导播系统电源双总线并联结构设计

李 岳

（91941部队45分队，辽宁 葫芦岛 125000）

0 引 言

导播系统电源双总线的并联结构中，参数会受到环境和时间的影响导致存在差异。基于此，导播系统电源双总线的直接并联很难保证电流均分负载。当导播系统给负载供电时，不均分的负载电流会引起电源双总线保护作用，严重影响整个系统的工作效率。导播系统开关电源大多采用半导体功率开关器件，通过对导播系统电源开关管的控制来稳定输出电压。导播系统电源双总线并联结构为保证各模块均匀承担负载电流，需要采用多模块并联提高输出功率[1-3]。通过模拟技术实现导播系统电源双总线并联均流，其数字信号不易受到温度等因素的影响，从而实现模块之间的信息数据交换，保证电源双总线均流的响应速度。

1 设计导播系统电源双总线并联结构模型

1.1 选择电源双总线并联控制方法

为了便于导播系统电源双总线并联结构中各模块电源均分负载电流，将单一模块电源作为理想电压源和另一电阻进行串联，进而将两个电源总线并联组成等效的供电系统。导播系统中电源双总线并联的最简单方法就是下垂法，通过模块本身调节电流。在电源双总线并联轻载的情况下，极易导致各模块输出电流出现较大偏差，因此下垂法不适用于导播系统电源负载变化明显以及需要较高电压精准度的场合[4-6]。

导播系统电源双总线并联控制方法会采用主从均流法，通过主模块统一调整和控制所有模块输出的既定电流，均流精准度更高。但在一定程度上，主从均流法有着牵一发动全身的劣势，不适应导播系统电源双总线并联结构冗余时。由于均流母线的抗干扰能力强，最大电流均流法改善了导播系统供电冗余的问题，因此在导播系统电源双总线并联结构中，最大电流均流法能够得到广泛应用[7]。电源双总线并联控制简图如图1所示。

图1 电源双总线并联控制简图

1.2 设置导播系统电路参数

高频变压器是电源双总线并联构成中的重要组成部分，具有电源功率传送、电压变化以及电气隔离等功能。为了符合导播系统电源双总线的要求，输入电压范围和负载变化范围都是额定电压28 V，变压器会产生漏电感，副边电压存在占空比丢失的现象。为计算变压器原副边的电压占空比，需要已知最低输入电压和负载电流达到额定值以及变压器副边最大的有效占空比[8]。此外，要考虑到整个导播系统的全波整流电路。当输入与输出电压以及负载电流不变的情况下，导播系统电源双总线并联结构稳定，变压器原副边匝比越大，其电流越小。为了降低成本，可采用额定电流较小的开关装置。

根据导播系统功率开关管的开关时间、负载电流变化以及输出滤波电感，可以得到电源双总线开关频率1.5倍的并联电压。输出滤波在变换器中的电感、电流，一个开关周期内仅升降一次。此外，为计算变压器副边输出方波的有效占比，需要明确输入最大电压值。进一步计算输出滤波电感的最小电感值，当输出滤波电感的电感值过大时会影响导播系统的电源功率密度。

1.3 提出电源双总线并联结构策略

导播系统电源双总线并联控制的策略，主要是包括电压单环控制和电压、电流双闭环控制。一定程度上不仅保证了导播系统的稳定性，还能够使得电源双总线并联结构信息具有实时动态性。电源双总线平均电流模式下的双闭环控制系统在电压单环的基础上增加了电流内环，由于导播系统电源双总线并联结构输出的滤波电感有着很小的等效电阻，因此在构建模型时可忽略不计。电源双总线并联结构的合理转换，可以得到带饱和电感的实时信号[9]。

在导播系统电源双总线并联的结构下，充分考虑电压、电流双闭环控制策略以及有效阻尼控制，这极大改善了导播系统对输入电压的响应速度。导播系统电源增加负载时，输出的电压也会有所降低，尤其是在导播系统电源双总线电压轻载时。负载电流突然发生变化之后，调整的时间越短，电压跌落量及电压超调量越小，导播系统电源双总线负载电流的实时响应效果越好[10]。当监测到导播系统电源双总线负载电流产生跨越式变化时，需要切换PID的控制模式，开启动态控制，当导播系统重新达到稳定状态后，采用常规PID控制与动态控制两者相结合的控制方式。

1.4 构建导播系统电源双总线并联结构模型

导播系统电源双总线并联结构主要是以低电压和大电流的形式输出，因此电源双总线输出的参数值不可忽略不计。而导播系统中电源变换器的损耗主要分布在开关管、变压器以及副边整流的二极管上[9]。导播系统的电源双总线并联结构具有对称性，损耗的副边整流二极管导通电阻为Rg，开关管与变压器的损耗不相上下，二者可视为对称电阻。

根据电源双总线并联的结构建立起导播系统的模型，进一步分析导播系统电源双总线并联结构设计的有效性。对整个导播系统来说，不仅要保证电源双总线并联结构的安全、稳定，还要关注相对较大的开关频率电波是否衰减。

2 对比实验

2.1 系统硬件实现

导播系统电源双总线并联结构主要是由逆变器、输出滤波电路、驱动电路、DSP控制电路以及一些采样电路组成。本次导播系统电源双总线并联结构的试验中，逆变器额定功率为3 kW、额定输出相电压有效值为220 V，额定输出线电流峰值为10 A。此外，考虑到导播系统电源双总线并联的损耗和冗余量，实验选择的功率管耐压值不能少于400 V，开关管流过的电流大于等于15 A。为了电源双总线并联实验的安全性，功率开关管选择的是900 V/60 A。

本次实验中，导播系统电源双总线并联的功率开关是绝缘双极晶体管，其驱动电路保护了电源双总线的安全、稳定运行。逆变器驱动芯片选择的是光电混合驱动器HCPL316J，具有驱动故障保护和反馈控制的功能。导播系统电源双总线并联控制部分电路的处理器及其外围的电路能够实时控制电源双总线的外设，需要强大的硬件支持，才能够保证导播系统电源双总线并联结构紧凑。因此控制电路DSP采用事件管理器模块和A/D转换通道，以实现电源双总线的并联控制。

导播系统电源双总线并联结构的实验通过电压电流双闭环控制，对输出电压、输出电感以及电流瞬时值进行采样检测。DSP控制芯片的供电电压为3.3 V，而实验逆变器输出电压有正有负，因此采样后的瞬时值需要正电压偏置。电源双总线并联中的母线电流经过采样检测后送入过流保护电路，输出端连接DSP的功率驱动器保护中断。一旦电源并联母线出现过电流情况，DSP便进入功率驱动保护服务程序，立刻关闭开关的驱动信号。

2.2 系统软件实现

在本次导播系统电源双总线并联结构设计实验中，利用DSP芯片与其外围电路共同控制电路板，从而实现了实验过程能够脱离仿真器运行。本次实验程序的初始为预处理，主要完成常量定义和全局变量定义，并加载相应的函数数据库。其中，预处理部分还控制了实验管理器各种驱动器的初始化、I/O模式初始化及AD部分初始化等。在实验的中断程序中，逆变电源的电压和电流均采用采样控制、电压控制、电流控制以及均流等方式完成同步信息数据库的传输。此外，为了方便操作，Q15格式分为有符号数和无符号数两种形式，有效防止变量全部拓展为有符号数。

2.3 实验步骤及结果

在导播系统电源双总线并联之前，必须保证单台逆变电源具有良好的性能和控制波形。本次实验中，装置采用的是旋转坐标系下的电压、电流双闭环控制及空间矢量调制方式。为了便于观察计算，分析负载影响最大的输出电压及相关特性波形以及逆变电源空载和满载两种模块的实验数据，结果显示完全满足了导播系统电源双总线并联的波形失真度要求。

针对本次导播系统电源双总线并联结构的设计实验，需要在两台同容量和同结构的电源双总线逆变样机上进行深入探究。双总线逆变器控制两个电源空载，并联运行一个导播系统逆变电源输出电压。此外，空载并联并不受负载的影响，所形成的电感、电流均为环流。导播系统的电源双总线空载并联运行，其环流峰值大约为2 A，而环流是由高次谐波电流构成，会受到电源开关频率及各种扰动的影响。

导播系统电源双总线并联设计实验中的幅值差会导致无功环流或是少量的高次谐波环流。在并联结构的控制中，传输不可避免会出现延迟问题，因此导播系统在动态控制过程中最好保持均流，避免导播系统电源双总线在负载突增和突卸时发生过流故障。出于对导播系统电源双总线并联结构的动态观察，选择其中一相的输出电压、电流进行具体分析，输出电流波形变化情况如图2所示。

图2 并联增加负载输出电流波形变化

通过上述的电源双总线并联结构设计实验结果可以看出，其并联系统能够有效控制性能的优劣，进一步实现电源双总线逆变器之间的信息控制。此外，导播系统电源中的双总线数量没有得到限制，并联均流效果好，硬件与软件的实现操作简单，具有重要现实意义。

3 结 论

导播系统电源双总线并联的结构增强了网络拓扑的延展性，充分发挥了导播系统的现实作用。通过采用共用电压调节器的主从到并联控制电源双总线，从根本上控制了电源冗余问题。此外，通过仿真实验的模拟，深度探究了加大实验功率的多种负载情况。