0 引言

    隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,，以及大量電子設(shè)備的廣泛應(yīng)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(dǎo)體開關(guān)器件水平的限制,，單臺大容量直流電源技術(shù)尚不成熟，其設(shè)計與實現(xiàn)都非常困難,，因而DC/DC變換器的并聯(lián)技術(shù)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(guān)紋波小等優(yōu)點,，并聯(lián)DC/DC變換器常應(yīng)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(dǎo)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(yīng)力和熱應(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(yán)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(dāng)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(shù)原理

    基于均流誤差信號的自動均流技術(shù)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(guān)管導(dǎo)通關(guān)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(zhǔn)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?zhǔn)電壓設(shè)定值V_rn與基準(zhǔn)電壓校正信號V_sn作差，得到校正后的電壓基準(zhǔn)V_rn^′,。然后以V_rn^′為電壓環(huán)電壓基準(zhǔn)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(guān)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(shù)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(shù)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(dǎo)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(shù)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(dǎo)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(shè)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(shè)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(zhǔn)電壓校正信號V_sn-1也為正值,，從而基準(zhǔn)電壓校正值V_rn-1^′減小，相應(yīng)的占空比信號D_n-1也隨之減小,，最終導(dǎo)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(cè)遞增,。

    取一個六相并聯(lián)DC/DC變換器進行分析,。假設(shè)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(cè)遞增,，且兩側(cè)模塊電流相對模塊4對稱。

    結(jié)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(dǎo)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(dǎo)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(gòu)”,，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(gòu)”之后的連接方式如圖3(b)所示。由圖可以看出,，“重構(gòu)”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?gòu)”后，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(gòu)”，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),。對模塊n的均流單元“重構(gòu)”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(shù)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?zāi)Ｐ涂梢詳U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(shù)的三相并聯(lián)DC/DC變換器的仿真模型,，仿真結(jié)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(cè)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(dǎo)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(gòu)”的電流波形圖,。由圖可見，在線路“重構(gòu)”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(gòu)”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(shù)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(yīng),。

    從圖中可以看出：(1)采用新型自動均流技術(shù)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(gòu)”方案實現(xiàn)了模塊2斷路故障后的排除,，“重構(gòu)”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(jié)果分析,。

4 結(jié)論

    通過理論分析及實驗驗證可知，本文研究的應(yīng)用于并聯(lián)DC/DC變換器的新型自動均流技術(shù)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(gòu)”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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