中心議題：

• 分析和比較幾種DC/DC 電源模塊并聯(lián)均流技術(shù)
• 介紹TI公司生產(chǎn)的UC3907芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能
• 設(shè)計基于UC3846和UC3907的帶自動均流的大功率DC/DC 變換器的控制電路

解決方案：

• 并聯(lián)電源模塊間必須采用均流措施
• DC/DC變換器主電路采用半橋式電路拓撲
• 控制芯片采用TI公司生產(chǎn)的電流控制型PWM集成控制芯片UC3846
• 檢測每個模塊輸出電流，精確均流

引　言
電源并聯(lián)運行是電源產(chǎn)品模塊化、大容量化的一個有效方法, 是電源技術(shù)的發(fā)展方向之一, 是實現(xiàn)組合大功率電源系統(tǒng)的關(guān)鍵。電源并聯(lián)擴容的基本要求為: 電源并聯(lián)后, 總電源系統(tǒng)的源電壓效應(yīng)和負載效應(yīng)要滿足所要求的技術(shù)指標(biāo); 每個電源模塊的輸出電流應(yīng)相等; 有一個低帶寬的總線來連接所有的電源模塊; 具有良好的負載瞬態(tài)響應(yīng)特性。

因為電源并聯(lián)在一起, 很難達到輸出電流分配均勻, 所以并聯(lián)電源模塊間必須采用均流措施。某DC/DC變換器要求: 輸入電壓為385V, 輸出電壓38V, 輸出電流為100A, 必要時多臺開關(guān)穩(wěn)壓電源可以直接并聯(lián)使用, 并聯(lián)使用時的負載不均衡度小于5%。DC/DC變換器主電路采用半橋式電路拓撲,控制芯片采用TI公司生產(chǎn)的電流控制型PWM集成控制芯片UC3846, 在比較幾種均流控制方案的基礎(chǔ)上, 選擇了根據(jù)最大電流自動均流法而設(shè)計的UC3907 均流控制芯片, 實現(xiàn)了并聯(lián)運行時均流控制。電源模塊在并聯(lián)時, 取得較好的均流效果。

常用的并聯(lián)均流技術(shù)
a.常用的幾種并聯(lián)均流技術(shù)比較
直流模塊并聯(lián)的方案很多, 常用的均流方法有: 下垂法、主從設(shè)置法(Master-Slaves)、外部控制電路法、平均電流型自動均流法及最大電流自動均流法。下垂法雖然簡單易行, 但負載效應(yīng)指標(biāo)較差, 均流精度太低; 主從設(shè)置法和平均電流型自動均流法都無法實現(xiàn)冗余技術(shù), 因為一旦主電源出故障, 則整個電源系統(tǒng)都不能正常工作, 使電源模塊系統(tǒng)的可靠性得不到保證; 外控法的控制特性雖好, 但需要一個附加的控制器, 并在控制器和每個單元電源之間有許多附加連線; 而最大電流自動均流法依據(jù)其特有的均流精度高、動態(tài)響應(yīng)好及可以實現(xiàn)冗余技術(shù)等性能, 越來越受到開發(fā)人員的青睞。

b.UC3907的控制功能介紹
TI公司根據(jù)最大電流自動均流法開發(fā)出均流控制集成芯片UC3907, 該芯片通過對各個電源模塊的輸出電壓進行微調(diào)來實現(xiàn)均流。通過均流總線(CURRENTBUS) 電路監(jiān)視每一電源模塊的輸出電流, 判斷出并聯(lián)模塊中輸出電流最大者, 標(biāo)為主模塊, 調(diào)整其余模塊, 使其輸出電流與主模塊輸出電流之差在5%以內(nèi)。

UC3907的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。可分為電壓環(huán)與電流環(huán)(包括均流控制) 兩部分。其中電壓環(huán)由電壓放大器、接地放大器和驅(qū)動放大器構(gòu)成。電流環(huán)由電流放大器、緩沖放大器、調(diào)節(jié)放大器和狀態(tài)指示構(gòu)成。 
 

圖1　UC3907內(nèi)部結(jié)構(gòu)

電壓環(huán)用以穩(wěn)定輸出電壓, 電流環(huán)由于要抑制噪聲所以是一個較低帶寬的環(huán)路。芯片的均流部分使用了電流放大器、緩沖放大器和調(diào)節(jié)放大器。電流放大器的輸出, 代表了負載電流的模擬信號并送至單向緩沖放大器的輸入端。由于緩沖放大器只提供電流, 所以它可以保證輸出電流最高的模塊成為主模塊, 并能夠以較低的阻抗驅(qū)動均流母線, 向其它模塊傳遞信息, 而其它緩沖器在其對地負載阻抗達到10 kΩ時截止。調(diào)節(jié)放大器將模塊自身的輸出電流與均流母線的信號相比較, 發(fā)出指令調(diào)節(jié)各單個模塊的基準(zhǔn)電壓, 以保證電流平均分配。調(diào)節(jié)放大器的反向輸入端有50mV的失調(diào)電壓, 使該單元作為一個低輸出信號的主控單元電源, 并產(chǎn)生一個零調(diào)節(jié)命令。而50mV的失調(diào)電壓代表均流中的誤差信號, 電流放大器通過電流檢測電阻可以使誤差減小到2.5mV, 導(dǎo)致所有從電源模塊分流均勻, 主模塊分擔(dān)的電流比從模塊分擔(dān)的高幾個百分點, 該失調(diào)電壓也克服了因低頻噪聲的影響而使主控單元不穩(wěn)定的情況。

一種離線式均流的應(yīng)用
a.主電路及驅(qū)動電路的設(shè)計
電源模塊控制電路如圖2所示。該電路采用IGBT半橋式DC/DC變換器, 高頻變壓器采用國產(chǎn)鐵氧體EE85B磁芯, 原邊繞組為12匝, 副邊兩個繞組均為6匝, 開關(guān)頻率為30kHz。為了防止電源在運行過程中產(chǎn)生偏磁, 在變壓器原方繞組回路中串入隔直電容C8。UC3846用作調(diào)制器, 其開關(guān)頻率為: fs=2. 2/(RtCt) , 電流互感器H1用以監(jiān)測初級線圈中的電流。 
 

圖2　電源模塊控制電路

該系統(tǒng)主電路的開關(guān)管使用IGBT, 用脈沖變壓器作驅(qū)動。當(dāng)IGBT容量較小時UC3846的11腳和14腳可以直接驅(qū)動變壓器; 當(dāng)IGBT容量較大時, 可以采用圖3所示的驅(qū)動電路。該驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單, 具有負壓關(guān)斷能力, 且驅(qū)動功率大。電路中, 二極管D9、D10有助于T1～T4的關(guān)斷。 
 

圖3　IGBT 驅(qū)動電路

b.調(diào)節(jié)器的設(shè)計
整個系統(tǒng)由調(diào)節(jié)器、控制器、L及C濾波電路構(gòu)成。控制器的傳遞函數(shù)近似為一個慣性環(huán)節(jié), 即 
 
式中　K ——由38 V 輸出及2.5V給定確定
T ——調(diào)節(jié)器的開關(guān)頻率確定

L 、C濾波電路及負載的傳遞函數(shù)為 
 
其中, K1= a0= RLOAD; a1= L1; a2=RLOADC7L1。

UC3846的誤差放大器正向輸入為2.5V, 試驗時采用PI調(diào)節(jié)器, 發(fā)現(xiàn)輸出波形穩(wěn)定性較差。若在UC3846的6腳與7腳間接一個電容C11, 輸出波形明顯改善。此時調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)可表示為 
 
其中, b = C12R 16; a4 = C11C12R 16; a3 = C11 + C12。

調(diào)節(jié)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖, 如圖4 所示。

圖4　調(diào)節(jié)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

c.UC3907均流環(huán)節(jié)的設(shè)計
模塊之間為了精確均流, 每個模塊輸出電流必須被檢測。對檢測電阻的選擇有兩個因素: 最大功耗和最大壓降?？紤]輸出電流較大, 本設(shè)計采用霍爾傳感器檢測電流。

驅(qū)動放大器將電壓放大器輸出電壓轉(zhuǎn)換成電流誤差信號并送至光電耦合器, 其計算電流為： 
 
其中, Ve為誤差放大器的輸出。其小信號增益為：
 
　　

為了保證光電耦合工作在近似線性段, 光耦原方電流應(yīng)小于1mA。假設(shè)驅(qū)動放大器的輸出電壓為2.5 V, 可計算出Rset > 6.25kΩ, 實際選擇Rset = 10 kΩ , R22是一個4.7 kΩ電阻和一個10 kΩ的電位器串連, 調(diào)節(jié)該電位器, 可將輸出電壓調(diào)至38V。

UC3907的調(diào)節(jié)放大器, 將模塊自身電流與均流總線的信號相比較, 當(dāng)調(diào)節(jié)放大器自身的電流小于均分總線電流, 即其為輔控時, 調(diào)節(jié)器使基準(zhǔn)電壓升高100mV。該取值源于調(diào)節(jié)放大器的嵌位輸出與基準(zhǔn)電壓之間的內(nèi)部電阻比率17. 5∶1及基準(zhǔn)電壓相對虛地端6腳的電壓1.75V。為了克服噪聲, 在14腳和6腳之間接一個0.22μF的電容, 如圖2中的C17。在實驗中出現(xiàn)狀態(tài)指示燈明暗交替變化的現(xiàn)象, 分析原因是當(dāng)電源模塊為輔控時, 由于調(diào)節(jié)器的作用使基準(zhǔn)電壓提高100mV, 將使其輸出電壓增大, 對應(yīng)輸出電流加大。如果其開始電流與主控模塊的電流差別不大, 該模塊可能變?yōu)橹骺啬K, 但在下一次調(diào)節(jié)后該模塊又變?yōu)檩o控模塊。如此循環(huán)下去, 造成該模塊在主控、輔控狀態(tài)交替變化, 并使輸出電壓發(fā)生波動。為了克服這種現(xiàn)象, 可以減小100mV基準(zhǔn)電壓的提高, 因此在14腳和6腳之間的電容上再并上一個電阻, 如圖2中的R20。該電阻起到分壓作用, 能夠減小基準(zhǔn)電壓的提高。如果電阻選取適當(dāng), 既能保證電源模塊并聯(lián)運行時的均流精度, 又不會使其發(fā)生主控、輔控交替現(xiàn)象。

實驗與結(jié)論
用兩個電源模塊作并聯(lián)實驗, 實驗數(shù)據(jù)見表1所列。由表1知, 它的負載均流精度(負載不平衡度)控制在5%以內(nèi)。

直流模塊并聯(lián)方案很多, 在實際應(yīng)用中較多地采用了最大電流自動均流法。UC3907以其使用方便、均流效果好等特點得到廣泛應(yīng)用。實驗表明, 本文介紹的PWM控制芯片UC3846和均流控制芯片UC3907構(gòu)成的離線式開關(guān)穩(wěn)壓電源并聯(lián)均流系統(tǒng), 具有較好的均流控制特性。