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毕业论文《直流开关稳压电源均流系统设计》 - 图文

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东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第4页

于输入电压Ui,极性相反,电感传输。

(4)Cuk电路——降压或升压斩波器,其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui,极性相反,电容传输。

(5)直流DC/DC转换器可以分为隔离DCDC转换、非隔离DCDC转换。隔离DCDC转换电路中一般用变压器来实现输入和输出的隔离;非隔离式一般通过二极管来防止输出部分的电压电流倒流入输入端。

以下内容主要介绍的直流开关电源中的升压方向(非隔离的Boost类别)。 直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。也就是说,直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的,DC/DC转换器的分类基本上就是直流开关电源的分类。

开关电源和线性电源相比,二者的成本都随着输出功率的增加而增长,但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上,反而高于开关电源,这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术在不断地创新,这一成本反转点日益向低输出电力端移动,这为开关电源提供了广泛的发展空间。

开关电源高频化是其发展的方向,高频化能使开关电源小型化,并使开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化、轻便化。

另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义[8]。 1.5 并联均流技术简介

电源输出参数的扩展,仅仅通过简单的串、并联方式还不能完全保证整个电源系统在扩展后能够稳定、可靠地工作。不论电源模块是扩压还是扩流,都存在一个“均压”、“均流”的问题,而解决方法的不同,对整个电源扩展系统的稳定性、可靠性都有很大的影响。由于目前稳定电源输出扩流应用较多,本处仅讨论开关电源并联均流技术。 1.5.1 均流的概念

一套开关电源系统至少需要两个开关电源模块并联工作,功率大的电源系统甚至需要数十个电源模块并联工作,这就要求并联工作的电源模块能够共同平均

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分担负载电流,即均分负载电流。均分负载电流的作用是使系统中的每个模块都能有效地输出功率,使系统中各模块处于最佳工作状态,以保证电源系统能够稳定、可靠、高效地工作。

负载均分性能一般以负载不平衡度指标来衡量,负载不平衡度越小,其均分性能越好,即各模块实际输出电流值距系统要求值的偏离点和离散性越小。国家有关标准和信息产业部入网要求其均分负载不平衡度不大于输出额定电流值5%。按照《通信用半导体整流设备》标准中描述的不平衡度,计算方法如下:

δ1 =(K1-K)*100% (1.1) δ2 =(K2-K)*100% (1.2) ????

δn =(Kn-K)*100% (1.3) K =∑I/∑Ih (1.4) K1=I1/Ih1 (1.5) K2=I2/Ih2 (1.6) ???

Kn=In/Ihn (1.7)

式子中,δ1,δ2,??,δn代表各整流模块负载不平衡度;I1,I2,???,In代表各整流模块所分担的输出电流值;Ih1,Ih2,??,Ihn代表各整流模块额定输出电流值;∑I代表n台整流模块输出电流总和。 1.5.2 均流的一般原理

并联电源系统中各模块按照外特性曲线分配负载电流,外特性的差异是电流难以均分的根源。正常情况下,各并联模块输出电阻为恒值,输出电流不均衡主要是由于各模块输出电压不相等引起。均流的实质是通过均流控制电路,调整各模块的输出电压,从而调整输出电流,以达到均分电流的目的。 1.5.3 开关电源并联均流系统的特点

电源系统的发展方向之一是用分布式电源系统代替集中式电源供电系统。和集中式电源系统相比,分布式电源系统有更多的优点:提高了系统的灵活性;可将模块的开关频率提高到兆赫级,从而提高了模块的功率密度,使电源系统的体积、

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重量下降;各个模块的功率半导体器件的电应力减小,提高了系统的可靠性,分布系统可方便的实现冗余;减少产品种类,便于标准化。所谓冗余是指:设N+n台变换器模块并联,其中N台用以供给负载所需电流,n台为后备(冗余)模块,当正在工作的模块出现故障时,后备模块投入运行,这样正在工作的N台模块即使有n台同时发生故障,电源系统也能保证提供100%的负载电流。除了使系统增加了冗余功率外,采用冗余技术还可以实现热交换,即在保证系统不间断供电情况下,更换系统的失效模块[9]。

当今供电系统的要求趋势一个是高可靠性,一个是大功率化,这两者都与开关电源的并联运行控制密切相关。开关电源的并联运行主要有以下三个好处:

(l)可以用来灵活地扩大开关电源系统的容量; (2)可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性;

(3)具有极高的系统可维修性能,在单个模块出现故障时,可以很方便的进行热插拔更换或维修。

由于以上的原因,即大功率负载需求和分布式电源系统的发展,开关电源并联技术的重要性日益增加。但是并联的开关变换器模块间需要采用均流

(Currentsharing)措施,用以保证模块间电应力和热应力的均匀分配,防止一台或多台工作在电流极限状态。因为并联运行的各个模块特性并不一样,外特性好的模块,可能承担更多的电流,其结果必然是分担电流多的模块,热应力大,降低了可靠性。对若干个开关变换器模块并联的电源系统,基本要求是:

(l)各模块承受的电流能自动平衡,实现均流。(2)为了提高系统的可靠性,每个模块应尽可能不增加外部均流控制措施,均流技术与冗余技术相结合。(3)当输入电压或负载电流变换时,应保持输出电压稳定,并且均流的瞬态响应好。(4)当有公共的均流母线时,其带宽应小,以降低噪音。

均流的主要任务有:

1、当负载变化时,每台负载的输出电压变化相同。 2、使每台电源的输出电流按功率份额均摊。

开关电源是一个电压型控制的闭环系统,均流的基本思想是采用各自输出电流信号,并把该信号引入控制环路中来参与调整输出电压。选择不同的电流信号注入点,可以直接调节系统的基准电压、反馈电压误差或者反馈电流误差,形成

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多种均流方案,以满足不同的稳态性能和动态响应。

在电源模块并联化的过程中主要解决的问题是模块间的均流问题,即如何将负载电流平均地分配给每一个模块电源,同时使输出电压符合要求并保证系统稳定工作。如果无法保证并联模块间负载电流的均分,必将使某些模块的输出电流较大,而另外一些输出电流较小,甚至不输出,这样会导致分担电流多的模块开关器件的热应力增大,系统的可靠性降低。此外为了实现DC/DC模块的并联均流还要解决包括提高系统容错能力和动态响应速度,降低噪声等问题。

并联模块输出电流不平均的根本原因是模块参数的不一致,每一个DC/DC模块电源都有其相应的输出特性曲线。图1.2为两个模块并联工作时的等效电路及其外特性曲线[6]。

图1.2(a) 两个模块并联等效电路

图1.2(b) 两个模块并联均流输出外特性

如果两个模块的参数完全相同,即V1max=V2max,R1=R2,两条外特性曲线重合,负载电流均匀分配。如果其中一个模块的电压参考值较高,输出电阻较小(外特性斜率小),如图1.2中的V01,则该模块将承受大部分负载电流,负载增大,模

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