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高功率陣列內(nèi)實(shí)現(xiàn)均流
設(shè)計(jì)指南和應(yīng)用手冊(cè)
全型、小型和微型系列DC—DC轉(zhuǎn)換器及配件模塊
每當(dāng)電源或轉(zhuǎn)換器以并聯(lián)配置操作時(shí)(無論為了增加功
率輸出、容錯(cuò)，或兩者兼有)，均流是重要考慮因素。
功率轉(zhuǎn)換器使用的均流方案大多數(shù)為兩種；包括人工增
加轉(zhuǎn)換模塊的輸出阻抗，或經(jīng)實(shí)際感應(yīng)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(gè)模塊上配置電流感應(yīng)或電流測(cè)量
裝置，也無需人工增加輸出阻抗，因?yàn)檫@會(huì)影響負(fù)載調(diào)
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(zhuǎn)換模塊和離線電源)均不會(huì)自動(dòng)均分負(fù)載。就功率
轉(zhuǎn)換器而言，除非在系統(tǒng)中加入強(qiáng)制均流控制的設(shè)計(jì)，
否則，一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換器會(huì)承受不成比例或過大的負(fù)
載。其中一個(gè)轉(zhuǎn)換器(通常是輸出電壓最高的轉(zhuǎn)換器)
會(huì)輸出高達(dá)其限流設(shè)置值的電流，這超出了其額定最大
值；然后、電壓會(huì)下降到某一點(diǎn)，由陣列中另一個(gè)轉(zhuǎn)換
器(具有次高輸出電壓的轉(zhuǎn)換器)開始提供電流到負(fù)載
點(diǎn)。陣列中所有的轉(zhuǎn)換器均可輸出部分電流，但不會(huì)均
分負(fù)載。內(nèi)置限流可能使所有或大多數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出電
流，但負(fù)載仍不會(huì)被均分，并有可能損壞轉(zhuǎn)換器。
考慮一下；一個(gè)由兩個(gè)模塊組成的陣列，其中一個(gè)模塊
輸出所有電流。如果該模塊發(fā)生故障，第二個(gè)模塊上的
負(fù)載必須從空載升到滿載，在此期間輸出電壓可能臨時(shí)
下降。這可能會(huì)妨礙系統(tǒng)操作，包括停機(jī)或重啟。但如
果兩個(gè)模塊能夠均分負(fù)載，當(dāng)一個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)，仍
能正常操作的模塊所經(jīng)歷的瞬變就會(huì)輕微得多(半載至
滿載)，輸出電壓可能只會(huì)短暫略微下降。所有正向轉(zhuǎn)
換器不論是諧振或脈寬調(diào)制，從空載躍升至滿載的動(dòng)態(tài)
響應(yīng)是最差的，因?yàn)檫@樣的負(fù)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(fù)載的模塊也會(huì)
同時(shí)產(chǎn)生所有熱能，使得該模塊的平均故障間隔時(shí)間
(MTBF)大為縮短。一條常被引用的經(jīng)驗(yàn)法則認(rèn)為，操作
溫度每升高1 0℃，組件的平均操作壽命就會(huì)減半。相比
起系統(tǒng)內(nèi)沒有做均流的模塊，在均流系統(tǒng)中的所有轉(zhuǎn)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(yīng)會(huì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)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(gè)電源或轉(zhuǎn)換器來增加功率或容錯(cuò)
的系統(tǒng)中，均流是一個(gè)必要的部分。
為在擴(kuò)大功率的陣列內(nèi)實(shí)現(xiàn)均流
當(dāng)并聯(lián)電源或轉(zhuǎn)換器時(shí)，大多是為了增加功率，有多種
方法可實(shí)現(xiàn)均流。其中一種方案是簡(jiǎn)單地串聯(lián)電阻至負(fù)
載。另一種更實(shí)用的變通方案是“降壓調(diào)衡”方法。這
是一個(gè)隨著負(fù)載的增加而自主地使輸出電壓下降。兩種
最常用于轉(zhuǎn)換器并聯(lián)來增強(qiáng)功率的方法；是驅(qū)動(dòng)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(shí)施方式卻有很大區(qū)別。驅(qū)動(dòng)器／倍
增器陣列通常包括一個(gè)智能模塊或驅(qū)動(dòng)器，以及一個(gè)或
多個(gè)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(gè)或更多的相同模塊，而各模塊均具智能。
降壓調(diào)衡如圖5—1所示的降壓調(diào)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(hào)注入轉(zhuǎn)換器
的控制環(huán)路，使輸出電壓成為負(fù)載電流的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。
隨著負(fù)載電流增加，而輸出電壓減低。因?yàn)樗鼈兙鶇R人
一個(gè)交點(diǎn)，所有模塊具有大致等量的電流。如果一個(gè)電
源提供的電流比另一個(gè)電源大，其輸出電壓會(huì)強(qiáng)制下降
小許，以使在匯流交點(diǎn)達(dá)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(jiǎn)單實(shí)施方法，利用或門二
極管的電壓降(與電流成正例)，迫使轉(zhuǎn)換器各自調(diào)整
其輸出電壓。
降壓調(diào)衡既有優(yōu)點(diǎn)又有缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)之一是可適用到任何
拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換器。實(shí)施起來既頗為簡(jiǎn)單而成本也低廉。但
是，主要缺點(diǎn)在于需要感應(yīng)電流來運(yùn)作。每個(gè)轉(zhuǎn)換器或
電源內(nèi)需要電流感應(yīng)裝置。此外，負(fù)載調(diào)整會(huì)受到微小
影響，盡管這在大多數(shù)應(yīng)用中不成問題。
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一般來說，不建議混合配對(duì)轉(zhuǎn)換器，尤其是各轉(zhuǎn)換器使
用不兼容均流方案。但是，降壓調(diào)衡方法在這方面比任
何其它方法較為寬松�？捎貌煌D(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)均流。
驅(qū)動(dòng)器，倍增器陣列大多數(shù)Vicor的轉(zhuǎn)換器可使用驅(qū)動(dòng)
器／倍增器造成陣列提高功率。(圖5—2)驅(qū)動(dòng)器／倍增器
陣列通常包括一個(gè)智能模塊或驅(qū)動(dòng)器，以及一個(gè)或多個(gè)
只用作功率傳輸?shù)哪K或倍增器。驅(qū)動(dòng)器用于設(shè)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(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器組成的驅(qū)動(dòng)器／倍增器陣列，模塊使用相同
的功率傳輸方法，由于每個(gè)模塊內(nèi)，每單一脈沖所傳輸
的能量相等，所以能固有地自動(dòng)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(huì)提供相同的電流(在組件容差范
圍內(nèi))。陣列中的只有單個(gè)智能模塊會(huì)決定瞬變響應(yīng)，
而該響應(yīng)在添加模塊時(shí)不會(huì)發(fā)生變化。而陣列中的各倍
增器模塊之間，當(dāng)輸出端均連接一起，就只需一條聯(lián)
一機(jī)，并不需要微調(diào)輸出、其它調(diào)整或外加元件便可達(dá)至
均流。而且均流也是動(dòng)態(tài)的，甚至可以保證在百分之五
的容差范圍內(nèi)。
務(wù)必記住，在使用倍增器時(shí)，倍增器的輸入電壓、輸出
電壓和輸出功率必須與驅(qū)動(dòng)器相同。
驅(qū)動(dòng)器／倍增器陣列的優(yōu)點(diǎn)在于它們只有單一個(gè)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(yīng)。但是，這種排列不帶容錯(cuò)。如果驅(qū)動(dòng)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(diào)制式轉(zhuǎn)換
器)是將兩個(gè)或更多的相同模塊并聯(lián)，各模塊均具智
能。電路動(dòng)態(tài)地調(diào)整各電源的輸出電壓，以便多個(gè)電源
提供等量電流。但是，這種方法有許多缺點(diǎn)。陣列中的
每個(gè)轉(zhuǎn)換器均有自己的電壓調(diào)整環(huán)路，且需要電流感應(yīng)
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(nèi)較
易出現(xiàn)單點(diǎn)故障，在最輕微情況下可能會(huì)破壞均流，而
在最壞情況下可能會(huì)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(diào)衡方法以人I增加輸出阻抗至使電流相等，
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實(shí)現(xiàn)均流并帶容錯(cuò)的陣列
均流是帶容錯(cuò)陣列的基本要素。無論采用什么方法，都
會(huì)因增加至少一個(gè)冗余轉(zhuǎn)換器或電源而增加固有成本。
目前，要求容錯(cuò)或冗余的大多數(shù)應(yīng)用也需要熱插拔功
能，以確保系統(tǒng)連續(xù)地操作。設(shè)計(jì)可熱插拔的電源卡，
必須避免操作員有機(jī)會(huì)接觸到高壓、強(qiáng)電流或高溫等潛
在的危險(xiǎn)。同時(shí)需要對(duì)模塊進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)；和確認(rèn)模塊
故障而發(fā)出的警示或通知。一個(gè)熱插拔系統(tǒng)必須確保在
拔出過程中對(duì)電源母線做到最小的干擾。明確一點(diǎn)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(huì)損壞整個(gè)系統(tǒng)，因此可增加
一個(gè)冗余轉(zhuǎn)換器或電源，以確保發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)繼續(xù)操
作。將一個(gè)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(zhuǎn)換器實(shí)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(gè)500 W的全型模塊提
’供1 kW輸出，加上一個(gè)附加的500 W模塊，在大約
16．5立方英寸(270 cm。)的體積內(nèi)構(gòu)成總輸出為1 15 kW
的2+1冗余陣列。也可以將四個(gè)200 W的半磚模塊與第
五個(gè)的．200 W模塊在14立方英寸(229 cm。)的體積內(nèi)
構(gòu)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(zhuǎn)換器、或門二極
管、監(jiān)控電路和組件更多，就增加了累計(jì)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(cuò)(圖5—1)。這對(duì)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(gè)
轉(zhuǎn)換器輸出的短路故障可能會(huì)拖垮整個(gè)陣列。同樣，每
個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸入端也需使用保險(xiǎn)絲，以防止轉(zhuǎn)換器輸入
短路危及整個(gè)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(duì)效率的這種不利
影響，或門二極管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)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(zhuǎn)換器
的輸出短路和二極管反向偏壓時(shí)，反向漏電流就會(huì)成為
問題。這是有關(guān)操作溫度的一個(gè)重要考慮因素。
可以采用多種方法實(shí)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(diào)衡法例子，亦同時(shí)是使用或門
二極管的N+1冗余陣列的一個(gè)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(guān)拓?fù)滢D(zhuǎn)換器，利用它們，可以實(shí)現(xiàn)同步均流
(圖5—2)。每個(gè)模塊均具有控制陣列的能力，也就是
說它們構(gòu)成了一個(gè)民主陣列。主導(dǎo)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(zhuǎn)換器將該脈；中用作均流信號(hào)，以便用于增強(qiáng)功率和容
錯(cuò)應(yīng)用。并聯(lián)母線上的脈；中信號(hào)通過將各轉(zhuǎn)換器的高頻
開關(guān)同步，簡(jiǎn)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(dǎo)模塊讓出主控
權(quán)，則陣列中的另一個(gè)模塊會(huì)在很少或不擾亂輸出母線
的情況下自動(dòng)成為主導(dǎo)。脈；中信號(hào)也為設(shè)計(jì)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(gè)模塊內(nèi)
部的故障影響陣列中的其它模塊，以此提高容錯(cuò)水平。
當(dāng)全型、小型和微型轉(zhuǎn)換器陣列中的模塊分布得太遠(yuǎn)；
或由分開的電源操作時(shí)，可使用均流母線變壓器
(圖5—4)實(shí)現(xiàn)均流。由于均流信號(hào)是脈沖信號(hào)，可以
透過變壓器來耦合。變壓器耦合這種脈沖信號(hào)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(jí)電源隔離。這在需要板至板負(fù)載均分的冗余應(yīng)用中
尤其有用。
同步均流可以免除每個(gè)模塊內(nèi)的電流傳感或電流測(cè)量裝
置，且不影響負(fù)載調(diào)整。同步均流架構(gòu)還有其它優(yōu)點(diǎn)，
包括良好的瞬變響應(yīng)、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(gòu)設(shè)計(jì)者提供了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，無耗散均流控制的新機(jī)
會(huì)。同時(shí)提供了簡(jiǎn)化均流和減少折衷妥協(xié)的機(jī)會(huì)，例如
需要從各獨(dú)立模塊感應(yīng)電流，并調(diào)整各控制電壓正如其
它均流方法一樣。
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