用开关电源并联运行实现仪表24V冗余电源的问题.doc

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【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，可谓举两得，这也是提供大功率电源的技术发展的一个方向厂［PSLII H一 PSU2 1—11H PSUN H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 C,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Vo=f(l o)的斜率，从而调节输出电流。

其工作原理图如图 4所示」 nci i 1 L a v 1 o M)IJ L ―1 1 1 ¥■J PSU \ 片Rt 图4下垂法均流工作原理图Ri为任一并联模块电源输出电流Io的采样电阻，经电流放大产生电流反馈电压信号Vi, Vf为输出电压反馈，V为Vi与Vf的和，Vg为控制基准电压，Ve为误 差电压当某一模块输出电流I0偏大时，电压与电流反馈合成信号 Vr=Vi+ Vf增 大，与Vg进行比较后，使Ve减小，Ve反馈回电源模块的控制部分，使该模块 的输出电压Io下降，则Io减小，即Vo=f(|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] 0 （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、传统电源系统不足传统直流电源系统的组成由两个直流电源 AC/DC1、AC/DC2、二级管 D1、D2、输入开关、输岀开关组成。

工作原理：220VAC输入AC/DC1和AC/DC2直流电源，转化为直流后由 D !、D2输岀在理论上，这个电源系统带负载能力为两个直流电源额定电流之和，例 AC/DC1、AC/DC2分别负载额定电流为 20A，总负载能力应为 40A，但实践证明这点是很难做到我马可以从下面的电路图分析岀结果D122OVAC输入AC/DCTAC/DC2+24VDC2O1R1D1、D2为外接二极管， R1、R2代表AC/DC1、AC/DC2的电源内阻，U1、U2是电源电压,女口果 U1=U2 10=11+12如果 U1〉U2 贝U UB〉UC，UA — UD〉UDC — UD2则D2二极管两端电压为反向 贝9 12=010=11这种情况下，这个电源系统的最大额定负载为单台电源的额定负载因AC/DC1和AC/DC2在工艺上很难做到输岀电压完全相同，当电压有微小差别时，整个电源系统只有单台 AC/DC电源在输岀电流，另一个几乎没有电流输岀，只有当输岀电压高的一台AC/DCV电源损坏时，输岀电压下降或消失时另一台才会有电流输岀 所以，这样的电源系统的负载能力为单台电源的额定负载在实际电源系统的应用中， 我们有时候为了加大电源系统的负载能力， 通常用多台电源并联使用，这种情况在理论上是不可靠的。

a. 女口： U仁U2=U3=U4 10=11+12+13+14 这种情况是我们的理想工作状态b. 但实际中要做到每台电源输岀电压完全相同几乎是不可能的，当 U1、U2、U3、U4…….不完全相同时，其中输岀电压高的电源几乎负担了全部的负载， 而其它的电源几乎没有输岀电流， 所以多并联电源几乎没有可能加大带负载的能力例：如果负载要求 50A，我们选定4个20A的直流电源，并联做成一个直流供电系统，表面是 完全可以满足要求，实际上风险是很大的从上面的理论分析可以得岀，负载首先要很大的电源加上输岀电压高的直流电源上，使之过载， 由于单台电源的输出电压和输出电流的特性当第一台电源过载后输出电压会下降， 下降到和第二高电源输出电压时第二电源参与工作 这时候代负载能力也只有 40A，第二台电源也会因过载而输岀电压继续下降， 下降到第三台电源的输出电压时，第三台电源开始输出电流， 这时负载能力达到 60A，电压就会稳定第四台没有输出分析：这时整个电源系统可以输岀 50A的电流，但第一台和第二台电源都处于超负荷状态，I1>20A,I2>20A,I3=10A,14=0A 这种工作状态下，第一台和第二台电源都处于超负荷状态，第一台和第二台电源都很容易损坏，当第一台损坏时， I1=0,I2>20A,I3>20A,14=10A ，这时第二台和第三台电源还是处于超负荷状态， 如果其中一台损坏则整个系统就不能工作， 这就是所说的雪崩效应。

在实际应用中我们可以见到的现象， 多台电源并联工作时， 有一台或两台电源会出现发热， 这就 是电源不均流而引起的而且这种电源系统很难做到双 AC 输入相同的开关电源，说明输出电压电流是相等的，可以并联使用 （并联电压相等）但使用 的时候你所用的负载必须小于其中的任何一个开关电源 这是因为两个开关电源并联使用时 每一个开关电源所承担的负载并不会是等比例分担的， 所以为保安全， 你。