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開關電源并聯系統的數字均流技術

2019-11-03 09:58:33
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來源：轉載
供稿：網友
吳國忠，潘觀立
浙江大學電氣工程學院，


　　摘 要 ： 分 布 式 電 源 系 統 應 用 中 ， 并 聯 開 關 變 換 器 模 塊 間 需 要 采 用 均 流 措 施 ， 它 是 實 現 大 功 率 電 源 和 冗 余 電 源 的 關 鍵 。 主 要 討 論 了 電 源 模 塊 并 聯 系 統 均 流 控 制 的 數 字 化 問 題 ， 提 出 了 基 于 CAN總 線 的 電 源 模 塊 間 實 時 通 信 方 案 。

　　關鍵詞： 開 關 電 源 ； 均 流 控 制 ； 數 字 化 ； 控 制 器 局 域 網

1 引 言

　　電 源 系 統 的 發 展 方 向 之 一 是 用 分 布 式 電 源 系 統 取 代 集 中 式 電 源 系 統 。 這 是 因 為 分 布 式 電 源 系 統 具 有 更 多 的 優 點 ， 比 如 易 于 擴 充 輸 出 功 率 容 量 、 可 靠 性 高 、 使 電 源 保 持 高 的 效 率 和 較 快 的 動 態 響 應 、 可 以 實 現 標 準 化 設 計 、 便 于 維 護 等 。 但 是 外 特 性 不 同 的 電 源 模 塊 并 聯 工 作 時 ， 如 果 不 采 取 一 定 的 均 流 措 施 ， 每 個 模 塊 的 輸 出 電 流 將 出 現 分 配 不 均 的 情 況 ， 外 特 性 好 的 電 源 模 塊 將 承 擔 更 多 的 電 流 ， 甚 至 過 載 ， 從 而 降 低 了 可 靠 性 ； 分 擔 電 流 小 的 模 塊 可 能 處 在 效 率 不 高 的 工 作 狀 態 。 因 此 必 須 采 取 均 流 措 施 。

　　同 時 分 布 式 電 源 系 統 對 兩 個 技 術 提 出 了 更 高 的 要 求 ：

　　1） 并 聯 模 塊 間 的 自 動 均 流 技 術 ；

　　2） 模 塊 的 智 能 化 技 術 。

　　電 源 模 塊 的 數 字 化 能 夠 提 高 其 可 靠 性 和 產 品 一 致 性 等 工 程 問 題 ， 并 且 有 利 于 實 現 智 能 化 ， 是 應 用 技 術 的 發 展 方 向 。

2 平 均 電 流 法

　　目 前 常 用 的 均 流 方 法 有 ： 輸 出 阻 抗 法 、 主 從 設 置 法 、 平 均 電 流 法 、 最 大 電 流 法 、 熱 應 力 自 動 均 流 法 和 采 用 均 流 控 制 器 的 方 法 等 。 為 了 提 高 電 源 系 統 的 可 靠 性 和 可 維 護 性 ， 采 用 的 均 流 方 法 最 好 有 如 下 特 點 ：

　　1） 單 個 模 塊 的 故 障 不 影 響 整 個 系 統 的 正 常 運 行 ；

　　2） 模 塊 之 間 自 動 實 現 均 流 ， 無 需 人 為 的 調 整 和 設 定 ， 無 需 模 塊 之 外 控 制 器 的 介 入 。

　　考 慮 到 均 流 算 法 和 數 字 化 的 特 點 和 互 補 性 ， 本 系 統 選 用 平 均 電 流 法 。 這 種 方 法 是 將 并 聯 工 作 的 每 個 模 塊 電 流 值 取 平 均 后 ， 將 平 均 電 流 值 送 給 每 個 模 塊 。 各 模 塊 都 以 這 個 平 均 電 流 值 為 目 標 自 動 調 節 自 己 的 輸 出 電 流 ， 從 而 達 到 均 流 的 目 的 。 圖 1畫 出 了 N個 并 聯 模 塊 中 一 個 模 塊 按 平 均 電 流 自 動 均 流 的 控 制 電 路 原 理 圖 。 并 聯 各 模 塊 的 電 流 放 大 器 輸 出 端 ， 通 過 一 個 電 阻 R， 接 到 均 流 母 線 上 。 如 圖 1所 示 ， 電 壓 放 大 器 輸 入 為 是 基 準 電 壓 Vr和 均 流 控 制 電 壓 Vc的 綜 合 ， 它 與 Vf進 行 比 較 放 大 后 ， 產 生 電 壓 誤 差 Ve， 控 制 PWM及 驅 動 器 。 Vi為 電 流 放 大 器 的 輸 出 信 號 ， 和 每 個 模 塊 的 負 載 電 流 成 正 比 ， Vb為 母 線 電 壓 。 當 N=2時 ， 也 就 是 兩 個 模 塊 并 聯 運 行 狀 態 下 ， Vi1和 Vi2分 別 為 模 塊 1和 2的 電 流 信 號 ， 都 經 過 阻 值 為 R的 電 阻 接 到 母 線 b， 母 線 電 流 I值 計 算 如 下 ：

I=(Vi1－ Vb)/R＋ (Vi2－ Vb)/R(1)



　　當 母 線 電 流 I=0時 ， 由 式 (1)得



　　母 線 電 壓 Vb是 Vi1和 Vi2的 平 均 值 。 也 代 表 了 模 塊 1， 2的 輸 出 電 流 平 均 值 。 代 表 均 流 誤 差 的 Vi與 Vb之 差 ， 經 過 調 節 放 大 器 ， 輸 出 調 整 電 壓 Vc， Vc值 可 正 可 負 。 當 Vb=Vi時 ， 電 阻 R上 的 電 壓 為 零 ， 調 整 電 壓 Vc=0， 實 現 了 均 流 。 一 旦 模 塊 間 的 電 流 分 配 不 均 勻 ， Vb≠ Vi， 電 阻 R承 受 電 壓 ， 此 時 =Vr± Vc， 電 路 通 過 調 整 放 大 器 改 變 Vr′ ， 以 達 到 均 流 目 的 。

　　這 種 方 法 能 夠 精 確 地 實 現 均 流 ， 但 是 ， 若 采 用 模 擬 方 法 實 現 時 ， 也 會 有 一 些 特 殊 問 題 ， 比 如 當 均 流 母 線 發 生 短 路 ， 或 接 在 母 線 上 的 任 何 一 個 模 塊 不 能 工 作 時 ， 均 流 母 線 電 壓 下 降 ， 將 促 使 各 模 塊 電 壓 下 調 ， 甚 至 達 到 下 限 ， 造 成 故 障 。 若 采 用 數 字 方 法 實 現 ， 用 通 信 的 方 法 獲 得 所 有 并 聯 模 塊 的 平 均 電 流 值 ， 再 用 這 個 平 均 電 流 值 與 模 塊 電 流 值 比 較 ， 比 較 的 結 果 用 來 補 償 電 壓 基 準 ， 則 可 防 止 上 述 情 況 的 出 現 。 采 用 數 字 方 式 實 現 這 種 方 法 能 夠 揚 長 避 短 ， 具 有 很 大 優 越 性 。3 數 字 均 流 控 制 的 實 現

　　采 用 數 字 方 式 實 現 均 流 控 制 具 有 控 制 方 法 靈 活 的 特 點 ， 很 容 易 做 到 單 個 模 塊 故 障 時 不 影 響 與 其 并 聯 的 其 它 模 塊 的 正 常 運 行 。 而 要 實 現 模 塊 之 間 的 自 動 均 流 ， 則 模 塊 之 間 的 數 據 交 換 是 必 需 的 功 能 。 采 用 數 字 方 式 ， 則 這 種 交 換 數 據 的 簡 單 形 式 一 般 就 是 通 信 。 因 此 ， 模 塊 之 間 的 通 信 技 術 是 實 現 數 字 均 流 的 關 鍵 技 術 。 采 用 何 種 通 信 方 式 、 制 訂 怎 樣 的 通 信 協 議 ， 既 能 夠 實 現 數 據 的 可 靠 和 高 速 交 換 又 能 使 通 信 接 口 簡 單 ， 便 是 數 字 均 流 技 術 首 先 要 研 究 的 內 容 。

　　許 多 單 片 機 （ 包 括 DSP控 制 器 ） 都 有 內 置 通 信 模 塊 。 選 用 這 些 單 片 機 片 內 的 通 信 模 塊 實 現 數 據 通 信 ， 無 論 對 于 增 加 可 靠 性 ， 還 是 簡 化 軟 硬 件 設 計 都 有 很 大 的 幫 助 。 TMS320X241 DSP控 制 器 具 有 較 高 的 A/D轉 換 速 率 、 較 小 的 封 裝 ， 并 且 帶 有 CAN模 塊 。 可 作 為 主 電 路 的 控 制 核 心 。

　　CAN屬 總 線 式 串 行 通 信 網 絡 ， 與 一 般 的 通 信 總 線 相 比 ， CAN總 線 的 數 據 通 信 具 有 突 出 的 可 靠 性 、 實 時 性 和 靈 活 性 。 由 于 CAN具 有 以 上 一 些 特 點 ， 對 于 100ms級 響 應 時 間 的 均 流 控 制 來 說 ， 能 夠 滿 足 其 實 時 通 信 的 要 求 。 通 過 CAN， 我 們 能 夠 實 現 并 聯 工 作 的 各 電 源 模 塊 之 間 的 數 據 通 信 ， 而 且 硬 件 接 口 簡 單 ， 圖 2為 CAN控 制 器 與 物 理 總 線 之 間 的 接 口 電 路 82C250的 功 能 框 圖 。 82C250能 夠 提 供 對 總 線 的 差 動 接 收 和 發 送 功 能 ， 以 實 現 總 線 上 各 節 點 間 的 電 氣 隔 離 ， 最 高 通 信 速 率 達 1Mbps。



4 CAN的 協 議 模 型 和 自 定 義 的 高 層 協 議

　　上 面 的 硬 件 實 現 方 案 中 ， CAN只 采 用 了 OSI參 考 模 型 的 兩 層 協 議 — — 物 理 層 和 數 據 鏈 路 層 ， 它 僅 實 現 了 節 點 間 無 差 錯 的 數 據 傳 輸 。 因 此 ， 其 它 層 的 協 議 需 要 我 們 自 己 定 義 。

　　以 下 是 針 對 開 關 電 源 并 聯 系 統 的 數 字 均 流 控 制 制 訂 的 部 分 高 層 協 議 ：

　　1） 允 許 參 加 并 機 的 模 塊 總 數 不 超 過 8個 ， 每 個 模 塊 擁 有 1個 3位 的 地 址 編 碼 ， 模 塊 的 地 址 編 碼 不 允 許 重 復 。

　　2） 每 個 模 塊 都 以 自 身 的 地 址 碼 作 為 發 送 數 據 的 優 先 級 。

　　3） 模 塊 向 外 發 送 數 據 幀 時 ， 應 包 含 自 身 的 地 址 碼 信 息 。

　　4） 所 有 的 數 據 都 以 廣 播 形 式 向 總 線 發 送 ， 同 時 回 收 自 己 發 送 的 數 據 ， 若 發 現 發 送 和 回 收 的 數 據 不 符 ， 則 立 即 重 發 。

　　5） 對 每 個 模 塊 而 言 ， 上 電 后 1s內 若 未 接 收 到 任 何 通 信 信 息 ， 則 在 1s計 時 結 束 后 ， 延 時 發 送 自 身 的 地 址 碼 及 電 流 采 樣 值 （ 可 能 為 零 ） 。 這 個 延時 發 送 時 間 （ tdelay） 的 計 算 公 式 為

tdelay=T1× MADDR （ 3）

式 中 ： T1為 單 位 延 時 時 間 常 數 ， 該 值 可 以 根據通 信 速 率 合 理 定 義 ；

　　　　 MADDR為 模 塊 自 身 地 址 編 碼 。

　　6） 從 模 塊 上 電 后 第 一 次 接 收 到 通 信 信 息 （ 可 能 為 自 身 發 送 的 信 息 ） 起 ， 每 隔 40ms向 外 發 送 自 身 地 址 碼 和 電 流 采 樣 值 。 如 發 生 沖 突 ， CAN會 根 據 每 個 模 塊 信 息 的 優 先 級 自 動 調 整 發 送 順 序 。 由 于 每 個 模 塊 發 送 信 息 的 優 先 級 都 不 相 同 ， 因 此 它 們 會 自 動 按 一 定 的 次 序 發 送 出 去 。

　　7） 每 個 模 塊 在 自 身 發 送 信 息 10ms之 后 ， 計 算 出 并 聯 工 作 的 模 塊 總 數 ， 并 求 出 所 有 采 樣 電 流 的 平 均 值 ， 通 知 模 塊 的 控 制 環 節 。 由 于 CAN高 速 的 通 信 能 力 和 極 低 的 出 錯 率 ， 10ms之 內 所 有 的 模 塊 都 能 將 電 流 采 樣 值 發 送 出 去 讓 每 個 模 塊 接 收 到 。

　　8） 模 塊 檢 測 到 自 身 出 現 故 障 時 ， 應 及 時 切 斷 輸 出 ， 并 退 出 通 信 。

　　結 合 上 面 制 訂 的 高 層 的 通 信 協 議 和 平 均 電 流 均 流 算 法 ， 模 塊 之 間 傳 輸 數 據 類 型 和 數 量 ， 模 塊 內 部 對 這 些 數 據 的 處 理 方 法 都 可 以 得 到 解 決 。

5 結 語

　　平 均 電 流 法 可 實 現 精 確 的 均 流 控 制 ， 上 述 數 字 均 流 技 術 已 成 功 地 應 用 在 開 關 電 源 并 聯 系 統 中 。 實 踐 表 明 ， 在 滿 足 輸 出 電 壓 要 求 的 同 時 也 達 到 了 很 好 的 均 流 精 度 ， 提 高 了 電 源 系 統 的 可 靠 性 和 容 錯 能 力 。 采 用 數 字 方 法 實 現 均 流 能 夠 避 免 模 塊 發 生 故 障 時 影 響 整 個 系 統 工 作 的 現 象 ， 揚 長 避 短 ， 具 有 很 大 的 優 勢 。

參 考 文 獻

[1] TMS320C24X DSP Controllers[M].TEXAS INSTRUMENTS,1997.

[2] 陽 憲 惠 .現 場 總 線 技 術 及 其 應 用 [M].北 京 ： 清 華 大 學 出 版 社 ，1999.

[3] 張 占 松 ,蔡 宣 三 .開 關 電 源 的 原 理 與 設 計 [M].北 京 ： 電 子 工 業出 版 社 ， 1998.


摘自　北極星電技術網

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