电源模块并联冗余结构的分析

摘要：介绍了将电源模块并联，并构成冗余结构进行供电的好处，讲述了几种传统的并联均流电路，讨论了各种方式下的工作过程及优缺点，并对均流技术的发展做了展望。

关键词：电源模块；并联；冗余；均流

1    概述

    随着电力电子技术的发展，各种电子装置对电源功率的要求越来越高，对电流的要求也越来越大，但受构成电源模块的半导体功率器件，磁性材料等自身性能的影响，单个开关电源模块的输出参数（如电压、电流、功率）往往不能满足要求。若采用多个电源模块并联供电，如图1所示，就不但可以提供所需电流，而且还可以形成N＋m冗余结构，提高了系统的稳定性，可谓一举两得。

图1    多个电源模块并联供电框图

    但是，在电源模块并联运行时，由于各个模块参数的分散性，使其输出的电流不可能完全一样，导致有些模块负荷过重，有些模块过轻。这将使系统的稳定性降低，会给我们的生产和生活带来严重的后果，而且电源模块自身的寿命也会大大缩短。国外有资料表明，电子元器件在工作环境温度超过50℃时的寿命是在常温（25℃）时的1/6。因此，使各并联电源模块的输出电流平均分配，是提高并联电源系统稳定性的一个必须解决的问题。

    本文从均流电路的拓扑结构出发，介绍几种传统的并联均流方案，对于其他均流方案（比如按热应力自动均流法），暂不做讨论。对于文中提到的每一种均流方法，都做了详细的介绍，并结合简单电路图，讲述其工作原理及优缺点[1][2][3][4]。在文章的最后部分，对并联均流的发展做了简单的展望。

2    N＋m冗余结构的好处

    采用N＋m冗余结构运行，可以提高系统稳定性。

    N＋m冗余结构，是指N＋ m个电源模块一起给系统供电。这里N表示正常工作时电源模块的个数，m表示冗余模块个数。m值越大，系统工作可靠性越高，但是系统成本也会相应增加。

    在正常的工作情况下，由N个模块供电。当其中某个或者某些模块发生故障时，它们就退出供电，而由m个模块中的一个或全部顶替，从而保证整个系统工作的持续性及稳定性。

    以某个输出电流为100A的系统为例来说明冗余结构运行的好处，这里只讨论1＋1，2＋1，3＋1三种工作方式，如图2所示。各电源模块的工作情况由K_n的闭合情况决定。

(a)    1＋1

(b)    2＋1

(c)    3＋1

图2    三种冗余结构

    如果采用1＋1冗余结构，即采用两个输出电流为100A的电源模块并联供电。正常情况下只有一个模块工作，当它发生故障，退出工作时，另一个模块开始工作，系统仍然能正常运行。

    如果采用2＋1冗余结构，即采用3个输出电流为50A的电源模块并联供电。正常情况下只有两个模块工作，当其中之一发生故障，退出工作时，另一个模块开始工作，系统仍然能正常运行。

    如果采用3＋1冗余结构，即采用4个输出电流为33A的电源模块并联供电，正常情况下只有3个模块工作，当其中之一发生故障，退出工作时，另一个模块开始工作，系统仍然能正常运行。

    比较上面三种工作方式，采用2＋1这种方式最好，这是因为，1＋1方式中有一半的功率被闲置，而3＋1方式中使用元器件太多，成本过高，经济性不好。

3    几种传统的并联均流方案

3．1    下垂法

    下垂法全称外特性下垂法，也叫做斜率控制法。在并联电源模块系统中，各个电源模块是独立工作的。每个模块根据其外特性以及电压参数值来确定输出电流。在下垂法中，主要是利用电流反馈信号来调节各模块的输出阻抗，也就是调节V_o=f(I_o)的斜率，从而调节输出电流。其工作原理图如图3所示。

图3    下垂法工作原理图

    R_i为任一并联模块输出电流I_o的采样电阻，经电流放大产生电流反馈电压信号V_i，V_f为输出电压反馈，V_r为V_i与V_f的和，V_g为控制基准电压（5V），V_e为误差电压。当某一模块输出电流I_o偏大时，电压与电流反馈合成信号V_r=V_i＋V_f增大，与V_g进行比较后，使V_e减小，V_e反馈回电源模块的控制部分，使该模块的输出电压I_o下降，则I_o减小，即V_o=f(I_o)外特性下调。每个模块各自调整自己的输出电流，就可以实现各模块的并联均流。

    这种方法的优点是简单，不需要外加专门的均流装置，属于开环控制。缺点是调整精度不高，每个模块必须进行个别调整，如果并联的模块功率不同的话，容易出现模块间电流不平衡的现象。

3．2    主从电源法

    主从电源法是将并联的多个电源模块中的一个作为主模块，其他模块跟随主模块工作。具体工作过程是：主模块的工作电流与输出反馈信号进行比较，将差值信号反馈回各电源模块（包括主模块和从模块）的控制电路，从而调节各模块的输出电流大小。

    如图4所示，设模块1为主模块，其输出电流的采样电压为V₁，其他模块输出电流的采样电压为V_n。当某一模块输出电流偏大时，相应的V_n增大，与V₁比较，得到的V_en减小，反馈给该模块的控制电路中，减小其输出电流，从而实现均流。

图4    主从电源法工作原理图

    主从模块法的优点是不须外加专门的控制电路。其缺点是，各个模块间需要有通信联系，连线比较复杂；其最大缺点是，一旦主模块出现故障，则整个电源系统将崩溃，所以，不能用于冗余结构中。

3．3    自动均流法和最大电流法

    自动均流法也叫单线法，其工作原理是，将各电源模块都通过一个电流传感器及一个采样电阻接到一条均流母线上。

    如图5所示，当输出达到均流时，输出电流I₁为零。反之，则电阻R上由于有电流I₁流过，在其两端产生一个电压U_ab，这个电压经过放大器A输出电压U_c，它与基准电压U_r比较后的ΔU，反馈回电源模块的控制部分，从而调节输出电流，最终实现均流。

图5    单线法工作原理图

    自动均流法的优点是，电路简单，容易实现。缺点是，如果有一个模块与均流总线短路，则系统就无法均流，而且单个模块限流也可能引起系统不稳定。

    若将图5中的电阻用一个二极管代替，二极管正端接a，负端接b。这样，N个并联的电源模块中，只有输出电流最大的那个模块的电流才能使与它连接的二极管导通，从而均流总线电压就等于该模块的输出电压，其他模块则以均流总线上的电压为基准，来调节各自的输出电流，从而实现均流。

    如果单纯以二极管来代替采样电阻，则由于二极管本身有正向压降存在，所以，主模块的均流精度会降低，而从模块不受影响。这里可以用图6所示的缓冲器来代替，从而提高均流精度。

图6    缓冲器电路

    采用这种均流方式，参与均流的N个电源模块，以输出电流最大的为基准，这个最大电流模块是随机的，这种均流方法也叫做“民主均流法”。由于最大均流单元工作于主控状态，别的单元工作于被控状态，所以，也把这种方法叫做“自动主从均流法”。

    美国Unitrode公司开发的UC3907系列集成均流控制芯片就是采用这种工作方式。

    UC3907芯片使多个并联在一起的电源模块分别承担总负载电流的一部分，并且所承担的负载电流大小相等。通过监测每个模块的电流，电流均衡母线确定哪个并联模块的输出电流最高，并把它定为主模块，再根据主模块的电流调节其他模块的输出电流，从而实现均流。

3.4    外部控制器法

    外部控制器法就是在各并联电源模块之外，加一个专门进行并联均流控制的外部模块，如图7所示。

图7    外部控制法工作原理图

    每个模块的输出电流采样，转化为电压信号，与给定的电压V_cc进行比较，所得差值输入到各电源模块的控制部分，这样就可以实现各模块输出电流的并联均流。

    这种工作方式，需要外加专门控制器，加大了投资，而且控制器与个电源模块要进行多路连接，连线较复杂，但是均流效果非常好，各模块输出电流基本相等。

4    电源并联均流技术发展的现状及未来展望

    目前使用较多的并联均流技术是主从控制法，而美国Unitrode公司以最大电流法为基础开发出的UC3907系列芯片，由于其简单的结构，强大的功能，而获得了广泛的应用。其详细参数及工作过程，可参阅文献[6]。

    由于单片机及DSP技术的迅速发展，有人用它们来控制并联的电源模块均流，效果很好。不过由于芯片造价较高，而且自身A/D及D/A精度不够，若想得到理想的参数，还须外加专门的A/D及D/A芯片，故还未普及使用。