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高功率陣列內實現(xiàn)均流
設計指南和應用手冊
全型、小型和微型系列DC—DC轉換器及配件模塊
每當電源或轉換器以并聯(lián)配置操作時(無論為了增加功
率輸出、容錯，或兩者兼有)，均流是重要考慮因素。
功率轉換器使用的均流方案大多數(shù)為兩種；包括人工增
加轉換模塊的輸出阻抗，或經實際感應各輸出電流，通
過反饋控制迫使所有電流相等。但是，如果采用同步均
流方案，便無需在每個模塊上配置電流感應或電流測量
裝置，也無需人工增加輸出阻抗，因為這會影響負載調
整。
均流為什么重要
大多數(shù)用于并聯(lián)陣列的功率組件(三極管、整流器、功
率轉換模塊和離線電源)均不會自動均分負載。就功率
轉換器而言，除非在系統(tǒng)中加入強制均流控制的設計，
否則，一個或多個轉換器會承受不成比例或過大的負
載。其中一個轉換器(通常是輸出電壓最高的轉換器)
會輸出高達其限流設置值的電流，這超出了其額定最大
值；然后、電壓會下降到某一點，由陣列中另一個轉換
器(具有次高輸出電壓的轉換器)開始提供電流到負載
點。陣列中所有的轉換器均可輸出部分電流，但不會均
分負載。內置限流可能使所有或大多數(shù)轉換器輸出電
流，但負載仍不會被均分，并有可能損壞轉換器。
考慮一下；一個由兩個模塊組成的陣列，其中一個模塊
輸出所有電流。如果該模塊發(fā)生故障，第二個模塊上的
負載必須從空載升到滿載，在此期間輸出電壓可能臨時
下降。這可能會妨礙系統(tǒng)操作，包括停機或重啟。但如
果兩個模塊能夠均分負載，當一個模塊發(fā)生故障時，仍
能正常操作的模塊所經歷的瞬變就會輕微得多(半載至
滿載)，輸出電壓可能只會短暫略微下降。所有正向轉
換器不論是諧振或脈寬調制，從空載躍升至滿載的動態(tài)
響應是最差的，因為這樣的負載躍升是輸出電感電流變
成非連續(xù)性。
在上述的雙模塊陣列示例中，承載所有負載的模塊也會
同時產生所有熱能，使得該模塊的平均故障間隔時間
(MTBF)大為縮短。一條常被引用的經驗法則認為，操作
溫度每升高1 0℃，組件的平均操作壽命就會減半。相比
起系統(tǒng)內沒有做均流的模塊，在均流系統(tǒng)中的所有轉換
器或電源都可在較低溫度下操作。于是，所有模塊的操
作壽命應會相同。
由于可以改善系統(tǒng)的性能，均流因此非常重要。它減輕
了瞬變／動態(tài)響應和散熱的問題，并提高了系統(tǒng)的可靠
性。在大多數(shù)使用多個電源或轉換器來增加功率或容錯
的系統(tǒng)中，均流是一個必要的部分。
為在擴大功率的陣列內實現(xiàn)均流
當并聯(lián)電源或轉換器時，大多是為了增加功率，有多種
方法可實現(xiàn)均流。其中一種方案是簡單地串聯(lián)電阻至負
載。另一種更實用的變通方案是“降壓調衡”方法。這
是一個隨著負載的增加而自主地使輸出電壓下降。兩種
最常用于轉換器并聯(lián)來增強功率的方法；是驅動器／倍增
器或主／從陣列，以及模擬均流控制。這兩種方法看起來
很相似，但是各自的實施方式卻有很大區(qū)別。驅動器／倍
增器陣列通常包括一個智能模塊或驅動器，以及一個或
多個只用作功率傳輸?shù)哪K或倍增器。模擬均流控制是
并聯(lián)兩個或更多的相同模塊，而各模塊均具智能。
降壓調衡如圖5—1所示的降壓調衡方法，是增大輸出
阻抗以迫使電流相等。這可通過將誤差信號注入轉換器
的控制環(huán)路，使輸出電壓成為負載電流的函數(shù)來實現(xiàn)。
隨著負載電流增加，而輸出電壓減低。因為它們均匯人
一個交點，所有模塊具有大致等量的電流。如果一個電
源提供的電流比另一個電源大，其輸出電壓會強制下降
小許，以使在匯流交點達到等量電壓輸出而提供等量電
流。圖5—1所示為本方案的簡單實施方法，利用或門二
極管的電壓降(與電流成正例)，迫使轉換器各自調整
其輸出電壓。
降壓調衡既有優(yōu)點又有缺點。優(yōu)點之一是可適用到任何
拓撲的轉換器。實施起來既頗為簡單而成本也低廉。但
是，主要缺點在于需要感應電流來運作。每個轉換器或
電源內需要電流感應裝置。此外，負載調整會受到微小
影響，盡管這在大多數(shù)應用中不成問題。
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高功率陣列內實現(xiàn)均流
一般來說，不建議混合配對轉換器，尤其是各轉換器使
用不兼容均流方案。但是，降壓調衡方法在這方面比任
何其它方法較為寬松。可用不同轉換模塊或甚至是不同
廠商的電源，在并聯(lián)陣列外加電路也可實現(xiàn)均流。
驅動器，倍增器陣列大多數(shù)Vicor的轉換器可使用驅動
器／倍增器造成陣列提高功率。(圖5—2)驅動器／倍增器
陣列通常包括一個智能模塊或驅動器，以及一個或多個
只用作功率傳輸?shù)哪K或倍增器。驅動器用于設置和控
制輸出電壓，而倍增器模塊用于提高輸出功率來滿足系
統(tǒng)要求。
準諧振轉換器組成的驅動器／倍增器陣列，模塊使用相同
的功率傳輸方法，由于每個模塊內，每單一脈沖所傳輸
的能量相等，所以能固有地自動均流。如果把各模塊的
輸入端和輸出端連接起來，以及各模塊都有相同的操作
頻率，則所有模塊都會提供相同的電流(在組件容差范
圍內)。陣列中的只有單個智能模塊會決定瞬變響應，
而該響應在添加模塊時不會發(fā)生變化。而陣列中的各倍
增器模塊之間，當輸出端均連接一起，就只需一條聯(lián)
一機，并不需要微調輸出、其它調整或外加元件便可達至
均流。而且均流也是動態(tài)的，甚至可以保證在百分之五
的容差范圍內。
務必記住，在使用倍增器時，倍增器的輸入電壓、輸出
電壓和輸出功率必須與驅動器相同。
驅動器／倍增器陣列的優(yōu)點在于它們只有單一個控制環(huán)
路，因此不存在環(huán)中帶環(huán)的穩(wěn)定性問題，并具有良好的
瞬變響應。但是，這種排列不帶容錯。如果驅動模塊發(fā)
生故障，陣列將無法維持其輸出電壓。
模擬均流控制模擬均流控制(常見于脈寬調制式轉換
器)是將兩個或更多的相同模塊并聯(lián)，各模塊均具智
能。電路動態(tài)地調整各電源的輸出電壓，以便多個電源
提供等量電流。但是，這種方法有許多缺點。陣列中的
每個轉換器均有自己的電壓調整環(huán)路，且需要電流感應
裝置和電流控制環(huán)路。
模擬均流控制支持一定程度的冗余，但在均流母線內較
易出現(xiàn)單點故障，在最輕微情況下可能會破壞均流，而
在最壞情況下可能會毀壞陣列中的各模塊。出現(xiàn)這種情
況的主要原因在于模塊之間帶單線伏打電流連接所引起
的。
圖5—1一降壓調衡方法以人I增加輸出阻抗至使電流相等，
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實現(xiàn)均流并帶容錯的陣列
均流是帶容錯陣列的基本要素。無論采用什么方法，都
會因增加至少一個冗余轉換器或電源而增加固有成本。
目前，要求容錯或冗余的大多數(shù)應用也需要熱插拔功
能，以確保系統(tǒng)連續(xù)地操作。設計可熱插拔的電源卡，
必須避免操作員有機會接觸到高壓、強電流或高溫等潛
在的危險。同時需要對模塊進行故障監(jiān)測；和確認模塊
故障而發(fā)出的警示或通知。一個熱插拔系統(tǒng)必須確保在
拔出過程中對電源母線做到最小的干擾。明確一點而
言，是受影響的電壓母線不論是輸入或輸出母線，也不
可下降太多，以致系統(tǒng)發(fā)生誤差。
N+I冗余電源故障可能會損壞整個系統(tǒng)，因此可增加
一個冗余轉換器或電源，以確保發(fā)生故障時系統(tǒng)繼續(xù)操
作。將一個附加模塊添加到一組并聯(lián)模塊(N+1)，只需
增加少量成本，但可顯著提高系統(tǒng)可靠性。
如何利用轉換器實施冗余，其中的因素是取決于可用的
空間和成本要求。例如，可用兩個500 W的全型模塊提
’供1 kW輸出，加上一個附加的500 W模塊，在大約
16．5立方英寸(270 cm。)的體積內構成總輸出為1 15 kW
的2+1冗余陣列。也可以將四個200 W的半磚模塊與第
五個的．200 W模塊在14立方英寸(229 cm。)的體積內
構成總輸出為1 kW的4+1冗余陣列。盡管第二種方案
使用的空間更少，但是由于使用的轉換器、或門二極
管、監(jiān)控電路和組件更多，就增加了累計故障率。
可將或門二極管串入N+1陣列中各模塊的正輸出端，以
提供輸出容錯(圖5—1)。這對于在冗余電源系統(tǒng)中維
持故障隔離非常重要。如果沒有這些或門二極管，一個
轉換器輸出的短路故障可能會拖垮整個陣列。同樣，每
個轉換器的輸入端也需使用保險絲，以防止轉換器輸入
短路危及整個陣列。
但是，或門二極管也增加了電源系統(tǒng)的功耗，降低整體
效率(并可能降低可靠性)。為緩和對效率的這種不利
影響，或門二極管在應用時應該保持在較高溫的管芯，
以減少正向電壓下降和提高系統(tǒng)效率。但是如果轉換器
的輸出短路和二極管反向偏壓時，反向漏電流就會成為
問題。這是有關操作溫度的一個重要考慮因素。
可以采用多種方法實現(xiàn)確保系統(tǒng)可靠性所需的均流。如
早前圖5—1所示的降壓調衡法例子，亦同時是使用或門
二極管的N+1冗余陣列的一個示例。
同步均流全型、小型和微型模塊都是零電流和零電壓開
關拓撲轉換器，利用它們，可以實現(xiàn)同步均流
(圖5—2)。每個模塊均具有控制陣列的能力，也就是
說它們構成了一個民主陣列。主導模塊在并聯(lián)母線上傳
輸脈沖，而母線上的所有其它模塊則與之同步。
轉換器將該脈；中用作均流信號，以便用于增強功率和容
錯應用。并聯(lián)母線上的脈；中信號通過將各轉換器的高頻
開關同步，簡化了均流控制。模塊上的并聯(lián)引腳是可以
傳輸和接收信息的雙向端口。如果主導模塊讓出主控
權，則陣列中的另一個模塊會在很少或不擾亂輸出母線
的情況下自動成為主導。脈；中信號也為設計師提供選擇
性，可在并聯(lián)引腳之間添加電容(圖5—3)或變壓器，
以提供直流隔離的耦合。這種耦合可以防止單個模塊內
部的故障影響陣列中的其它模塊，以此提高容錯水平。
當全型、小型和微型轉換器陣列中的模塊分布得太遠；
或由分開的電源操作時，可使用均流母線變壓器
(圖5—4)實現(xiàn)均流。由于均流信號是脈沖信號，可以
透過變壓器來耦合。變壓器耦合這種脈沖信號可提供高
水平的共模噪聲抗擾性，并保持安全特低電壓(SELV)與
初級電源隔離。這在需要板至板負載均分的冗余應用中
尤其有用。
同步均流可以免除每個模塊內的電流傳感或電流測量裝
置，且不影響負載調整。同步均流架構還有其它優(yōu)點，
包括良好的瞬變響應、免除多重環(huán)路控制，以及很高的
系統(tǒng)噪聲抗擾度。同步均流用于民主控制陣列中，為功
率架構設計者提供了實現(xiàn)簡單，無耗散均流控制的新機
會。同時提供了簡化均流和減少折衷妥協(xié)的機會，例如
需要從各獨立模塊感應電流，并調整各控制電壓正如其
它均流方法一樣。
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