带自动均流的DC/DC变换器并联模块的研究

摘　要: 本文分析和比较了几种DC/DC 电源模块并联均流技术, 介绍了TI公司（UC3907为Unitrode公司的产品，但该公司已被TI公司收购，所以下文统称TI公司）生产的UC3907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。并通过在UC3907的14脚和6脚之间接一电阻, 从而解决了电源模块并联运行时主控与辅控交替的现象, 有效控制了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

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TI公司生产的电流控制型PWM集成控制芯片UC3846, 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UC3907 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, 常用的均流方法有: 下垂法、主从设置法(Master-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。

1. 2　UC3907的控制功能介绍
TI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(CURRENTBUS) 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。

UC3907的内部结构如图1所示。可分为电压环与电流环(包括均流控制) 两部分。其中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。

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10 kΩ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2.5mV, 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EE85B磁芯, 原边绕组为12匝, 副边两个绕组均为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C₈。UC3846用作调制器, 其开关频率为: f_s=2. 2/(R_tC_t) , 电流互感器H₁用以监测初级线圈中的电流。

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UC3846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D₉、D₁₀有助于T₁～T₄的关断。

图3　IGBT 驱动电路

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。控制器的传递函数近似为一个惯性环节, 即

式中　K ——由38 V 输出及2.5V给定确定
T ——调节器的开关频率确定

L 、C滤波电路及负载的传递函数为

其中, K₁= a₀= R_LOAD; a₁= L₁; a₂=R_LOADC₇L₁。

UC3846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UC3846的6脚与7脚间接一个电容C₁₁, 输出波形明显改善。此时调节器的传递函数可表示为

其中, b = C12R 16; a4 = C11C12R 16; a3 = C11 + C12。

调节器系统结构框图, 如图4 所示。


图4　调节器系统结构框图

2. 3　UC3907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。

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：

其中, V_e为误差放大器的输出。其小信号增益为：

　　

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1mA。假设驱动放大器的输出电压为2.5 V, 可计算出R_set > 6.25kΩ, 实际选择R_set = 10 kΩ , R₂₂是一个4.7 kΩ电阻和一个10 kΩ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0.22μF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100mV, 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。如此循环下去, 造成该模块在主控、辅控状态交替变化, 并使输出电压发生波动。为了克服这种现象, 可以减小100mV基准电压的提高, 因此在14脚和6脚之间的电容上再并上一个电阻, 如图2中的R₂₀。该电阻起到分压作用, 能够减小基准电压的提高。如果电阻选取适当, 既能保证电源模块并联运行时的均流精度, 又不会使其发生主控、辅控交替现象。

3　实验与结论
用两个电源模块作并联实验, 实验数据见表1所列。由表1知, 它的负载均流精度(负载不平衡度)控制在5%以内。



直流模块并联方案很多, 在实际应用中较多地采用了最大电流自动均流法。UC3907以其使用方便、均流效果好等特点得到广泛应用。实验表明, 本文介绍的PWM控制芯片UC3846和均流控制芯片UC3907构成的离线式开关稳压电源并联均流系统, 具有较好的均流控制特性。