冗余开关电源均流试验分析说课讲解

一种实用的开关电源均流线路马利军，尹斌（河海大学电气工程学院，南京，210098）摘要：本文主要讨论了开关电源模块中的平均值自动均流法的原理，并在此基础上提出了一种改进思路及其实际的均流线路，做了相关实验，验证电路的可行性。

关键词：平均值自动均流法、开关电源、均流线路在电源的实际使用过程中，各种负载对于供电的可靠性要求不同，当单台电源不能提供负载的全部容量的时，就需要多个电源模块并联使用，以提高电源的容量和运行的可靠性。

通常的使用方式是并联运行或者并联冗余运行，其原理就是将 N 个电源模块并联使用提供负载的全部容量或大于负载的全部容量。

在实际的使用过程并不是简单的把各个电源并联使用就可以让电源平均承担功率。

这是由于电源各自参数的分散性，使得每个电源的开路电压和内阻均会存在差异，通常开关电源的内阻都非常小，因此开路电压很小的差异就会导致各电源的输出电流有较大的差异，这种状态会导致各个电源的寿命衰减不一致，达不到电源的可靠性和稳定性的要求，这就要求在电源并联使用过程中使用均流技术[1]。

常用的均流方法有：输出阻抗法（又称下垂（Droop）法）、主从设置法、平均电流自动均流法、热应力自动均流法、外加控制器均流法和最大电流自动均流法。

本文主要分析平均值自动均流方式以及在实际使用中的改进方式。

1、平均值电流自动均流方式[2][3]图 1.平均电流自动均流法原理图平均电流自动均流方法是建立在数学模拟电路（平均值电路）的基础上，因而不需要外部控制器，用单一总线连接所有电源模块就可以。

如图1：每个电源模块的负载电流经电流检测和放大为与负载电流成比例的电压信号Vi，各模块的Vi与均流母线的电压V相比较，b其中V为n 个电源模块的电流信号的平均值，改变电流误差放大器产生电流误差信号Ve，b叠加电源的给定电压信号Vr以调节电源电压的基准Vr' ，调整后的电压基准Vr' 与模块的反-1-馈电压 Vf 相比较产生电压误差信号，以达到控制电源 PWM 及驱动电路的目的，从而改变模块的输出电压，调节输出电流，实现模块间的负载电流的均分。

基于开关电源并联均流问题的分析作者：佘国君来源：《科技资讯》2017年第28期摘要：开关电源具有效率高、尺寸小等优点，在交转直供电系统中应用广泛。

然而随着输出功率的持续增加，如果仅单个大功率开关电源供电，那么一旦出现故障就会带来不可预测的损失，因此，出现了使用几个小功率开关电源并联使用的新模式。

本文就对其中的并联均流这一重要问题进行分析。

关键词：开关电源并联运行均流分析中图分类号：TM44 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）10（a）-0034-02开关电源体积小、效率高，在交转直供电系统中应用广泛。

为弥补单个开关电源无法断电、功率不足等缺点，可以采用几个开关电源并联使用。

并联均流供电技术可较好地实现高可靠性运行和大功率均匀供电，但要满足如下要求。

（1）整个直流供电系统的外部特性在线电压或者负载变化时要保持输出电压稳定。

（2）为减少均流失败的因素，各个供电模块之间要实现自动负载均流，简化外部的控制。

（3）一个供电模块发生故障时，其他模块要能提供充分的电流容量，以维持整个系统正常工作。

（4）实现好的负载均流瞬态响应；用低阻抗带宽均流母线连接所有功率模块。

上述为附加要求。

开关电源并联使用的示意图和端口特性如图1、图2所示。

图1中的R1和R2为单个开关电源分别的输出总电阻，其中包含了输出端导线的电阻。

在阻性负载情况下，输出电压和输出电流呈现线性关系，电压变化量和电流变化量的比值就是输出总电阻。

由于存在内阻，结合图1和图2可列出两条支路的端口特性表达式分别为式（1）和（2）：由式（5）（6）可知单个开关电源的输出电流与输出电阻，负载输出电压有关，故为了实现开关电源的并联均流运行需要关注下述两点。

（1）在开关电源的设计过程中，需要尽量采用参数一致的电子元件，PCB布局和走线均要做到对称，减少对外参数的不对称。

（2）可以采用反馈控制的方法，通过负反馈解决两路输出外特性差异，从而让两路参数实现一致。

浅析开关电源模块并联均流方法张伊凡; 王乐【期刊名称】《《电子测试》》【年(卷),期】2013(000)005【总页数】3页(P34-35,41)【关键词】开关电源; 并联; 均流【作者】张伊凡; 王乐【作者单位】西安石油大学电子工程学院 710065【正文语种】中文1 引言随着我国工业生产中对大功率电源系统需求的不断增加和开关电源模块化的发展趋势，以及半导体功率器件和磁性材料等方面的因素对单片开关电源输出功率的限制，开关电源模块往往需要并联成电源系统运行，这样既可以增加电源容量，也可以提高电源系统供电的可靠性。

但在实际应用中，由于各电源模块之间的差异，并联运行时会出现电源系统中各模块输出不均流的现象，进而引起电流应力和热应力的不均匀分配，影响电源模块的使用寿命和可靠性[4]。

所以并联均流技术成了实现组合大功率电源系统的关键。

2 电源模块不均流的原因分析从电源模块的控制系统来看，所有的电源模块并联运行，则输出电压U0都相等，也就是电压反馈值都相等，但是每个模块的给定量Ugi和反馈比例系数Kfi都有差异，运算放大器的失调电压也不同，所以给控制器件的误差信号也不相同，使有些误差信号为正的模块，电压调节器正向积分，输出电流增加；有些误差信号为负的模块，电压调节器反向积分，输出电流减小。

当系统进入稳态以后，最多有一个模块的误差为零，电压调节器正常工作。

所以负载电流都要由误差为零的模块承担，就出现了电流不平衡的现象。

另外，电源模块外特性的差异也是不均流的原因，如图1中两个电源模块并联运行，输出电压分别是U1和U2，电流分别为I1和 I2，内阻分别为 R1和 R2，母线电压为 UO，其输出特性见式（1）、（2）[5]。

由式（1）、（2）可以看出，不均流的原因是输出电压和等效内阻不一致。

图1 两模块并联运行原理图所以，各电源模块之间不均流的根本原因是由于电源模块中各器件的差异引起的，只能通过增加外部设备或控制部件的方法来解决，其主要思想就是增加一个均流母线，通过均流母线传递均流信号，或者根据电源的热应力来调节负载电流的分配，防止一台或多台模块运行在电流极限状态。

基于CAN总线的开关电源并联运行的均流摘要：本文介绍了开关电源并联运行时的一种均流方法，通过控制器之间的CAN通信来传递控制信息，就能实现均流控制。

电源的控制部分以DSP 的TMS320LF2407A为核心构成，通过DSP控制器之间的CAN通信和相应的算法实现电源并联时的均流运行。

文章最后通过实验验证了该方法的正确性，其效果良好。

关键词：开关电源；均流；数字信号处理器；CAN总线1．前言与传统的相控整流电源相比，开关电源具有效率高、体积小、重量轻、功率因数高等优点，目前开关电源已经被广泛应用于各种工业。

本文设计并开发了一种新型的开关电源，每台电源的额定输出为12V/1000A；可以实现多台电源并联运行，输出更大的电流，以满足工业的实际需要，最多可16台电源并联运行，而采用多机并联运行有许多优点：1）输出功率可以扩展，易于安装维护；2）可以实现功率冗余，提高系统可靠性；3）每台电源只处理较小的功率，降低了电力电子器件的电流应力；4）能够降低损耗。

对电源并联运行的基本要求是[1]：1）并联的各台电源电流能自动平衡，实现均流；2）为提高系统的可靠性，尽可能地不增加外部均流控制措施；3）当输入电压或负载电流变化时，应保持输出电压的稳定，并使均流的瞬态响应好。

电源并联运行时，应使负载电流在电源间平均分配，称为均流。

均流的目的是保证各电源之间电流应力和热应力均匀分配，防止一台或多台电源运行在电流极限值状态，而另外的电源轻载运行，甚至空载运行，由此将导致分担电流多的电源热应力大，寿命下降，降低可靠性[3]。

并联运行的电流不均衡度是并联均流控制的最重要指标之一，其定义为[1]：（1）式中S：表示电流不均衡度：表示第k个电源所承担的电流；：表示第k个电源的额定输出电流；：表示并联系统的负载电流；：表示并联的电源数量。

目前关于开关电源的并联运行控制，出现了多种均流方法，如外特性下垂法、主从均流法、自动均流法、民主均流法等[4-5]。

仪表24V N+M并联冗余电源的可靠性问题【背景】2009年１2月,我在代表中国石化集团公司总部对某（天津石化、镇海炼化100万吨/年）乙烯工程进行质量检查时,发现各装置仪表24Ｖ电源是应用模块化开关电源并联运行实现Ｎ＋M（其中,N表示向负载提供额定电流需要的模块个数、M表示系统冗余模块个数，本次检查中的N和M相等、在2~５之间)冗余的,各开关电源模块间没有通讯线或均流母线等联系,仅在输出端设计了“解偶二极管”，以防止某一或某些开关电源输出电压较低或短路时成为其它电源的负载,其电路原理如图1所示。

查阅该开关电源技术说明书，其电压/电流的特性如图2所示。

PSU 1 PSU 2 ……PSU n+m R0负载图1 仪表24V并联电源原理图图2 开关电源电压/电流特性曲线【问题】用模块化开关电源实现Ｎ＋M并联冗余仪表２4Ｖ电源,目前尚无国家标准支持，石化行业标准《石油化工仪表供电设计规范》ＳH/Ｔ308２-2０03第５.３.4条只有简单要求，不能足以判定N＋M并联冗余仪表24V电源的可靠性。

签于仪表24V电源直接涉及化工石油装置安全运行的重要性,本人与(中国石化)业内最具权威性的工程设计单位（中国石化工程公司的副总、自动化仪表总工林融）就上述电源运行中可能存在的各模块的均流、可靠性等问题进行了沟通,据(林总)介绍他们也曾经设计过类似的电源装置，在使用不到一年的时间里,因部分开关电源模块过热、使用寿命短、可靠性低的问题，致使整个化工石油装置安全运行存在质量隐患，他们重新对仪表负荷进行了组合、分配,构建了较成熟的多个1+１冗余仪表24V电源,使用情况较好。

为什么会发生实际使用中N＋M（N、M大于1）比１+1并联冗余仪表24V电源的可靠性低、出现与冗余可靠性模型计算结果相反的结论呢？本人在工程质量检查讲评会上，从冗余可提高设备可靠性理论的限制条件、电源各模块间均流技术对电子线路的要求二个方面进行如下分析。

【评析】随着化工石油装置大型化及其自动化程度的提高，控制系统需要组建一个大容量、安全可靠的仪表2４Ｖ电源系统。

一种电源系统冗余设计方案及其功能测试的方法
尹鑫;姚万业
【期刊名称】《工业控制计算机》
【年(卷),期】2012(25)11
【摘要】以某核电厂的核岛三废处理控制系统(KSN)设计为例,介绍了其电源系统的冗余与容错技术及其测试方法.由于电源系统承担了向各种控制设备提供工作电源的任务,一旦电源发生故障,将使整个系统瘫痪,造成严重后果.因此,KSN系统对电源系统采用了冗余设计,从而提高了系统的可靠性,降低了部件的失效率,提高了整个系统的平均无故障时间(MTBF).要达到以上的效果,必须通过测试对其冗余功能进行验证.通过在其功能测试过程中的研究,得出了一种思路清晰、测试内容覆盖面广的测试方法,具有一定的使用推广价值.
【总页数】3页(P116-117,119)
【作者】尹鑫;姚万业
【作者单位】华北电力大学控制与计算机工程学院,河北保定071003;华北电力大学控制与计算机工程学院,河北保定071003
【正文语种】中文
【相关文献】
1.多重转换:冗余电源系统电流限制的一种新方法 [J], Roger Chan;Alan Hastings
2.一种基于铷原子钟的频率基准源冗余设计方案浅析 [J], 张守中;赵瑞青
3.一种加速器用高压电源系统设计方案 [J], 史平君
4.一种地铁BAS系统PLC热备冗余功能设计方案的优化与实现 [J], 高明
5.一种基于铷原子钟的频率基准源冗余设计方案浅析 [J], 张守中[1];赵瑞青[1]因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

UPS逆变模块的Nm冗余并联结构和均流0 引言随着国民经济的发展和用电设备的不断增加，对UPS容量的要求越来越大。

大容量的UPS有两种构成方式：一种是采用单台大容量UPS；另一种是在UPS单机内部采用功率模块N＋m冗余并联结构。

前者的缺点是成本高、体积重量大、运输安装困难、可靠性差，一旦出现故障将会引起供电瘫痪。

后者的好处是提高了供电的灵活性，可以将小功率模块的开关频率提高到MHz级，从而提高了模块的功率密度，使UPS的体积重量减小；并且减小了各模块的功率开关器件的电流应力，提高了UPS的可靠性；同时动态响应快，可以实现标准化，便于维修更换等。

N＋m冗余并联技术是专门为了提高UPS的可靠性和热维修〔也称作热插拔和热更换（hotplug-in）〕而采用的一种新技术。

所谓N＋m冗余并联，是指在一个UPS单机内部，采用N＋m个相同的电源模块（power supply units，简称PSU）并联组成UPS整机。

其中N代表向负载提供额定电流的模块个数，m代表冗余模块个数。

m越大USP的可靠性越高，但UPS的成本也越高。

在正常运行时UPS由N＋m个模块并联向负载供电，每个模块平均负担1/(N＋m)的负载电流，当其中某一个或k个（k≤m）模块故障时，就自行退出供电，而由剩下的N＋（m－k）个模块继续向负载提供100％的电流，从而保证了USP 的不间断供电。

1 N＋m冗余并联的可靠性、可用性及条件1.1 可靠性的提高由N＋m个小功率模块组成的冗余并联结构形式的UPS如图1和图2所示。

图1是采用n个整流模块、一组蓄电池和k个逆变模块组成的冗余并联结构形式，n可以等于k，也可以不等于k。

图2是采用n个整流模块、n组蓄电池和n个逆变模块组成的UPS模块冗余并联结构形式。

图3是采用单一大功率整流模块、一组蓄电池和一个大功率逆变模块组成的结构形式，是一般UPS常用的结构形式。

图1 n个整流模块和k个逆变模块组成的冗余并联式UPS图2 n个整流模块和n个蓄电池及n个逆变模块组成的冗余并联式UPS图3 单台大容量UPS的结构形式下面我们以图2所示的冗余并联结构为例，说明为什么冗余并联结构能够使可靠性得以提高。