中心議題：
- 分析和比較幾種DC/DC 電源模塊并聯(lián)均流技術(shù)
- 介紹TI公司生產(chǎn)的UC3907芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能
- 設(shè)計(jì)基于UC3846和UC3907的帶自動(dòng)均流的大功率DC/DC 變換器的控制電路
解決方案：
- 并聯(lián)電源模塊間必須采用均流措施
- DC/DC變換器主電路采用半橋式電路拓?fù)?/strong>
- 控制芯片采用TI公司生產(chǎn)的電流控制型PWM集成控制芯片UC3846
- 檢測(cè)每個(gè)模塊輸出電流，精確均流
引 言
電源并聯(lián)運(yùn)行是電源產(chǎn)品模塊化、大容量化的一個(gè)有效方法, 是電源技術(shù)的發(fā)展方向之一, 是實(shí)現(xiàn)組合大功率電源系統(tǒng)的關(guān)鍵。電源并聯(lián)擴(kuò)容的基本要求為: 電源并聯(lián)后, 總電源系統(tǒng)的源電壓效應(yīng)和負(fù)載效應(yīng)要滿足所要求的技術(shù)指標(biāo); 每個(gè)電源模塊的輸出電流應(yīng)相等; 有一個(gè)低帶寬的總線來(lái)連接所有的電源模塊; 具有良好的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性。
因?yàn)殡娫床⒙?lián)在一起, 很難達(dá)到輸出電流分配均勻, 所以并聯(lián)電源模塊間必須采用均流措施。某DC/DC變換器要求: 輸入電壓為385V, 輸出電壓38V, 輸出電流為100A, 必要時(shí)多臺(tái)開關(guān)穩(wěn)壓電源可以直接并聯(lián)使用, 并聯(lián)使用時(shí)的負(fù)載不均衡度小于5%。DC/DC變換器主電路采用半橋式電路拓?fù)?控制芯片采用TI公司生產(chǎn)的電流控制型PWM集成控制芯片UC3846, 在比較幾種均流控制方案的基礎(chǔ)上, 選擇了根據(jù)最大電流自動(dòng)均流法而設(shè)計(jì)的UC3907 均流控制芯片, 實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)運(yùn)行時(shí)均流控制。電源模塊在并聯(lián)時(shí), 取得較好的均流效果。
常用的并聯(lián)均流技術(shù)
a.常用的幾種并聯(lián)均流技術(shù)比較
直流模塊并聯(lián)的方案很多, 常用的均流方法有: 下垂法、主從設(shè)置法(Master-Slaves)、外部控制電路法、平均電流型自動(dòng)均流法及最大電流自動(dòng)均流法。下垂法雖然簡(jiǎn)單易行, 但負(fù)載效應(yīng)指標(biāo)較差, 均流精度太低; 主從設(shè)置法和平均電流型自動(dòng)均流法都無(wú)法實(shí)現(xiàn)冗余技術(shù), 因?yàn)橐坏┲麟娫闯龉收? 則整個(gè)電源系統(tǒng)都不能正常工作, 使電源模塊系統(tǒng)的可靠性得不到保證; 外控法的控制特性雖好, 但需要一個(gè)附加的控制器, 并在控制器和每個(gè)單元電源之間有許多附加連線; 而最大電流自動(dòng)均流法依據(jù)其特有的均流精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好及可以實(shí)現(xiàn)冗余技術(shù)等性能, 越來(lái)越受到開發(fā)人員的青睞。
b.UC3907的控制功能介紹
TI公司根據(jù)最大電流自動(dòng)均流法開發(fā)出均流控制集成芯片UC3907, 該芯片通過(guò)對(duì)各個(gè)電源模塊的輸出電壓進(jìn)行微調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)均流。通過(guò)均流總線(CURRENTBUS) 電路監(jiān)視每一電源模塊的輸出電流, 判斷出并聯(lián)模塊中輸出電流最大者, 標(biāo)為主模塊, 調(diào)整其余模塊, 使其輸出電流與主模塊輸出電流之差在5%以內(nèi)。
UC3907的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。可分為電壓環(huán)與電流環(huán)(包括均流控制) 兩部分。其中電壓環(huán)由電壓放大器、接地放大器和驅(qū)動(dòng)放大器構(gòu)成。電流環(huán)由電流放大器、緩沖放大器、調(diào)節(jié)放大器和狀態(tài)指示構(gòu)成。
圖1 UC3907內(nèi)部結(jié)構(gòu)
電壓環(huán)用以穩(wěn)定輸出電壓, 電流環(huán)由于要抑制噪聲所以是一個(gè)較低帶寬的環(huán)路。芯片的均流部分使用了電流放大器、緩沖放大器和調(diào)節(jié)放大器。電流放大器的輸出, 代表了負(fù)載電流的模擬信號(hào)并送至單向緩沖放大器的輸入端。由于緩沖放大器只提供電流, 所以它可以保證輸出電流最高的模塊成為主模塊, 并能夠以較低的阻抗驅(qū)動(dòng)均流母線, 向其它模塊傳遞信息, 而其它緩沖器在其對(duì)地負(fù)載阻抗達(dá)到10 kΩ時(shí)截止。調(diào)節(jié)放大器將模塊自身的輸出電流與均流母線的信號(hào)相比較, 發(fā)出指令調(diào)節(jié)各單個(gè)模塊的基準(zhǔn)電壓, 以保證電流平均分配。調(diào)節(jié)放大器的反向輸入端有50mV的失調(diào)電壓, 使該單元作為一個(gè)低輸出信號(hào)的主控單元電源, 并產(chǎn)生一個(gè)零調(diào)節(jié)命令。而50mV的失調(diào)電壓代表均流中的誤差信號(hào), 電流放大器通過(guò)電流檢測(cè)電阻可以使誤差減小到2.5mV, 導(dǎo)致所有從電源模塊分流均勻, 主模塊分擔(dān)的電流比從模塊分擔(dān)的高幾個(gè)百分點(diǎn), 該失調(diào)電壓也克服了因低頻噪聲的影響而使主控單元不穩(wěn)定的情況。
一種離線式均流的應(yīng)用
a.主電路及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
電源模塊控制電路如圖2所示。該電路采用IGBT半橋式DC/DC變換器, 高頻變壓器采用國(guó)產(chǎn)鐵氧體EE85B磁芯, 原邊繞組為12匝, 副邊兩個(gè)繞組均為6匝, 開關(guān)頻率為30kHz。為了防止電源在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生偏磁, 在變壓器原方繞組回路中串入隔直電容C8。UC3846用作調(diào)制器, 其開關(guān)頻率為: fs=2. 2/(RtCt) , 電流互感器H1用以監(jiān)測(cè)初級(jí)線圈中的電流。
圖2 電源模塊控制電路
該系統(tǒng)主電路的開關(guān)管使用IGBT, 用脈沖變壓器作驅(qū)動(dòng)。當(dāng)IGBT容量較小時(shí)UC3846的11腳和14腳可以直接驅(qū)動(dòng)變壓器; 當(dāng)IGBT容量較大時(shí), 可以采用圖3所示的驅(qū)動(dòng)電路。該驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 具有負(fù)壓關(guān)斷能力, 且驅(qū)動(dòng)功率大。電路中, 二極管D9、D10有助于T1～T4的關(guān)斷。
圖3 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路
b.調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)由調(diào)節(jié)器、控制器、L及C濾波電路構(gòu)成。控制器的傳遞函數(shù)近似為一個(gè)慣性環(huán)節(jié), 即
式中 K ——由38 V 輸出及2.5V給定確定
T ——調(diào)節(jié)器的開關(guān)頻率確定
L 、C濾波電路及負(fù)載的傳遞函數(shù)為
其中, K1= a0= RLOAD; a1= L1; a2=RLOADC7L1。
UC3846的誤差放大器正向輸入為2.5V, 試驗(yàn)時(shí)采用PI調(diào)節(jié)器, 發(fā)現(xiàn)輸出波形穩(wěn)定性較差。若在UC3846的6腳與7腳間接一個(gè)電容C11, 輸出波形明顯改善。此時(shí)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)可表示為
其中, b = C12R 16; a4 = C11C12R 16; a3 = C11 + C12。
調(diào)節(jié)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖, 如圖4 所示。
圖4 調(diào)節(jié)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
c.UC3907均流環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)
模塊之間為了精確均流, 每個(gè)模塊輸出電流必須被檢測(cè)。對(duì)檢測(cè)電阻的選擇有兩個(gè)因素: 最大功耗和最大壓降。考慮輸出電流較大, 本設(shè)計(jì)采用霍爾傳感器檢測(cè)電流。
驅(qū)動(dòng)放大器將電壓放大器輸出電壓轉(zhuǎn)換成電流誤差信號(hào)并送至光電耦合器, 其計(jì)算電流為：
其中, Ve為誤差放大器的輸出。其小信號(hào)增益為：
為了保證光電耦合工作在近似線性段, 光耦原方電流應(yīng)小于1mA。假設(shè)驅(qū)動(dòng)放大器的輸出電壓為2.5 V, 可計(jì)算出Rset > 6.25kΩ, 實(shí)際選擇Rset = 10 kΩ , R22是一個(gè)4.7 kΩ電阻和一個(gè)10 kΩ的電位器串連, 調(diào)節(jié)該電位器, 可將輸出電壓調(diào)至38V。
UC3907的調(diào)節(jié)放大器, 將模塊自身電流與均流總線的信號(hào)相比較, 當(dāng)調(diào)節(jié)放大器自身的電流小于均分總線電流, 即其為輔控時(shí), 調(diào)節(jié)器使基準(zhǔn)電壓升高100mV。該取值源于調(diào)節(jié)放大器的嵌位輸出與基準(zhǔn)電壓之間的內(nèi)部電阻比率17. 5∶1及基準(zhǔn)電壓相對(duì)虛地端6腳的電壓1.75V。為了克服噪聲, 在14腳和6腳之間接一個(gè)0.22μF的電容, 如圖2中的C17。在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)狀態(tài)指示燈明暗交替變化的現(xiàn)象, 分析原因是當(dāng)電源模塊為輔控時(shí), 由于調(diào)節(jié)器的作用使基準(zhǔn)電壓提高100mV, 將使其輸出電壓增大, 對(duì)應(yīng)輸出電流加大。如果其開始電流與主控模塊的電流差別不大, 該模塊可能變?yōu)橹骺啬K, 但在下一次調(diào)節(jié)后該模塊又變?yōu)檩o控模塊。如此循環(huán)下去, 造成該模塊在主控、輔控狀態(tài)交替變化, 并使輸出電壓發(fā)生波動(dòng)。為了克服這種現(xiàn)象, 可以減小100mV基準(zhǔn)電壓的提高, 因此在14腳和6腳之間的電容上再并上一個(gè)電阻, 如圖2中的R20。該電阻起到分壓作用, 能夠減小基準(zhǔn)電壓的提高。如果電阻選取適當(dāng), 既能保證電源模塊并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的均流精度, 又不會(huì)使其發(fā)生主控、輔控交替現(xiàn)象。
實(shí)驗(yàn)與結(jié)論
用兩個(gè)電源模塊作并聯(lián)實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1所列。由表1知, 它的負(fù)載均流精度(負(fù)載不平衡度)控制在5%以內(nèi)。
直流模塊并聯(lián)方案很多, 在實(shí)際應(yīng)用中較多地采用了最大電流自動(dòng)均流法。UC3907以其使用方便、均流效果好等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)表明, 本文介紹的PWM控制芯片UC3846和均流控制芯片UC3907構(gòu)成的離線式開關(guān)穩(wěn)壓電源并聯(lián)均流系統(tǒng), 具有較好的均流控制特性。
