块的基准电压,以保证电流平均分配。
调节放大器的反向输入端有50mV 的失调电压,使该单元作为一个低输出信号的主控单元电源,并产生一个零调节命令。
而50mV 的失调电压代表均流中的误差信号,电流放大器通过电流检测电阻可以使误差减小到2.5m V,导致所有从电源模块分流均匀,主模块分担的电流比从模块分担的高几个百分点,该失调电压也克服了因低频噪声的影响而使主控单元不稳定的情况。
2 一种离线式均流的应用2.1 主电路及驱动电路的设计电源模块控制电路,如图2所示。
该电路采用IGBT 半桥式DC/DC 变换器,高频变压器采用国产铁氧体EE 85B 磁芯,原方绕组为12匝,副方两个绕组均为6匝,开关频率为30kHz 。
为了防止电源在运行过程中产生偏磁,在变压器原方绕组回路中串入隔直电容C 8。
U C3846用作调制器,其开关频率为:f s = 2.2/(R t C t ),电流互感器H 1用以监测初级线圈中的电流[6,7]。
图2 电源模块控制电路该系统主电路的开关管使用IGBT ,用脉冲变压器作驱动。
当IGBT 容量较小时UC 3846的11脚和14脚可以直接驱动变压器;当IGBT 容量较大时,可以采用图3所示的驱动电路。
该驱动电路结构简单,具有负压关断能力,且驱动功率大。
电路中,二极管D 9、D 10有助于T 1～T 4的关断。
2.2 调节器的设计整个系统由调节器、控制器、L 及C 滤波电路构成[8,9]。
控制器的传递函数近似为一个惯性环节,即G 1(s )=K T s +1(1)式中 K ——由38V 输出及2.5V 给定确定T ——调节器的开关频率确定938 合肥工业大学学报(自然科学版) 第27卷L 、C 滤波电路及负载的传递函数为G 2(s )=K 1a 2s 2+a 1s +a 0(2)其中,K 1=a 0=R LOA D ;a 1=L 1;a 2=R LOA D C 7L 1。
图3 IGBT 驱动电路 UC 3846的误差放大器正向输入为2.5V ,试验时采用PI 调节器,发现输出波形稳定性较差。
若在UC 3846的6脚与7脚间接一个电容C 11,输出波形明显改善。
此时调节器的传递函数可表示为G 3(s )=bs +1a 4s 2+a 3s (3)其中,b =C 12R 16;a 4=C 11C 12R 16;a 3=C 11+C 12。
系统结构框图,如图4所示。
图4 系统结构框图2.3 U C3907均流环节的设计模块之间为了精确均流,每个模块输出电流必须被检测。
对检测电阻的选择有两个因素:最大功耗和最大压降。
考虑输出电流较大,本设计采用霍尔传感器检测电流[10]。
驱动放大器将电压放大器输出电压转换成电流误差信号并送至光电耦合器,其计算电流为I 1=(1.25-V e )2.5+ 1.25R set(4)其中,V e 为误差放大器的输出,其小信号增益为I 1V e =- 2.5R set (5) 为了保证光电耦合工作在近似线性段,光耦原方电流应小于1m A 。
假设驱动放大器的输出电压为2.5V,可计算出R set >6.25k ,实际选择R set =10k ,R 22是一个4.7k 电阻和一个10k 的电位器串连,调节该电位器,可将输出电压调至38V 。
UC3907的调节放大器,将模块自身电流与均流总线的信号相比较,当调节放大器自身的电流小于均分总线电流,即其为辅控时,调节器使基准电压升高100mV 。
该取值源于调节放大器的嵌位输出与939第8期 杜少武,等:带自动均流的DC/DC 变换器并联模块的研究基准电压之间的内部电阻比率17.5∶1及基准电压相对虚地端6脚的电压1.75V。
为了克服噪声,在14脚和6脚之间接一个0.22 F的电容,如图2中的C17。
在实验中出现状态指示灯明暗交替变化的现象,分析原因是当电源模块为辅控时,由于调节器的作用使基准电压提高100m V,将使其输出电压增大,对应输出电流加大。
如果其开始电流与主控模块的电流差别不大,该模块可能变为主控模块,但在下一次调节后该模块又变为辅控模块。