0 引言

    隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，以及大量電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，用戶對變換器功率和功率密度的要求也不斷提高。受目前半導(dǎo)體開關(guān)器件水平的限制，單臺大容量直流電源技術(shù)尚不成熟，其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)都非常困難，因而DC/DC變換器的并聯(lián)技術(shù)得到了快速發(fā)展^[1-2]。

    由于具有負(fù)載電流平均分布于并聯(lián)每相、電感儲能小、輸入輸出濾波器的開關(guān)紋波小等優(yōu)點(diǎn)，并聯(lián)DC/DC變換器常應(yīng)用于低壓大電流的場合。受誤差的不可避免性和工藝水平的限制等因素影響，并聯(lián)運(yùn)行的各相變換器的參數(shù)存在差異，致使其外特性不盡相同。這將導(dǎo)致并聯(lián)系統(tǒng)帶載運(yùn)行時(shí)，各相電流不平衡，電流大的模塊中元器件承受更大的電流應(yīng)力和熱應(yīng)力，損壞幾率上升。為了防止一相或多相電源模塊運(yùn)行在電流極限值狀態(tài)，在并聯(lián)直流電源系統(tǒng)中必須引入有效的負(fù)載電流均流控制。

    文獻(xiàn)[1，3-8]提出了一系列均流方法，包括模擬和數(shù)字控制。大多數(shù)數(shù)字控制均流方法都需要專門的中央處理芯片，并且有專門的信號線將各相電源模塊與中央處理芯片相連，這導(dǎo)致并聯(lián)直流電源系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)冗余^[3-5]。

    最大電流和平均電流自動(dòng)均流法是目前應(yīng)用最為廣泛的兩種模擬控制均流方法^[6-7]。這兩種均流方法都通過均流母線來傳遞電流信號，由于采用了均流母線，即使各相模塊之間輸出特性不是非常一致，仍可以較好地實(shí)現(xiàn)均流控制。但是均流母線對噪聲比較敏感，而且它連接所有的控制電路，一旦某一并聯(lián)模塊出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)就容易崩潰。

    文獻(xiàn)[8]提出了一種基于均流誤差信號的均流方法，不再采用均流母線傳遞電流信號，而將相鄰兩模塊電流信號直接傳輸?shù)酱髂K，從而獲得均流誤差信號實(shí)現(xiàn)均流。但是該方法并未解決模塊故障問題，一旦發(fā)生模塊故障，整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)仍會(huì)受到影響，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)將癱瘓。

    針對上述問題，本文對文獻(xiàn)[8]提出的方法進(jìn)行了改進(jìn)，在每個(gè)模塊的控制電路中加入了故障模塊排除電路。當(dāng)并聯(lián)系統(tǒng)某一相發(fā)生故障時(shí)，通過故障模塊排除電路，可以迅速將其從系統(tǒng)中切除，同時(shí)使系統(tǒng)剩余模塊保持穩(wěn)定運(yùn)行和均流。

1 基于均流誤差信號的自動(dòng)均流技術(shù)原理

    基于均流誤差信號的自動(dòng)均流技術(shù)原理如圖1所示，圖中顯示了一個(gè)并聯(lián)DC/DC變換器中的相鄰三模塊，分別為模塊n和n±1(下面以模塊n為主進(jìn)行分析)。每個(gè)模塊由變換器主電路和控制電路組成，其中變換器主電路用簡化拓?fù)浔硎荆烧伎毡刃盘朌_n控制開關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷，產(chǎn)生電流I_n輸送給負(fù)載。

    圖1(a)中控制電路方框以內(nèi)的部分產(chǎn)生均流誤差信號。具體的產(chǎn)生方法如圖1(b)所示，圖中I_n、I_n±1分別為模塊n和相鄰兩模塊的電流。將模塊n的電流與相鄰兩相電流的平均值作比較，可以得到均流誤差信號ε_n表達(dá)式：

    然后將該誤差信號送入調(diào)節(jié)器C_Δn(s)中得到基準(zhǔn)電壓校正信號V_sn。    

    圖1(a)中控制電路方框以外的部分產(chǎn)生占空比信號。基準(zhǔn)電壓設(shè)定值V_rn與基準(zhǔn)電壓校正信號V_sn作差，得到校正后的電壓基準(zhǔn)V_rn^′。然后以V_rn^′為電壓環(huán)電壓基準(zhǔn)進(jìn)行閉環(huán)控制，得到最終需要的占空比信號D_n。D_n控制開關(guān)管，使得模塊n的電流趨近于相鄰兩相電流的平均值。

    將采用上述均流技術(shù)的電源模塊排列成菊花鏈形式^[8]，模塊n±1，n±2…的電流也將趨近于各模塊相鄰兩相電流的平均值。對并聯(lián)系統(tǒng)而言，各相電流會(huì)趨向于整個(gè)系統(tǒng)的平均電流值，達(dá)到最終均流的目的。

    與常用均流方法相比，基于均流誤差信號的自動(dòng)均流技術(shù)避免了與并聯(lián)DC/DC變換器各相都有連接的中央處理芯片或者均流母線的使用，排除了因?yàn)檫@些器件故障而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓的危險(xiǎn)；同時(shí)可以按照菊花鏈排列形式將并聯(lián)系統(tǒng)擴(kuò)展到任意相，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)的冗余。

2 故障模塊排除方案

    采用基于均流誤差信號的自動(dòng)均流技術(shù)的并聯(lián)直流電源系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)均流，同時(shí)具有良好的冗余性、可擴(kuò)展性。但是并聯(lián)系統(tǒng)對模塊故障的容錯(cuò)能力并不突出，一旦某一模塊發(fā)生故障將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)均流效果下降甚至系統(tǒng)癱瘓。

    下面取典型的斷路故障進(jìn)行分析。設(shè)定：(1)故障發(fā)生前，并聯(lián)直流電源系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行；(2)模塊n發(fā)生斷路故障后，電流I_n立刻降為0；(3)斷路瞬間，其余模塊保持不變，各模塊電流仍為系統(tǒng)總平均電流I_avg。

    斷路故障發(fā)生后，模塊n的控制電路不再起作用，電流I_n降為0后保持不變。根據(jù)設(shè)定，此時(shí)n-1、n-2模塊電流為I_avg，則由式(1)可知，模塊n-1的平均電流誤差信號ε_n-1將為正值，因此通過調(diào)節(jié)器C_Δn-1(s)(一般為P或PI調(diào)節(jié)器)后得到的基準(zhǔn)電壓校正信號V_sn-1也為正值，從而基準(zhǔn)電壓校正值V_rn-1^′減小，相應(yīng)的占空比信號D_n-1也隨之減小，最終導(dǎo)致模塊n-1電流減小。由此類推，模塊n+1，n±2…電流也將減小，最終將會(huì)達(dá)到以下情況：模塊n電流最小(為0)，其余模塊的電流以模塊n為界向兩側(cè)遞增。

    取一個(gè)六相并聯(lián)DC/DC變換器進(jìn)行分析。假設(shè)在t時(shí)刻之前，該并聯(lián)變換器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)均流且穩(wěn)定運(yùn)行，在t時(shí)刻該并聯(lián)系統(tǒng)中的模塊4發(fā)生斷路故障，故障前后的各相電流波形如圖2所示。圖中點(diǎn)畫線表示的是故障前已經(jīng)均流的各相電流波形，其值為I_avg，實(shí)線表示的是故障后的各相電流波形。由圖可見，模塊4斷路故障后，并聯(lián)系統(tǒng)各模塊的電流將不再自動(dòng)均流，而是以模塊4為界，向該模塊兩側(cè)遞增，且兩側(cè)模塊電流相對模塊4對稱。

    結(jié)合圖2和上述分析可以看出，斷路故障將對并聯(lián)系統(tǒng)造成較大影響。一方面故障發(fā)生后各相電流變化很大，并聯(lián)系統(tǒng)失去自動(dòng)均流功能：有些模塊的電流變得很小，有些模塊的電流則變得較大，甚至超過故障前系統(tǒng)總平均電流，這將導(dǎo)致這些模塊中的元器件損壞幾率上升。

    另一方面并聯(lián)系統(tǒng)的總電流將減小，達(dá)不到負(fù)載電流要求。因?yàn)楣收夏Kn的控制電路信號線與系統(tǒng)其余模塊相連，如果僅將模塊n的主電路從并聯(lián)系統(tǒng)中切除，系統(tǒng)其余模塊仍會(huì)受到模塊n的影響。

    為防止故障對系統(tǒng)其余模塊造成影響，保證系統(tǒng)能在故障發(fā)生后繼續(xù)穩(wěn)定工作，不僅需要在模塊n發(fā)生故障后將該模塊的主電路從并聯(lián)系統(tǒng)中切除，還需要將該模塊的控制電路從并聯(lián)系統(tǒng)中切除，亦即將模塊n控制電路的信號傳輸線切除。但直接切除信號傳輸線將導(dǎo)致并聯(lián)系統(tǒng)分為兩個(gè)獨(dú)立部分，且兩部分都不能自動(dòng)均流。針對這種情況，本文提出了一種方案：對模塊n均流單元的信號傳輸線進(jìn)行“重構(gòu)”，從而變相地將該均流單元切除。

    將圖1中控制電路的均流誤差信號產(chǎn)生部分轉(zhuǎn)化為圖3(a)所示形式，下面稱其為“均流單元”。圖3(a)中，實(shí)線是該環(huán)節(jié)向外部傳輸信號的信號輸出線，虛線是向該環(huán)節(jié)內(nèi)部傳輸信號的信號輸入線。

    均流單元進(jìn)行信號傳輸線“重構(gòu)”之后的連接方式如圖3(b)所示。由圖可以看出，“重構(gòu)”后均流單元的信號輸出線3、4不再傳輸模塊n的電流信號In，不再與本模塊電流信號線1相連，而是分別與傳輸相鄰兩模塊電流信號的信號輸入線6、5相連：模塊n-1的電流信號I_n-1將通過信號線5和4傳輸?shù)侥Kn+1的均流單元，模塊n+1的電流信號I_n+1傳輸方式相同。“重構(gòu)”后，模塊n均流單元中的模塊電流信號線1和均流誤差信號線2不再傳輸信號，均流單元不再對模塊n控制電路產(chǎn)生影響。

    因此，通過信號傳輸線的“重構(gòu)”，就可以“繞過”模塊n的均流單元，將其從原并聯(lián)系統(tǒng)的均流單元的菊花鏈結(jié)構(gòu)中切除，同時(shí)將剩余模塊的均流單元重新組合成一個(gè)新的、完整的菊花鏈結(jié)構(gòu)。對模塊n的均流單元“重構(gòu)”后，該模塊的故障不再對并聯(lián)系統(tǒng)剩余模塊的均流造成影響。此時(shí)若模塊n主電路已經(jīng)切除，剩余模塊可以組合成一個(gè)新的并聯(lián)直流電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后各模塊能夠自動(dòng)均流，且因?yàn)榇藭r(shí)只有n-1個(gè)模塊向負(fù)載供電，為達(dá)到負(fù)載電壓要求，各模塊電流較故障前略有增大。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    為了驗(yàn)證本文研究的基于均流誤差信號的自動(dòng)均流技術(shù)以及提出的故障模塊排除方案的可行性，進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)。以BUCK變換器作為并聯(lián)直流電源系統(tǒng)中各模塊主電路拓?fù)洌齻€(gè)相同模塊并聯(lián)后給負(fù)載供電，各模塊之間除了輸出端通過負(fù)載連接在一起外，相鄰兩個(gè)模塊間還有兩條信號線相連。該仿真和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢詳U(kuò)展到多相，這里僅驗(yàn)證原理所以取三相并聯(lián)。

    仿真和實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

3.1 仿真驗(yàn)證

    在Saber中搭建了采用基于均流誤差信號的自動(dòng)均流技術(shù)的三相并聯(lián)DC/DC變換器的仿真模型，仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

    圖4(a)顯示的是未均流時(shí)并聯(lián)系統(tǒng)三模塊的電流波形，其中模塊1為實(shí)線，模塊2為虛線，模塊3為點(diǎn)劃線，后續(xù)各圖亦然。由圖可見，此時(shí)三相電流并不相等，模塊2電流明顯大于其余模塊。

    圖4(b)顯示的是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)均流后三模塊的電流波形圖。由圖可以看出，此時(shí)三個(gè)模塊電流波形重合，這表明并聯(lián)系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了三模塊自動(dòng)均流。

    圖5(a)顯示的是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)均流后于某一時(shí)刻發(fā)生模塊2斷路故障的電流波形圖。如圖所示，模塊2發(fā)生斷路故障后，兩側(cè)的模塊1和3電流上升且保持相等為4 A，并聯(lián)系統(tǒng)輸出總電流下降為8 A，導(dǎo)致輸出電壓下降，而這與上一節(jié)分析一致。

    圖5(b)顯示的是模塊2故障后于某一時(shí)刻進(jìn)行均流環(huán)節(jié)線路“重構(gòu)”的電流波形圖。由圖可見，在線路“重構(gòu)”后，模塊1和3電流上升至5 A，并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓重新上升到3 V，模塊2不再對系統(tǒng)造成影響。這表明“重構(gòu)”方法能夠排除模塊斷路故障。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    為了驗(yàn)證上述分析，搭建了采用新型自動(dòng)均流技術(shù)的三相并聯(lián)DC/DC變換器實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試，得到圖6所示實(shí)驗(yàn)波形，這些實(shí)驗(yàn)波形與仿真波形一一對應(yīng)。

    從圖中可以看出：(1)采用新型自動(dòng)均流技術(shù)的三相并聯(lián)DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)了均流，各模塊電流波形基本重合；(2)均流單元的“重構(gòu)”方案實(shí)現(xiàn)了模塊2斷路故障后的排除，“重構(gòu)”后輸出電壓回升至額定值，1、3模塊電流平分負(fù)載電流；(3)實(shí)驗(yàn)波形整體穩(wěn)定，僅在模塊2故障發(fā)生時(shí)有波動(dòng)，這是模塊2附加的斷路故障產(chǎn)生電路引起的，不影響結(jié)果分析。

4 結(jié)論

    通過理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，本文研究的應(yīng)用于并聯(lián)DC/DC變換器的新型自動(dòng)均流技術(shù)方便可行，可以較好地實(shí)現(xiàn)多相并聯(lián)系統(tǒng)的均流；提出的均流單元“重構(gòu)”方法切實(shí)有效，在并聯(lián)系統(tǒng)某一模塊發(fā)生故障后可以快速將故障模塊切除，同時(shí)將剩余模塊重新組合為一個(gè)新的并聯(lián)DC/DC變換器，繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)均流。

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