用开关电源并联运行实现仪表24V冗余电源的问题

用开关电源并联运行实现仪表24V电源N+M冗余的问题

【背景】

在对某（镇海炼化100万吨/年）乙烯工程进行质量检查时，监督工程师发现仪表24V电源是应用模块化开关电源并联运行来实现N+M（4+4）冗余的，各开关电源间没有通讯线或均流母线等联系，仅在输出端设计了“解偶二极管”，以防止某一或某些开关电源输出电压较低或短路时成为其它电源的负载，其电路原理如图1所示。查阅该开关电源技术说明书，其电压/电流的特性如图2所示。

图1 仪表24V并联电源原理图图2 开关电源电压/电流特性曲线【评析】

随着石油化工装置大型化及其自动化程度的提高，控制系统需要组建一个大容量、安全可靠的仪表24V电源系统。但受构成电源模块的半导体功率器件、磁性材料等自身性能的影响，单个开关电源模块的输出参数（如电压、电流、功率）往往不能满足要求。若采用多个电源模块并联供电，如图3所示，就不但可以提供所需电流，而且还可以形成N+M冗余结构，提高了系统的稳定性，可谓一举两得，这也是提供大功率电源的技术发展的一个方向。

图3 多个电源模块并联供电框图

但是，在电源模块并联运行时，由于各个模块参数的分散性，使其输出的电流不可能完全一样，使电压调整率小的模块承担较大的电流甚至过载，热应力大；外特性较差的模块运行于轻载其至是空载。其结果必然使电源热应力分配不均，寿命减小，可靠性降低。有资料表明，工作环境温度每提高10℃，电子元器件寿命约降低1/2，这就是有名的阿雷尼厄10度法则。因此，使各并联电源模块的输出电流平均分配，是提高并联电源系统稳定性的一个必须解决的问题，保证模块间电流应力和热应力的均匀分配，防止单个或部分模块运行在过载或电流极限值状态[1]。

由于大功率电源负载需求的增加以及分布式电源系统的发展，开关电源并联技术的重要性也日益增加。但是并联的开关变换器在模块间通常需要采用均流（Current sharing）措施。它是实现大功率电源系统的关键，其目的在于保证模块间电源应力和热应力的均匀分配，防止一台或多台模块运行在电流极限（限流）状态。因为并联运行的各个模块特性并不一致，外特性好（电压调整率小）的模块可承担更多的电流，甚至过载，从而使某些外特性较差的模块运行于轻载状态，甚至基本上是空载运行。其结果必然加大了分担电流多的模块的热应力，从而降低了可靠性。

对于多个模块并联运行电源系统的基本要求是[2]：一是输入电压或者负载发生变化时，保持输出电压稳定；二是控制各模块的输出电流，实现负载电流平均分配，均流动态响应良好。不难看出，均流的实质即是通过均流控制电路，调整各模块的输出电压，从而调整输出电流，以达到电流均分的目的。一般开关电源是一个电压型控制的闭环系统，均流的基本思想是采样各自输出电流信号，并把该信号引入控制环路中，来参与调整输出电压。选择不同的电流信号注入点，可以直接调节系统基准电压、反馈电压误差、或者反馈电流误差，形成多种均流方

案。

按照并联电源系统中模块之间有无传递均流信号的互连线，所有均流方法可归成两大类：下垂均流法和有源均流法，下垂法为模块之间只有输出端导线相连；有源均流法除了连接输出导线外，还用均流母线把各模块连在一起。

依据上述并联电源均流分类方法，本案例中的仪表24V电源系统仅有可能为下垂法均流，甚至是无均流措施（该电源的技术文件中未作说明，电路图作为商业秘密也未能提供查阅）。下面，我们不妨对无均流措施、下垂均流和有源均流等三种并联电源的工作情况进行一下简单分析，以了解本案例中的仪表24V 电源系统。

1 无均流措施

开关电源的输出电压一般可以设定在一定范围内的某一个值，一旦将输出电压设定在某一值，无论在空载还是有载情况下，开关电源会使输出保持在这一电压，单台电源表现出较好的电压/电流的特性，如图2所示：在24-28V之内可以任意设定输出电压。而当输出电流过大，大于其额定值时，电源就进入过载状态，电压会降低，各种元器件都可能处于超负荷，导致电源综合性能和可靠性降低。

在图1或图2的电源应用中，理论上，如果将各个电源的输出电压设为完全相同，则它们会彼此平分电流。但事实上，由于设定旋钮一般只能粗调，各个电源的输出设定不可能完全相同，设定电压较高的电源会优先分担大部分电流，直至处于过载，其输出电压下降；当下降到与另一台电源输出电压相同，另一电源才起动，开始分担电流，如果两台电源总的输出仍无法满足负载，则第2台电源也进入过载，输出电压又下降；直至第3、4…台电源也起动，总输出电流可以满足负载需要。

此时，负载端实际的电压决定于设定输出电压最低的电源部分开关电源则处于过载状态。这是开关电源在无均流措施时，经过简单的并联增在输出功率构成N+M冗余的情况，而长期处于过载的电源常常需要维护工程师的眷顾，因为它们最容易损坏并需要更换。

2 下垂法均流

下垂法全称外特性下垂法，也叫做斜率控制法。在并联电源模块系统中，各个电源模块是独立工作的。每个模块根据其外特性以及电压参数值来确定输出电流。在下垂法中，主要是利用电流反馈信号来调节各模块的输出阻抗，也就是调节V o=f(I o)的斜率，从而调节输出电流。其工作原理图如图4所示。

图4 下垂法均流工作原理图

R i为任一并联模块电源输出电流I o的采样电阻，经电流放大产生电流反馈电压信号V i，V f为输出电压反馈，V r为V i与V f的和，V g为控制基准电压，V e为误差电压。当某一模块输出电流I o偏大时，电压与电流反馈合成信号V r=V i＋V f增大，与V g进行比较后，使V e减小，V e反馈回电源模块的控制部分，使该模块的输出电压I o下降，则I o减小，即V o=f(I o)外特性下调。每个模块各自调整自己的输出电流，就可以实现各模块的并联均流。

这种方法的优点是简单，不需要外加专门的均流装置，属于开环控制，小电流时均流效果差，随着负载增加均流效果有所改善。对稳压源而言，希望外特性

斜率越小越好，而下垂法则以降低电压调整率为代价来获取均流，该法可以应用在均流精度大于或等于10%的场合[3]。（开关电源并联运行及其均流技术《电气自动化》2004年第26卷第2期3,5 韦聪颖张波）

3 有源法均流

有源均流法是均流方法中的一大类别，其特征是采用互连通讯线连接所有的并联模块电源，用于提供共同的电流参考信号。在基本单元外设计控制结构和母线连接方式，形成各类有源均流法，如主从法、平均电流法、最大电流法等。

在每一个电源模块内设计一个输出电流检测电路来检测它的电流，产生的反馈信号调节每个单元的电流，从而达到各单元间输出均流的目的。在这种情况下，每个单元间应有公共总线。

直流模块并联的方案很多，但用于电力操作电源，都存在着这样或者那样的缺陷，其主要表现在：输出阻抗法的均流精度太低；主从设置法和平均电流法都无法实现冗余技术，因而并联电源模块系统的可靠性得不到很好的保证；外加均流控制器法使系统变得过于复杂，不利于把这一技术转化成实际的产品。而自主均流法以其均流精度高，动态响应好，可以实现冗余技术等特点，越来越受到产品开发人员的青睐。

所谓自主均流技术，就是在n个并联模块中，以输出电流最大的模块为主模块，而以其余的模块为从模块。由于n个并联模块中，一般都没有事先人为设定哪个模块为主模块，而是通过电流的大小自动排序，电流大的自然成为主模块，“自主均流法”因此而得名。

为提高系统可靠性，并联系统应该具备以下特性：实现冗余。当任意模块发生故障时，其余模块继续提供足够电能，整个电源系统不会崩溃；实现热拔插，电源系统真正意义上的冗余供电；均流方案无需外加均流控制单元；使用一条公共的低带宽均流总线来连接各模块单元。

十、传统电源系统不足