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直流变换器并联运行时的环流和振荡控制

• 摘要：开关电源并联系统产生的环流和振荡会对电子元件产生高电压冲击，降低功率因数，并且使并联的各个模块之间产生抑止。因此，对开关电源并联系统的技术研究得到了广泛的关注。分析了直流变换器并联系统产生环流和振荡的原因和过程，并通过实验结果得以验证。最后总结出几种有效解决并联系统环流和振荡问题的方法。

  关键词：直流变换器；并联；环流；振荡

  引言

  多个开关电源模块并联是解决大功率供电系统的关键技术，它的优点是，可以灵活组合成各种功率等级的供电系统、提高了系统的可靠性、通过N＋1冗余获得容错冗余功率、可以实现热更换、便于维修等。

  原来应用于开关电源中的整流器二极管，由于效率较低，大部分已经被MOSFET代替。这样，在采用高效率MOSFET的同时，也产生了一些问题。

  在同步整流器中的MOSFET相当于一个双向开关，它不仅可以通过正向的电流，也允许反向电流通过。

  在同步整流器中，控制MOSFET的电路与MOSFET导通电路形成了交叉连接（cross-coupled）。这样一种电路的拓扑与晶体管多谐振荡器很相似，也就是说，这种电路本身就可以形成振荡。

  所以，模块并联运行时，由于各个模块输出电压之间的差异，会导致输出电压高的模块与输出电压低的模块之间产生环流，形成振荡。这样，输出电压低的模块不仅不对外提供电流，还吸收插件电感输出电压高的模块的电流；输出电压高的模块不仅要提供负载电流，还要提供其固定电感器它模块的电流。因此，输出电压高的模块就会受到大电流的冲击；振荡会产生大的电压冲击；几个模块之间互相干扰，输出电压高的模块会抑制输出电压低的模块。

  本文主要针对直流开关电源并联系统，通过对可能产生环流的结构进行理论分析，阐明了产生环流和振荡的原因电感生产和过程，并总结出几种有效解决环流的控制方法。

  1 并联系统产生环流的分析

  图1为两个采用自驱动同步整流的正激DC/DC电源模块的并联系统原理图。
  
  图1
  
  图1模块1中，S1是同步整流管，S2是续流管，L1电感器生产厂家是滤波电感，C2是滤波电容，R是并联系统的负载。S3是MOSFET开关，控制变压器原边线圈的导通。C1和D4构成变压器原边线圈的续流回路。

  由于S1代替了原来的二极管，使得原本只能单向导通的支路，允许反向电流通过。在并联系统中，当两个模块之间存在差异时，输出电压会有差值，这是导致整流回路出现环流的主要原因。

  两个模块的输入电压相同，控制方式都相同，当其中一个模块的参考电压较高时，这里假设模块2的参考电压较高，就会导致S7的导通角要大于S3，使模块2的输出电压较高。

  这时，从输出端看，可以将两个模块分别等效为理想电压源与电阻串联的结构。如图2所示。

  

  从图2可以很明显地看出，当Vout2>Vout1时，极有可能构成回路，产生环流。

  2 产生自激振荡时的理论分析

  由于环流现象的存在，使得如图1所示的并联运行的电源系统会产生自激振荡现象。

  根据开关状态不同，可以分为4个时段。

  1）状态1 S3关断，S1关断，S2导通。

  此时模块1的等效电路如图3所示。图中Lm是变压器的励磁电感，Cp是变压器原边等效到副边的电容值，S1，S2和S3关断时分别等效成电容一体成型电感CS1，CS2和CS3，V2是输出电压。

  Cp=n2CS3 （1）

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