开关电源模块并联的三环控制系统设计

王 辉 ，周锦荣，周小方

（1.漳州师范学院计算机科学与工程系，福建漳州363000;2.漳州师范学院物理与电子工程系，福建漳州363000）

引言

直流电源模块化并联运行是直流电源模块化产品扩容的有效手段，广泛用于计算机、通讯设备、电瓶车等用电设备中。在多个直流电源模块可靠地并联工作中，各模块间的电流合理分配是需要解决的关键问题之一，并联运行配流控制方法将直接制约着电源模块化发展。传统的电源并联配流多采用模拟技术来实现，常用的方法有自主均流法[1]、自动主从控制法、外加均流控制器均流法等[2-5]，这些方法具有抗干扰能力差，易受环境因素的影响等问题。而采用数字控制方法能较好地克服模拟技术处理方法所存在的问题，并且采用数字控制更易实现精确、快速的配流控制。下面主要针对数字控制方法中的双环控制和配流环做了系统分析，并给出实现该方法的系统模型，通过实验仿真验证其可行性。

1 DC/DC变换电源及其基本控制原理

图1 所示是采用Buck电路结构的DC/DC电源系统设计的一般结构图，其中PID调节器为无静差调节器，它能够保证输出电压平均值与设定值相等。在CPU控制过程中，如图2所示，采用电压的单闭环PID控制，参考电压Uref及该模块实际输出电压Uf进行比较，再通过串联校正装置[6，7]，改善闭环Buck变换器系统的稳定性，然后经PID调整，最终生成PWM控制信号，进而控制DC/DC模块中开关状态，实现稳压输出。

2 三环控制的电流均流控制模型

在工程实现中，常采用专用集成芯片 (如UC3907)组成大规模集成电路或采用微处理器 (如DSP)编程组成的单片机系统来实现数字化配流控制。相比较而言，采用CPU和相应的外围电路组成的单片机系统，只需要改变单片机内部存储的源程序的相应算法，即可实现控制方案的转变，无需对硬件电路进行任何变动，具有系统响应快，控制方式多变等特点[8]。图3为三环控制的系统整体结构图，由内到外分别为瞬时值输出电流环、模块配流环和瞬时值输出电压环。其中瞬时值输出电流环可看作为一个随动系统主作用是根据外部扰动作用的不同进行自我调节，模块配流环主要作用是采集各模块电流进行配流，瞬时输出电压环主要作用为对这个系统负载电压进行调节维持稳定。三环控制的思想如下：系统输出负载电压与各模块参考电压进行比较，通过串联校正后进行PID调节，调整后的值与模块配流环分配电流值一起作为电流内环的参考值，进行PID调节，最后送入PWM调制。这里模块配流环实时采集到各模块的电流在模块内部进行数字运算可实现平均电流、最大均流或者进行阶段性电流分配等，再结合外环调节(OLRM)等控制模式可达到理想结果。这里利用电压外环作为采用数字化控制设计，结构灵活，便于扩展和维修，在某个模块失效的情况下，具有极高的容错量，符合直流电源发展趋势。

当n=2时，DC/DC电源并联运行主电路如图4所示，每个模块输出端接有二极管，利用它单向导电的特性，防止模块间构成回路，而毁坏器件。图5为DC/DC电源并联运行控制框图，相比单个模块多了电流内环，提取各模块电源的负载电流信号，在CPU内部进行模块电流分配处理，产生各个模块的参考电流Iref，与各模块比较和整定后的电压信号求和，再与各模块的负载电流信号IL进行比较和整定，产生输出电压，最后自适应调整产生PWM驱动输出。当单个模块工作时电流内环不起作用，图5等效为图2的控制结构仅有电压环，因此，这种控制结构具有自适应性，适合电源模块化的扩展。

3 三环控制直流电源并联模型仿真分析

为了验证系统设计的正确性，以及电源模块间电流分配的效果，本节利用MATLAB软件建立仿真电路以及对其进行仿真分析。利用上述方法，以Buck电路为主电路，在仿真软件中建立如图6所示的简单的直流电源并联模型，来对以上设计的系统结构进行了验证。其中，对S-FunctionBuilder进行设置以及程序编写来模拟单片机系统中CPU的作用。

本实验系统指标：电源输入电压UIN为28 V，经过Buck电路斩波输出电压为稳定在15 V。主开关管可使用MOSFET，工作频率可为100 kHz，负载电流稳定在5 A。电路中电感值选为5×10-5H，电容值为5×10-4F，负载为阻值为3 Ω的电阻。

图6 所示为DC/DC电源并联运行MATLAB仿真模型，主要包括2个并联的Buck电路构成的主电路,一个电流控制模块（Subsystem），2个控制模块（control1，control2）。其中电流控制仿真模型为图7所示，采集到子模块的负载电流后通过CPU（SFunctionBuilder）进行分配，包括均流分配、各个阶段允许范围内的比例分配等。图8所示为控制模块的仿真模型，为各个子模块进行电压电流调整，包含两个PID控制模块，一个串联校正模块（gc），以及一个脉宽调制模型（PWMProduct）。

图9 为脉冲宽度调制模型仿真模块(PWMProduct)，能够自适应调整占空比，仿真利用积分关系来产生三角波，Simulink中Sources有脉冲发生器(PulseGenerator)，使其产生频率为 100 kHz，幅值为4×104，占空比为50%的信号。

图10 所示为有负载波动情况下，单个直流电源模块所表现出来的负载特性。负载波动是由一个开关模块和一个阶跃模块构成。仿真时间为0.02 s，在0.01 s时，阶跃信号为1，使开关闭合，从而使负载并入一个阻值为3 Ω的电阻，起到波动负载的作用。图10可知该电源模块在负载受扰动的情况下，保持电压的恒定不变，并且通过串联校正后的输出特性较好，说明系统具有很好自调节能力，稳定性能较好，为模块并联运行提供了可能性。

当n=2个模块并联运行时，采用图5的主电路结构及图6的控制结构，通过检测各模块输出负载电流，S-FunctionBuilder进行运算处理，分配给各个模块作为电流的参考电流，通过校正及双闭环控制，可得到理想结果。为了体现均流效果和实验可靠性，把两个控制器模型的P，I，D参数设置为不同，模块1电流环控制器参数分别为10，0，0，电压环分别为70，1，0.001，模块2电流环控制器参数分别为 6，0，0，电压环分别为 60，1，0.001，串联校正模型为表1 为在负载波动情况下，仿真过程中所测量到的两个电源模块运行过程中均流分配电流的数据。

图11 为电源模块并联运行时输出电压设定在15 V时，在负载波动的情况下，系统负载输出电压电流波形图。表2则为在输出电压设定在9 V和15 V时，负载波动的情况下，模块间电流比按照2：3的比例进行分配时的实测数据。

表1 为两电源模块均流控制仿真测量数据

表2 两电源模块2∶3配流控制仿真测量数据

4 结论

利用MATLAB仿真上述方法中由单片机构成的多环控制开关电源并联运行系统，仿真结果表明该方法构成的电源并联系统在不同负载条件下具有控制结构可靠、输出性能稳定、动态响应好等特点。整个系统实质上采用了三环控制，配流控制环采用比例控制调整各模块的参考电流，其中对SFunctionBuilder编程实现相应的算法，可实现在不改变硬件结构的情况下，调整分配电流的控制方案，这是模拟电路无法比拟的。另外，利用电压外环和电流内环的双环控制来实现并联运行状态下维持在负载波动情况下电压的稳定和电流的分配，具有很强灵活性。既适合单个模块运行状态，也适合多个模块直接扩展并联运行，为实现扩展并联模块数目及容量提供了一种方案参考。

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