Droop法均流開關(guān)電源變換技術(shù)(圖)-電源網(wǎng)

1、Droop法均流開關(guān)電源變換技術(shù)（圖）作者：航天科技集團(tuán)五院五一O所 劉克承 王衛(wèi)國 郭祖佑 日期：2006-1-1對Droop法均流變換技術(shù)做了理論分析，建立了并聯(lián)供電的熱備份開關(guān)變換器的 電路模型，進(jìn)行了電路分析并給出了驗(yàn)證結(jié)果 引言航天用電源系統(tǒng)的發(fā)展方向之一是用分布式電源系統(tǒng)代替集中式電源系統(tǒng)，其好處是使供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡化，提高系統(tǒng)的整體可靠性。在分布式供配電系統(tǒng)中應(yīng) 用的DC/DC變換器為了進(jìn)一步提高自身可靠性， 一般采用并聯(lián)備份方式，形成可 靠性并聯(lián)系統(tǒng)。國內(nèi)目前星上應(yīng)用的DC/DC變換器常用的并聯(lián)備份方式為冷備份方式（主份承擔(dān) 全部輸出功率，主份出現(xiàn)故障，需遙控指令進(jìn)行主備份切換

2、）、溫備份方式（主份 承擔(dān)全部輸出功率，主份出現(xiàn)故障，備份自動(dòng)輸出工作 ）。國外有資料表明，電子元器件在工作溫度超過50C時(shí)的壽命是常溫25C時(shí)的1/6，或者說電子元器件的失效率隨溫度升高大大增加。 為了更進(jìn)一步提高DC/DC 變換器工作壽命和可靠性，主要影響DC/DC變換器壽命的功率器件要合理設(shè)計(jì)使 用工作應(yīng)力，在并聯(lián)供電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)熱備份方式（主備份同時(shí)工作，各承擔(dān)部分 輸出功率）。本文主要通過對Droop法DC/DC變換器并聯(lián)均流技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)了一種基于反 激式電路拓?fù)涞膬蓚€(gè)DC/DC變換器并聯(lián)輸出的均流變換器。單端反激電路的電路拓?fù)浼肮ぷ髟?電路拓?fù)鋱D1反激式變換器所示。變壓器原邊繞

3、組其實(shí)是充當(dāng)一個(gè)儲能電感的作用，后文將敘述到初級電感量 的設(shè)計(jì)將影響到反激式變換器的工作模式。電路工作的第一階段是能量存儲階段，此時(shí)開關(guān)管Tr導(dǎo)通，原邊繞組電流Ip的線性變化遵循式（1）。（1）.：；廠:' i /./'電路工作的第二階段是能量傳送階段，此時(shí)開關(guān)管Tr關(guān)斷，原邊電流為零，副邊整流二極管D導(dǎo)通，出現(xiàn)感生電流。并且按照功率恒定原則，副邊繞組安匝值與原邊 安匝值相等。副邊繞組電流Is遵循式（2）。（2）其中為副邊繞組電壓，為變壓器副邊的等效電感。*電路工作模式（1）工作模式改變的條件如圖1所示的變換器，設(shè)開關(guān)管導(dǎo)通占空比為D1，二極管導(dǎo)通占空比為D2，工作周期為Ts,

4、按穩(wěn)態(tài)電感電流增量相等原則有：VsVq（3）' ''''1 連續(xù)模式時(shí)，D1期間（開關(guān)管導(dǎo)通，二極管截止）存儲在L上的能量在D2期間（開關(guān) 管截止，二極管導(dǎo)通）沒有完全放完，故有：不連續(xù)模式時(shí)，D1期間（開關(guān)管導(dǎo)通，二極管截止）存儲在L上的能量在小于 D2期 間（開關(guān)管截止，二極管導(dǎo)通）已完全放完，故有：從而可以推導(dǎo)臨界連續(xù)的條件是：D1+D2=1且每周期開始時(shí)的 IP=O故有：其中，Lc為臨界連續(xù)的電感值。 代入式有：利用狀態(tài)空間平均法可以建立CCM模式下的反激變換器的小信號模型，如圖2所示。圖2 CCM模式下的反激變換器的小信號模型A從中可以導(dǎo)出開環(huán)

5、輸出阻抗為:(8)其中A A d = Vs= 0li蘭十 LeCF由式(8)可以看出，對設(shè)計(jì)好的Buck-Boost變換器，其輸出阻抗僅為開關(guān)管導(dǎo)通比的 函數(shù)。通過PWM控制開關(guān)管的導(dǎo)通占空比 D，就可以控制變換器的開環(huán)輸出阻抗。Droop法均流原理分布式電源系統(tǒng)并聯(lián)使用的好處是可以實(shí)現(xiàn)電源模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性。但同時(shí)要求并聯(lián)的電源之間采取均流(Curre nt-shari ng) 措施，以保證并聯(lián)電源模塊之間的電流應(yīng)力和熱應(yīng)力均勻分 配。Droop法又叫改變輸出內(nèi)阻法、斜率控制法、電壓下垂法、外特性下垂法、輸出 特性斜率控制法，線路簡單，易于實(shí)現(xiàn)；均流精

6、度不高，適用于電壓調(diào)整率要求 不高的并聯(lián)系統(tǒng)。RVo圖3開關(guān)電源電路模型如圖3所示的單個(gè)開關(guān)電源，它的輸出特性曲線如圖4所示，其輸出電壓Vo與負(fù)載電流Io的關(guān)系為：(9)vo = %施-R*IIDC-DC1VcRL圖5兩臺開關(guān)電源并聯(lián)的電路模型當(dāng)兩臺開關(guān)電源按圖5并聯(lián)時(shí)，每個(gè)開關(guān)電源的負(fù)載電流為:(10)7十兒g川”化(11)亠一：加；*其中 飛二口沆二筍.總圖6并聯(lián)后開關(guān)電源的外特性斜率從圖6顯見，外特性斜率小(即輸出阻抗小)的電源，分配電流的增長量比外特性 斜率大的電源增長量大。Droop法實(shí)現(xiàn)均流的主要手段就是利用電流反饋調(diào)節(jié)每個(gè)變換器的外特性斜率， 使并聯(lián)變換器的輸出阻抗接近一致，從而

7、達(dá)到輸出均流。由前文所述，反激電路的輸出阻抗為開關(guān)管導(dǎo)通占空比的函數(shù)，因此用反激電路實(shí)現(xiàn)Droop法均流的途徑，應(yīng)該通過電流檢測信號控制開關(guān)管導(dǎo)通占空比來實(shí) 現(xiàn)，或者說電流檢測信號要參與 PWM控制。本文用Droop法設(shè)計(jì)了兩個(gè)12V輸出的并聯(lián)DC/DC變換器，結(jié)構(gòu)如圖7所示，技 術(shù)指標(biāo)要求如下。圖7 Droop法均流DC-DC設(shè)計(jì)原理框圖輸入電壓：17V32VDC輸出電壓：12VDC輸出最大功率：30W工作頻率：200kHz=電壓調(diào)整率：小于土 3%負(fù)載調(diào)整率：小于土 3%效率：大于70%紋波：于70mV設(shè)計(jì)結(jié)果負(fù)載調(diào)整率本文研究的反激式變換器的輸出方式是離線式設(shè)計(jì)，而且電壓采樣信號沒有從輸

8、 出端直接采樣，而是采用了磁隔離采樣技術(shù)。這種設(shè)計(jì)可以不借助啟動(dòng)隔離電 路 和隔離驅(qū)動(dòng)電路而實(shí)現(xiàn)離線式輸出， 線路簡單，但帶來的缺點(diǎn)是負(fù)載調(diào)整率做不 到很高。理論上很難把負(fù)載調(diào)整率做到土 5%有關(guān)文獻(xiàn)介紹這種 設(shè)計(jì)（輸出12V, 電流從0.10.3A變化）可以實(shí)現(xiàn)的負(fù)載調(diào)整率土 3%本設(shè)計(jì)經(jīng)過一些有效的措 施，使得負(fù)載調(diào)整率在負(fù)載電流從 0.11.3A變化時(shí)達(dá)到土 3%1. 變壓器耦合由于電壓采樣信號是通過變壓器電壓采樣信號繞組耦合輸出電壓變化信號得到的， 故信號耦合的好壞直接影響到輸出電壓負(fù)載調(diào)整率的好壞。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，得到兩 點(diǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)：1.變壓器的繞制采用 三明治”式繞法，即初級繞組先繞

9、一半，再繞次級繞組， 繞后再將初級繞組剩余的匝數(shù)繞完，將次級繞組包裹在里面， 這樣漏感最小,見圖8所示。廉邊 軸出/電壓釆樣 原邊原邊出/電壓熹梓 原邊圖8變壓器的繞制方法2. 輸出繞組和電壓采樣繞組并繞以實(shí)現(xiàn)最佳耦合效果。2. 工作模式經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電路工作模式的不同對負(fù)載調(diào)整率影響也很大。當(dāng)電路設(shè)計(jì)原邊電 感較大，工作于連續(xù)模式 （CCM）時(shí)，使得負(fù)載變化引起的電流信號（峰值電感電流）波形斜率比較平（變化率?。绊戄敵鲭妷贺?fù)載調(diào)整率；而電路工作于不連續(xù)模式 （DCM）時(shí)，又影響效率。所以經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，電路設(shè)計(jì)原邊電感適中（變壓器初級匝數(shù)調(diào)整為6匝），電路工作于臨界連續(xù)模式，結(jié)果對輸出電壓

10、負(fù)載調(diào)整率有一定改善。3. 電壓采樣信號試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，減小電壓取樣繞組的輸出阻抗等效于對電壓采樣信號有一定的放大 效果，可以一定程度地改善輸出電壓負(fù)載調(diào)整率，如圖9所示。圖9減小電壓取樣繞組的輸出阻抗可改善輸出電壓負(fù)載調(diào)整率結(jié)論 根據(jù)本文的有關(guān)研究和討論，以及結(jié)合設(shè)計(jì)中遇到的實(shí)際問題的解決， 所設(shè)計(jì)的單端反激熱備份均流開關(guān)電源性能比較好，各項(xiàng)輸出參數(shù)見表1 0電路我測位電壓網(wǎng)整率小千士 310. 5SM小于止3*± 2. 3«大于6巧紋液小千TDirT35叭兩個(gè)并聯(lián)DC-DC變換器的均流結(jié)果見圖10均洼曲繪-DCDCL轎出絕源宀<鷹應(yīng)田fiDa6Q圖10兩個(gè)并聯(lián)DC-

11、DC變換器的均流結(jié)果從結(jié)果來看,由于DC/DC1的輸出阻抗小于DC/DC2的輸出阻抗，穩(wěn)態(tài)調(diào)整的結(jié)果 DC/DC的輸出電流始終大于DC/DC2的輸出電流，輸出電流的不平衡度為12.78% 左右?？梢酝ㄟ^串聯(lián)電阻調(diào)節(jié)DC/DC1的輸出阻抗,能進(jìn)一步降低不平衡度，但這樣一來 輸出效率下降，二來導(dǎo)致輸出負(fù)載調(diào)整率增大。從設(shè)計(jì)結(jié)果看，基本實(shí)現(xiàn)了熱備份DC/DC俞出，整體效率和各項(xiàng)指標(biāo)比較好地達(dá) 到了設(shè)計(jì)要求。參考文獻(xiàn)1. 張占松，蔡宣三著開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)電子工業(yè)出版社.2004.92. 周志敏，周紀(jì)海著.開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用.人民郵電出版社.2003.83. Marty Brown著，徐德鴻，沈旭，楊成林，周鄧燕譯.開關(guān)電源設(shè)計(jì)指南.