引言
多個(gè)開關(guān)電源模塊并聯(lián)是解決大功率供電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，它的優(yōu)點(diǎn)是,，可以靈活組合成各種功率等級(jí)的供電系統(tǒng),、提高了系統(tǒng)的可靠性、通過N＋1冗余獲得容錯(cuò)冗余功率,、可以實(shí)現(xiàn)熱更換,、便于維修等。
原來應(yīng)用于開關(guān)電源中的整流器二極管,，由于效率較低,，大部分已經(jīng)被MOSFET代替。這樣,，在采用高效率MOSFET的同時(shí),，也產(chǎn)生了一些問題。
在同步整流器中的MOSFET相當(dāng)于一個(gè)雙向開關(guān),，它不僅可以通過正向的電流,，也允許反向電流通過。
在同步整流器中,，控制MOSFET的電路與MOSFET導(dǎo)通電路形成了交叉連接（cross-coupled）,。這樣一種電路的拓?fù)渑c晶體管多諧振蕩器很相似,，也就是說,，這種電路本身就可以形成振蕩。
所以,，模塊并聯(lián)運(yùn)行時(shí),，由于各個(gè)模塊輸出電壓之間的差異，會(huì)導(dǎo)致輸出電壓高的模塊與輸出電壓低的模塊之間產(chǎn)生環(huán)流,，形成振蕩,。這樣，輸出電壓低的模塊不僅不對(duì)外提供電流,，還吸收輸出電壓高的模塊的電流,；輸出電壓高的模塊不僅要提供負(fù)載電流,，還要提供其它模塊的電流。因此,，輸出電壓高的模塊就會(huì)受到大電流的沖擊,；振蕩會(huì)產(chǎn)生大的電壓沖擊；幾個(gè)模塊之間互相干擾,，輸出電壓高的模塊會(huì)抑制輸出電壓低的模塊,。
本文主要針對(duì)直流開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)，通過對(duì)可能產(chǎn)生環(huán)流的結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析,，闡明了產(chǎn)生環(huán)流和振蕩的原因和過程,，并總結(jié)出幾種有效解決環(huán)流的控制方法。
1 并聯(lián)系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流的分析
圖1為兩個(gè)采用自驅(qū)動(dòng)同步整流的正激DC/DC電源模塊的并聯(lián)系統(tǒng)原理圖,。
直流變換器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的環(huán)流和振蕩控制" onclick="get_larger(this)" src="http://files.chinaaet.com/images/20100914/3a290b6b-ee2a-436a-bf86-0184ee9269ec.jpg" />
圖1模塊1中,，S1是同步整流管，S2是續(xù)流管,，L1是濾波電感,，C2是濾波電容，R是并聯(lián)系統(tǒng)的負(fù)載,。S3是MOSFET開關(guān),，控制變壓器原邊線圈的導(dǎo)通。C1和D4構(gòu)成變壓器原邊線圈的續(xù)流回路,。
由于S1代替了原來的二極管,，使得原本只能單向?qū)ǖ闹罚试S反向電流通過,。在并聯(lián)系統(tǒng)中,，當(dāng)兩個(gè)模塊之間存在差異時(shí)，輸出電壓會(huì)有差值,，這是導(dǎo)致整流回路出現(xiàn)環(huán)流的主要原因,。
兩個(gè)模塊的輸入電壓相同，控制方式都相同,，當(dāng)其中一個(gè)模塊的參考電壓較高時(shí),，這里假設(shè)模塊2的參考電壓較高，就會(huì)導(dǎo)致S7的導(dǎo)通角要大于S3,，使模塊2的輸出電壓較高,。
這時(shí)，從輸出端看,，可以將兩個(gè)模塊分別等效為理想電壓源與電阻串聯(lián)的結(jié)構(gòu),。如圖2所示。
從圖2可以很明顯地看出，當(dāng)Vout2>Vout1時(shí),，極有可能構(gòu)成回路,，產(chǎn)生環(huán)流。
2 產(chǎn)生自激振蕩時(shí)的理論分析
由于環(huán)流現(xiàn)象的存在,，使得如圖1所示的并聯(lián)運(yùn)行的電源系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生自激振蕩現(xiàn)象,。
根據(jù)開關(guān)狀態(tài)不同，可以分為4個(gè)時(shí)段,。
1）狀態(tài)1 S3關(guān)斷,，S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通,。
此時(shí)模塊1的等效電路如圖3所示,。圖中Lm是變壓器的勵(lì)磁電感，Cp是變壓器原邊等效到副邊的電容值,，S1,，S2和S3關(guān)斷時(shí)分別等效成電容CS1，CS2和CS3,，V2是輸出電壓,。
Cp=n2CS3 （1）
式中：n為變壓器變比,。
此時(shí)vS2=0,，加在S1兩端的電壓為
由于S1由導(dǎo)通到關(guān)斷，vS1的初值為零,，可以得到
式中：iL10和iLm0為iL1和iLm的初始值,。
當(dāng)vS1減小到零時(shí)，進(jìn)入狀態(tài)2,。
2）狀態(tài)2 S3關(guān)斷,，S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷,。此時(shí)的等效電路圖如圖4所示,。
此時(shí)有vS1=0。且
由于vS2的初始值為零,，可以得到
式中：
其中：iLm0和iL10為iL1和iLm在第二階段的初始值,；
Ts為單位時(shí)間。
3）狀態(tài)3 S3導(dǎo)通,，S1導(dǎo)通,，S2關(guān)斷,。此時(shí)的等效電路圖如圖5所示,。
V1/n是變壓器副邊繞組的電壓，此時(shí)iL1和iLm都線性增長(zhǎng)。
4）狀態(tài)4 S3關(guān)斷,，S1導(dǎo)通,，S2關(guān)斷。此時(shí)的等效電路圖和狀態(tài)2是相同的,，所有量的時(shí)間函數(shù)表達(dá)式也都相同,，只是初始值不同。
3 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證上述環(huán)流和振蕩現(xiàn)象的分析結(jié)果,，用Pspice對(duì)圖1所示的兩個(gè)自驅(qū)動(dòng)的電源模塊系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,，并制作了實(shí)驗(yàn)?zāi)K。
仿真和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要參數(shù)為：輸入電壓60V,，輸出電壓5V,，開關(guān)頻率為200kHz。并使模塊2單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的輸出電壓略高于模塊1的輸出電壓,。
圖6和圖7分別為仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,。其中V1為模塊1中整流管S1源-漏極之間的電壓；V3為開關(guān)管S3源-漏極之間的電壓,。
仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，由于環(huán)流的存在，使得在并聯(lián)系統(tǒng)中出現(xiàn)了自激振蕩現(xiàn)象,。
4 解決環(huán)流及振蕩問題的幾種措施
并聯(lián)運(yùn)行的電源模塊出現(xiàn)環(huán)流和振蕩后,，會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作。必須采取適當(dāng)?shù)拇胧┍苊猸h(huán)流和振蕩現(xiàn)象的產(chǎn)生,?？梢圆扇∪缦麓胧?/p>
4.1 電阻器法
在產(chǎn)生環(huán)流的回路中加入電阻器,，這相當(dāng)于增加了整個(gè)環(huán)流回路的電阻,，可以減小環(huán)流。但是,，所加入的電阻器在開關(guān)電源的輸出回路中,，必然減小輸出電壓和電流。只有在對(duì)開關(guān)電源的輸出要求不高時(shí),，可以使用本方法,。
4.2 采用檢測(cè)的手段加以控制消除
在各個(gè)開關(guān)電源模塊中加入電流檢測(cè)器，當(dāng)某一模塊的電流發(fā)生非正常變化時(shí),，將檢測(cè)到的信號(hào)送到控制器,，控制器通過控制電路使該模塊恢復(fù)正常工作，防止環(huán)流現(xiàn)象的發(fā)生,。
這種方法可以與均流控制相結(jié)合,，在防止環(huán)流產(chǎn)生的同時(shí),，使電流在各個(gè)模塊之間均勻分配。
4.3 改變整流MOSFET的驅(qū)動(dòng)
4.3.1 改進(jìn)自驅(qū)動(dòng)[5]
圖8所示為一自驅(qū)動(dòng)同步整流模塊,。
電路在多模塊并聯(lián)運(yùn)行時(shí),，當(dāng)某一模塊因某種原因停止輸出電壓時(shí)，由于其它模塊仍在工作,，且該模塊輸出端與其它模塊相聯(lián),，故輸出電壓Vout仍然存在。這時(shí)雖然該模塊不工作,，但是由于結(jié)構(gòu)上的原因,，S1和S2的源極與漏極的電壓為Vds=Vout，柵極與漏極的電壓為Vgs=Vout,，因此S1和S2都導(dǎo)通,，從而將Vout短路，勢(shì)必導(dǎo)致環(huán)流,。
改進(jìn)后的自驅(qū)動(dòng)模塊如圖9所示,。
S5和S6是P溝道MOSFET。當(dāng)模塊正常工作時(shí),，S5和S6只起驅(qū)動(dòng)電壓緩沖作用,，不影響S1和S2的驅(qū)動(dòng)電壓波形。當(dāng)模塊不工作時(shí),，雖然Vout仍然存在,，但由于S5和S6的阻斷，電壓Vout不能加到S1和S2的柵極上,，而且由于電阻R5和R6,，靜電不會(huì)在柵極上積累，此時(shí)S1和S2的管腳電壓為Vds=Vout及Vgs=0,。因此,，S1和S2都不會(huì)導(dǎo)通。這樣便有效地改進(jìn)了自驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),。
4.3.2 將自驅(qū)動(dòng)改為他驅(qū)動(dòng)
整流MOSFET的驅(qū)動(dòng)不用自驅(qū)動(dòng),，而用他驅(qū)動(dòng)。將前面的單整流MOSFET結(jié)構(gòu)按此方法修改后如圖10所示,。整流MOSFET S1的柵極接到PWM控制電路上,，改變了原來的十字交叉（Cross-coupled）結(jié)構(gòu)，避免了環(huán)流和振蕩的產(chǎn)生,。
將有兩個(gè)整流MOSFET的自驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)改為他驅(qū)動(dòng)后如圖11所示,。整流MOSFET S1和S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由PWM控制電路提供，同樣改變了原來的十字交叉結(jié)構(gòu),，有效地避免了環(huán)流和振蕩的產(chǎn)生,。
5 結(jié)語
在分析了直流變換器并聯(lián)系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流和振蕩原因的基礎(chǔ)上,，提出了幾種有效解決問題的方法。