0 引言

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

    由于具有負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紋波小等優(yōu)點，并聯(lián)DC/DC變換器常應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。這將導致并聯(lián)系統(tǒng)帶載運行時，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力和熱應力，損壞幾率上升。為了防止一相或多相電源模塊運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載電流均流控制。

    文獻[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，這導致并聯(lián)直流電源系統(tǒng)無法實現(xiàn)冗余^[3-5]。

    最大電流和平均電流自動均流法是目前應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，整個系統(tǒng)就容易崩潰。

    文獻[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，整個并聯(lián)系統(tǒng)仍會受到影響，嚴重時系統(tǒng)將癱瘓。

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

1 基于均流誤差信號的自動均流技術原理

    基于均流誤差信號的自動均流技術原理如圖1所示，圖中顯示了一個并聯(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為主進行分析)。每個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撲表示，由占空比信號D_n控制開關管導通關斷，產(chǎn)生電流I_n輸送給負載。

    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表達式：

    然后將該誤差信號送入調(diào)節(jié)器C_Δn(s)中得到基準電壓校正信號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?；鶞孰妷涸O定值V_rn與基準電壓校正信號V_sn作差，得到校正后的電壓基準V_rn^′。然后以V_rn^′為電壓環(huán)電壓基準進行閉環(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，各相電流會趨向于整個系統(tǒng)的平均電流值，達到最終均流的目的。

    與常用均流方法相比，基于均流誤差信號的自動均流技術避免了與并聯(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，排除了因為這些器件故障而導致整個系統(tǒng)癱瘓的危險；同時可以按照菊花鏈排列形式將并聯(lián)系統(tǒng)擴展到任意相，實現(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均流技術的并聯(lián)直流電源系統(tǒng)可以實現(xiàn)均流，同時具有良好的冗余性、可擴展性。但是并聯(lián)系統(tǒng)對模塊故障的容錯能力并不突出，一旦某一模塊發(fā)生故障將導致整個系統(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行分析。設定：(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)設定，此時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)后得到的基準電壓校正信號V_sn-1也為正值，從而基準電壓校正值V_rn-1^′減小，相應的占空比信號D_n-1也隨之減小，最終導致模塊n-1電流減小。由此類推，模塊n+1，n±2…電流也將減小，最終將會達到以下情況：模塊n電流最小(為0)，其余模塊的電流以模塊n為界向兩側遞增。

    取一個六相并聯(lián)DC/DC變換器進行分析。假設在t時刻之前，該并聯(lián)變換器已經(jīng)實現(xiàn)均流且穩(wěn)定運行，在t時刻該并聯(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均流，而是以模塊4為界，向該模塊兩側遞增，且兩側模塊電流相對模塊4對稱。

    結合圖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，達不到負載電流要求。因為故障模塊n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致并聯(lián)系統(tǒng)分為兩個獨立部分，且兩部分都不能自動均流。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行“重構”，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。

    均流單元進行信號傳輸線“重構”之后的連接方式如圖3(b)所示。由圖可以看出，“重構”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?！爸貥嫛焙?，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”，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構中切除，同時將剩余模塊的均流單元重新組合成一個新的、完整的菊花鏈結構。對模塊n的均流單元“重構”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。此時若模塊n主電路已經(jīng)切除，剩余模塊可以組合成一個新的并聯(lián)直流電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)穩(wěn)定運行后各模塊能夠自動均流，且因為此時只有n-1個模塊向負載供電，為達到負載電壓要求，各模塊電流較故障前略有增大。

3 仿真與實驗驗證

    為了驗證本文研究的基于均流誤差信號的自動均流技術以及提出的故障模塊排除方案的可行性，進行了仿真和實驗。以BUCK變換器作為并聯(lián)直流電源系統(tǒng)中各模塊主電路拓撲，三個相同模塊并聯(lián)后給負載供電，各模塊之間除了輸出端通過負載連接在一起外，相鄰兩個模塊間還有兩條信號線相連。該仿真和實驗模型可以擴展到多相，這里僅驗證原理所以取三相并聯(lián)。

    仿真和實驗條件如表1所示。

3.1 仿真驗證

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

    圖4(a)顯示的是未均流時并聯(lián)系統(tǒng)三模塊的電流波形，其中模塊1為實線，模塊2為虛線，模塊3為點劃線，后續(xù)各圖亦然。由圖可見，此時三相電流并不相等，模塊2電流明顯大于其余模塊。

    圖4(b)顯示的是系統(tǒng)實現(xiàn)均流后三模塊的電流波形圖。由圖可以看出，此時三個模塊電流波形重合，這表明并聯(lián)系統(tǒng)成功實現(xiàn)了三模塊自動均流。

    圖5(a)顯示的是系統(tǒng)實現(xiàn)均流后于某一時刻發(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故障后于某一時刻進行均流環(huán)節(jié)線路“重構”的電流波形圖。由圖可見，在線路“重構”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”方法能夠排除模塊斷路故障。

3.2 實驗驗證

    為了驗證上述分析，搭建了采用新型自動均流技術的三相并聯(lián)DC/DC變換器實驗平臺，進行實驗調(diào)試，得到圖6所示實驗波形，這些實驗波形與仿真波形一一對應。

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

4 結論

    通過理論分析及實驗驗證可知，本文研究的應用于并聯(lián)DC/DC變換器的新型自動均流技術方便可行，可以較好地實現(xiàn)多相并聯(lián)系統(tǒng)的均流；提出的均流單元“重構”方法切實有效，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，同時將剩余模塊重新組合為一個新的并聯(lián)DC/DC變換器，繼續(xù)穩(wěn)定運行并實現(xiàn)均流。

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