摘 要：本文讨论了低压大电流工况下移相全桥变换器双模块并联电流失衡机理与均流控制技术。该技术采用电压环、电流环与均流环三环平均电流控制结构，给出了控制系统设计原则。利用 Matlab 仿真与一台 10 kW 样机分别进行仿真与实验验证，验证结果表明该控制结构有较好的自适应性，能够兼顾负载调整率与均流精度。

关键词：变换器；移相全桥并联；三环控制；平均电流控制

0 引言

直流变换器已广泛地应用在电源系统中。但随着系统容量的扩大，集中式电源会带有较大的电应力，给功率器件的选择、开关频率、散热设计和功率密度的提高都会带来困难；而且当唯一的供电电源内部故障时，会导致系统崩溃，冗余度降低。多个小功率模块并联可以通过改变并联数目以适应不同负载的需求，设计灵活，有效提升系统的冗余性、可靠性[1]。伴随直流模块化电源并联而来的是模块电源间的均流问题。并联模块间的参数差异会带来模块间电流分配不合理，进而使系统工作在极限不稳定状态。尤其在低压大电流的应用场合，细微的参数差异也会导致较大的电流不均。因此模块并联均流技术直接制约着大容量模块化电源系统的发展。移相全桥软开关技术可以显著降低功率器件开关损耗，减小整体尺寸，实现小型化、轻量化。因此移相全桥变换与模块化并联相结合的研究对于标准化大功率电源系统的发展具有重大意义。

DCDC 变换器并联方法可分为外特性均流法与有源均流法。外特性均流法无法兼顾负载调整率与均流精度，因而不适用于中大功率场合[2]。有源均流法目前主要有主从均流法、外加均流控制器、最大电流均流法与平均电流均流法[3]~[4]。主从均流法与最大电流均流法本质上都属于主从控制，主模块的设定会带来整个系统的冗余度与可靠性降低，而自动主从法由于主模块的切换导致系统响应速度较慢。外加均流控制器会大大提升系统的复杂度，不利于实际应用。平均电流均流法无需主从设置，具有响应速度快，均流精度高，控制相对简单等优点。

本文在平均电流均流法的基础上，采用均流外环，内部电压电流双闭环的三环结构，针对低压大电流移相全桥并联变换器进行控制设计与仿真实验验证。

1 移相全桥变换器并联均流机理

图 1 所示为双模块并联电路，其中单模块为移相全桥软开关拓扑，原边与副边通过高频变压器实现隔离。原边为四个功率器件构成的全桥结构，将直流输入转换为高频交流输出，经高频变压器隔离变换、副边二极管整流与输出 LC 滤波转换为直流输出。模块之间输入侧并联接在电源端，输出侧并联接在负载端。

直流电源模块并联系统中，由于模块之间阻抗差异，会导致输出电流分布不均，因此需要加入均流措施。双电源模块并联系统如图 2 所示。

对于模块 1 与与模块 2 分别有：

其中，uo1—模块 1 开路电压；uo2—模块 2 开路电压；

Io1—模块 1 输出电流；Io2—模块 2 输出电流；

Ro1—模块 1 输出阻抗；Ro2—模块 2 输出阻抗；

RL—负载阻抗

对式（1）进行变换则有：

由式（2）可以看出，并联电源模块的输出电流的不均流是由外特性差异所引起。当模块之间的开路电压与输出阻抗不匹配时，输出电流 Io1 与Io2 就会产生差异，且有：

因此在低压大电流应用工况下，微小的参数差异也会产生较大的电流不均。

通过改变并联电源模块输出外特性可以实现均流的目的，如图 3 所示。

分别设置虚拟阻抗 R1’、R2’，则并联电源模块外特性为：

通过调节 uo1’、uo2’、R1’、R2’实现输出阻抗存在差异时，并联电源模块运行在相同的工作点。

2 三环控制系统设计

传统下垂控制可以实现上述均流功能，但输出电压会随着输出电流增大而下降。当输出电流较大时，输出电压无法获得较好的稳态特性。通过限压环控制稳态特性时，模块之间的均流度会恶化。

因此考虑到实际应用中在静态均流的同时，并联电源系统也能具备较好的稳态特性与动态响应特性。控制系统设计为三环控制结构，控制系统示意框图如图 4 所示。内部采用电压电流双闭环，用于控制系统的稳态与动态特性。其中 Gcu(S)为电压PI 调节器，Gci(S)为电流 PI 调节器，Gid(S)为电感电流与有效占空比小信号模型[5]，Gui(S)为输出电压与电感电流小信号模型。外部设置均流环 Gip(S)，用以实现静态均流。Hi(S)与 Hu(S)分别为电流与电压采样传递函数，HR(S)为模块输出电流采样传递函数。内部电流环穿越频率选为 0.1~0.2 倍开关频率，内部电压环穿越频率选取为约 0.2 倍电流环穿越频率。穿越频率处幅频曲线斜率设定为-20dB，穿越频率处留有一定的相位裕度，低频与高频段幅频曲线设计有较大下降斜率，保证内部电压环与电流环设计有较快的响应速度和较低的稳态误差。

均流环开环传递函数为

均流环在单模块控制参数的基础上以均流精度为控制目标，因此设计有较高的低频增益，从而获得较好的稳态性能。

3 仿真与实验验证

根 据前述均流控制系统模型 ， 采用Matlab/Simulink 进行仿真验证，仿真电路与主要仿真参数如图 5 与表 1 所示。

均流仿真控制结果如图 6 与图 7 所示，在输出阻抗存在差异的情况下，均流环介入控制前，模块1 与模块 2 的输出电流分别为 122.2 A 与 116.5 A，不均流度为 2.4%。均流环介入后，模块 1 与模块 2输出电流分别为 119.8 A 与 118.9 A，不均流度为0.4%。可以看出均流控制具有较好的均流精度。

图 8~图 11 为突加突卸 50%负载工况下的输出电压与电流波形，稳态与动态特性如表 2 所示。由表 2 可知并联电源系统在突加突卸负载过程中有较好的动态特性与稳态特性，且在不同的工作点都能够实现较好的均流特性。

在仿真的基础上研制了双电源模块并联样机，额定功率 10 kW，输入为 DC200 V，输出为 DC24 V。图 12、图 13 分别为样机在 50%额定负载与额定负载工况下模块输出电流波形，电流不均衡度分别为1%和 1.2%，说明样机在不同工况下有具有较好的均流特性。

4 结论

在低压大电流移相全桥双模块并联电源应用中，本文所设计的三环均流控制系统能够在不同工况下维持的较高的均流精度，同时保证了电源系统具备较好的稳态特性与动态特性。

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