均流电路的工作原理
作者:刘克成，航天科技集团五院五所，王卫国郭祖友日期:2006-1-1
从理论上分析了下垂法均流变换技术，建立了并联电源热备开关变换器的电路模型，并对电路进行了分析，给出了验证结果。
介绍
航天供电系统的发展方向之一是用分布式供电系统代替集中式供电系统，其优点是简化供配电系统的设计，提高系统的整体可靠性。为了进一步提高其可靠性，用于分布式供配电系统的DC/DC变换器一般采用并联备份方式，形成可靠的并联系统。
目前国内常用的船载DC/DC变流器并联备份方式有冷备份方式(主部分承担全部输出功率，主部分故障时需要遥控指令切换主备份)和温备份方式(主部分承担全部输出功率，主部分故障时备份自动输出)。
国外资料显示，工作温度超过50℃时，电子元器件的使用寿命为1/6，或者随着温度的升高，电子元器件的故障率大大增加。为进一步提高DC/DC变流器的工作寿命和可靠性，应合理设计和使用主要影响DC/DC变流器寿命的功率器件的工作应力，并在并联供电系统中实现热备份模式(主备份同时工作，各承担部分输出功率)。
本文研究了基于下垂法的DC/DC变换器并联均流技术，设计了一种基于反激电路拓扑的两个DC/DC变换器并联输出的均流变换器。
单端反激电路的电路拓扑和工作原理
电路拓扑
图1反激式转换器
反激式变换器是在基本的Buck-Boost变换器中插入一个变压器而形成的，电路组成如图1所示。实际上变压器的初级绕组起到储能电感的作用，后面会讲到初级电感的设计会影响反激变换器的工作模式。
电路工作的第一阶段是储能阶段，此时开关管Tr导通，初级绕组电流Ip的线性变化遵循公式(1)。
(1)
电路的第二级是能量传递级，当开关管Tr关断时，初级电流为零，次级整流二极管D导通，产生感应电流。根据恒功率原理，二次绕组的安匝数等于一次绕组的安匝数。次级绕组电流遵循公式(2)。
(2)
其中是次级绕组电压和变压器次级侧的等效电感。
电路工作模式
(1)改变工作模式的条件
对于图1所示的变换器，设开关管的占空比为D1，二极管的占空比为D2，占空比为Ts。根据稳态电感电流增量相等的原理，有:
(3)
在连续模式下，D1期间(开关管导通，二极管关断)存储在L中的能量在D2期间(开关管关断，二极管导通)没有完全放电，因此有:
(4)
在不连续模式下，D1期间(开关管导通，二极管关断)存储在L中的能量在小于D2期间(开关管关断，二极管导通)已经完全放电，因此有:
(5)
因此，可以推导出临界连续性的条件是:
在每个周期开始时，D1+D2=1，IP=0。
因此，有:
(6)
其中Lc是临界连续电感值。
代入公式(3)为:
(7)
CCM模式下反激式转换器的小信号模型可以利用状态空间平均法来建立，如图2所示。
图2反激式转换器在CCM模式下的小信号模型
可以推导出开环输出阻抗为:
(8)
在…之中
从等式(8)可以看出，所设计的降压-升压转换器的输出阻抗仅仅是开关管的导通比的函数。通过PWM控制开关管的占空比d，可以控制变换器的开环输出阻抗。
下垂法均流原理
分布式供电系统并联使用的优点是可以实现模块化供电和标准化系统设计，实现冗余设计，提高系统可靠性。但同时要求并联电源之间采取均流措施，保证并联电源模块之间电流应力和热应力的均匀分布。
下垂法又称改变输出内阻法、斜率控制法、电压骤降法、外特性骤降法、输出特性斜率控制法。电路简单，易于实现。均流精度不高，适用于电压调整率低的并联系统。
图3开关电源电路模型
图4开关电源输出曲线
如图3所示的单个开关电源的输出特性曲线如图4所示，输出电压Vo与负载电流Io的关系如下:
(9)
图5两个并联开关电源的电路模型
当两个开关电源如图5所示并联时，每个开关电源的负载电流为:
(10)
(11)
在…之中
图6并联后开关电源的外特性斜率
从图6中可以明显看出，具有小外部特性斜率(即，小输出阻抗)的电源比具有大外部特性斜率的电源具有更大的分配电流增加。
下垂法实现均流的主要手段是通过电流反馈调节各变换器的外特性斜率，使并联变换器的输出阻抗接近相同，从而实现输出均流。
如上所述，回扫电路的输出阻抗是开关管占空比的函数。所以应该实现利用电流检测信号控制开关管的占空比，利用反激电路实现均流的方式，或者电流检测信号参与PWM控制。
本文采用下垂法设计了两个输出为12V的并联DC/DC变换器。结构如图7所示，技术要求如下。
图7下垂法均流的DC-DC设计原理框图。
输入电压:17V ~ 32v DC；
输出电压:12 VDC；
最大输出功率:30W；
工作频率:200kHz。
电压调整率:小于3%；
负荷调整率:小于3%；
效率:大于70%；
纹波:在70mV时。
设计结果
●负荷调整率
本文所研究的反激变换器的输出方式为离线设计，电压采样信号不是直接从输出端采样，而是采用磁隔离采样技术。这种设计不需要启动隔离电路和隔离驱动电路就可以实现离线输出，电路简单，但缺点是负载调整率不能很高。理论上很难达到5%的负荷调整率。相关文献介绍这种设计可以达到负载调整率(输出12V，电流从0.1 ~ 0.3A变化)。在采取一些有效措施后，当负载电流在0.1 ~ 1.3A范围内变化时，可以达到负载调整率..
1.电感耦合
由于电压采样信号是通过变压器的电压采样信号绕组耦合输出电压变化信号得到的，因此信号耦合直接影响输出电压负载调整率。经过反复实验，我得到了两条实践经验:
1.变压器采用“三明治”绕组方式绕制，即初级绕组绕一半，然后是次级绕组，再绕初级绕组的剩余匝，次级绕组包在里面，这样漏电感最小，如图8所示。
图8变压器的绕制方法
2.输出绕组和电压采样绕组并联缠绕，以达到最佳耦合效果。
2.工作模式
发现电路的不同工作模式对负载调整率也有很大影响。当电路原边电感较大，工作在连续模式(CCM)时，负载变化引起的电流信号(峰值电感电流)波形斜率比较平坦(变化率较小)，影响输出电压的负载调整率。当电路工作在断续模式(DCM)时，会影响效率。
所以经过反复实验，电路设计的初级电感适中(变压器初级匝数调整为6匝)，电路工作在临界连续模式。因此，输出电压负载调整率在一定程度上得到了提高。
3.电压采样信号
实验中还发现，降低电压采样绕组的输出阻抗，相当于在一定程度上放大了电压采样信号，可以在一定程度上提高输出电压负载调整率，如图9所示。
图9降低电压采样绕组的输出阻抗可以提高输出电压负载调整率。
结论
根据本文的相关研究和讨论，以及设计中遇到的实际问题的解决方案，所设计的单端反激式热备用均流开关电源具有良好的性能，输出参数如表1所示。
表1
两个并联DC-DC转换器的均流结果如图10所示。
图10两个并联DC-DC转换器的均流结果
从结果来看，由于DC/DC1的输出阻抗小于DC/DC2，所以DC/DC1的输出电流始终大于DC/DC2，输出电流的不平衡度约为12.78%。
DC/DC1的输出阻抗可以通过串联电阻来调节，可以进一步降低不平衡度，但这样会降低输出效率，增加输出负载调节率。
从设计结果来看，基本实现了DC/DC输出的热备，整体效率和各项指标都达到了设计要求。
参考
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6.吉恩·F·富兰克林[美]j·戴维·鲍威尔，阿巴斯·埃马米-奈尼。动态系统的反馈控制。朱启丹，张立科，袁鑫等.电子工业出版社. 2004.5