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基于并联均流的模块电源工程设计

发布时间:2018-10-06 21:57 论文编辑:lgg 所属栏目:工程论文 关键词: 并联均流模块电源工程设计

本文是一篇工程论文,工程论文是学术作品,因此其表述要严谨简明,重点突出,专业常识应简写或不写,做到层次分明、数据可靠、文字凝练、说明透彻、推理严谨、立论正确,避免使用文学

本文是一篇工程论文,工程论文是学术作品,因此其表述要严谨简明,重点突出,专业常识应简写或不写,做到层次分明、数据可靠、文字凝练、说明透彻、推理严谨、立论正确,避免使用文学性质的或带感情色彩的非学术性语言。论文中如出现一个非通用性的新名词、新术语或新概念,需随即解释清楚。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 并联电源系统简介
伴随当前科技的不断进步,在电气设备的实际应用中对于电源的输出功率提出了较高的要求,因此单台电源输出功率较低成为限制当前电源高功率应用的重要阻碍。在现实应用中,通常单一电源难以满足电源功率需求,而如果采用提高单台电源参数的方式则无疑将增加设计成本,延长开发周期,进而对企业造成不利影响。电源产品的并联运行是扩大电容量的一个有效方法,是实现组合大功率电源系统的关键,也是电源技术发展的走势之一[1]。在上世纪 70 年代的计算机使用的电源上,便提出了分布式电源系统的概念。通常通信系统中配置有多个相同配置的电源设备,这种方案设计能够很大程度上提高系统的可靠性和系统稳定性。针对传统供电电源功率不足问题,新的理论解决方式也是通过制作电源功率较小的模块,最后通过并联、分布式连接,以满足大功率电源系统的应用要求[2]。在 80 年代,伴随高频电源技术以及功率器件的高速发展,在电力电子学行业内衍生出多个新型领域,开关电源分布式供电技术成为当时电力电子领域的新型方向之一。开关电源并联技术在配置方式上相对灵活,且不同模块所承载的电应力较小,能够获得供电系统功率密度的提升[3]。在并联开关电源领域,电源模块的分布式技术是实现大功率电源系统的关键。现阶段,提高开关电源功率的方式主要是通过开关级联的技术实现。这种分布式电源系统,相对单台电源工作方式,能够在设计上提高灵活性,能够按照不同的应用需求实现多个电源模块的组建,以匹配不同的供电功率需求,且电源容量可以得到扩展。在分布式电源系统中,每个模块承载相同的负载功率,即只承担总功率的小部分,继而保证系统的可靠性。分布式电源的方案设计,不仅降低了成本,并且也在一定程度上实现了电源供电系统的可靠性,进而走入人们的视野[4]。当前分布式电源技术得到了广泛的发展,其在实际电气设备中的应用规模逐渐扩大[5]。
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1.2 并联电源系统的研究意义
传统的单电源供电系统在面临扩容、增加功率问题的时候,往往需要面临重开发、重设计等问题。而并联电源系统与单电源系统相比具有很多的优点[6][7]:(1)降低成本投入,方便实现大容量的供电;(2)能够很大程度上提升开关高频特性,继而提升电源模块的密度;(3)能够降低单个半导体器件的热应力和电流应力;(4)系统可靠性和灵活性实现了大幅提升;(5)便于实现 N+n 冗余供电方式,系统的容量可以根据需要对其进行扩展;(6)便于后期维护,有助于提升电源的标准化设计。具体来说,低成本一方面指小功率模块单位输出功率成本比较低,同时能够针对不同功率的用电需求,实现模块间的级联,极大程度降低了产品的开发成本和设计周期。大容量供电电源系统建立在小功率模块基础上,组成系统的模块间实现总功率的平均,比较容易实现。可靠性是指单电源供电,一旦出现电源故障则整个系统将会受到影响。而并联供电系统中,假如系统中某些模块出现故障,便于实现故障的隔离,而其它模块作为正常模块进行正常供电,很大程度上实现系统可靠性的提升。良好的冗余性为定义 N 个并联工作子模块加 n 个备用子模块协同工作。如果在N 个正常工作的子模块当中的一个子模块出现故障时,系统不仅能隔离故障子模块,同时还能在 n 个备用子模块中选取一个子模块来替换原来的故障模块。这种冗余性是单电源供电系统所不具备的。
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2 并联均流技术介绍
 
2.1 并联均流控制的意义
并联电源系统技术相对于传统单电源系统拥有许多优势,不过如果仅采用直接并联的方式,也会出现问题。实际生活中由于制作工艺原因,并联电源系统中的各个电源子模块在相应参数上无法制作得一模一样。各个元件的差异可以尽量缩小,但是却无法消除这种差异。除此之外,各电源子模块的参数还会随着外部环境因素等(如:温度、时间等)变化而变化。鉴于这种子模块上的参数差异,如果将各个子模块直接并联,必定会造成个子模块间分担负载电流不均的情况。即部分电源子模块输出电流小,部分电源子模块输出电流大。甚至出现某些电源子模块空载运行,某些子模块满载运行等情况出现。首先,长时间输出电流较大的电源子模块,其承受的电流和电压应力也较大。这也就导致其故障率的上升。再者各个电源子模块输出电流不均遇到重载时,将会导致部分分布式电源子模块到达最大电流参数,这种情况下需要系统采取保护动作,避免造成子模块的损坏,进而影响系统整体的供电效率。故需要用并联均流技术来应对上述问题。在此基础上,开关电源分布式技术在设计电气设备中的应用优势日益体现。不过在设计并联系统时,需要在模块间配置均流方案,切实保证分布式电源中呈现出的电流和热应力分配问题,避免出现子模块达到自身的输出电流最大参数。所以,采用高可靠性的均流方案成为实现并联大功率系统的重要问题。这种供电技术在实现单个功率半导体器件热和电流应力的降低的同时,还能够提升系统的设计灵活性和可靠性。但由于每个单电源模块的输出电压和输出阻抗特性无法完全一致,简单的将多个单电源模块并联在一起,并不能保证各模块输出电流完全一致,这样就有可能出现有的模块全负荷工作,而有的模块却空载运行的情况[8]。这样通过简单的并联方式并不能保证整体系统的有效性、稳定性、使用寿命等。因此,要实现多个电源模块的并联运行,其核心是均流技术,需要额外的电路来实现均流的功能,让所有模块均分负载以达到增大电源输出功率的目的。
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2.2 均流技术的原理和标准
对于并联电源系统的单个 DC/DC 电源子模块,可以用电压源串联一个电阻来等效替换研究。如此把两个子模块并联,则会出现两种情况[9]:一种是,输出特性曲线相同但空载时输出电压不同,如下图 2.1(a)。均流控制的衡量标准一般按均分负载电流不平衡度 CSerror%来衡量,该参数越小则最终的系统均流性越高,也就是系统子模块电流值与系统需求之的偏理性较低。反之,其值越大电路均流性能越差。我国电气行业标准中规定负载不平衡度需要低于器件电流输出值的 5%。
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3 单电源子模块设计......... 13
3.1 电源拓扑结构的选取与分析 ............. 13
3.1.1 升压式直流变换器工作原理 ........... 13
3.1.2 升压式直流变换器参数计算 ........... 15
3.2 控制芯片的介绍及外围参数配置 ..... 17
3.3 单电源整体结构设计与仿真 ............. 21
3.3.1 整体结构设计............. 21
3.3.2 单电源模块的仿真..... 22
3.4 本章小结 ............ 25
4 多电源并联均流设计..... 27
4.1 并联均流整体方案 ....... 27
4.2 均流控制硬件设计 ....... 28
4.3 均流软件设计 .... 32
4.4 本章小结 ............. 39
5 系统实验测试..... 41
5.1 单电源模块实物制作与测试 ............. 41
5.2 多电源模块并联均流测试 ....... 45
 
5 系统实验测试
 
在设计完单电源子模块和并联均流的软硬件后,需要进行相应的实验研究和数据测试。看能否达到设计要求以及能否达到增大电源输出功率的目的。首先是对单电源子模块的输出功率、输出效率等参数进行测试。然后对多电源并联的稳定性以及负载电流不平衡度 CSerror进行测试。最后,对实验数据进行比较分析,验证通过并联均流方式增加电源输出功率的可行性。
 
5.1 单电源模块实物制作与测试
 
5.1.1 各模块的实物制作
根据前面章节的仿真,进行实物的电路图设计,主要有单电源模块、辅助电源模块以及电流采样电路等。其中单电源模块的具体的电路图如下:
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总结
 
通过多个电源子模块的并联运行,可以增大电源输出功率,提升设计的灵活性、可靠性,方便系统实现冗余,减小每个电源子模块承受的电应力和热应力,提高了电源运行的稳定性。故开关电源的并联均流技术成为了开关电源研究的热点之一。本文设计了 DC/DC 电源子模块,采用多个电源子模块并联构成大功率电源系统。然后分析了其工作原理,计算了相关参数,设计了相应电路,并成功制作出样机验证。经过对样机在不同负载下的实验,实现了基于单片机的多电源模块并联组成更大功率电源系统的研究目的。并联均流系统分为:单电源子模块和均流模块。本文按照预定的研究计划和实验步骤成功的完成了课题相关工作,本文的主要研究内容和结论如下: