N+1個(gè)熱插拔電源模塊并聯(lián)均流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要

目前工業(yè)及國(guó)防領(lǐng)域中對(duì)開(kāi)關(guān)電源的體積、功率、可靠性等要求高，急需一種新型拓?fù)?a target="_blank">電源系統(tǒng)。介紹了一種采用Vicor高功率密度器件設(shè)計(jì)的具有熱插拔功能的電源模塊，基于此模塊，采用民主均流及N+I冗余的方法設(shè)計(jì)了一種高可靠的電源系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電源系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有良好的推廣價(jià)值。

1 引 言

各種系統(tǒng)對(duì)電源的體積、功率密度都有苛刻的要求，負(fù)載對(duì)供電可靠性的要求也越來(lái)越高。為了提高供電的可靠性?？刹捎貌⒙?lián)運(yùn)行或雙機(jī)熱備份．但由于電源各自參數(shù)的分散性，每個(gè)電源的輸出電流會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此對(duì)開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)均流的研究極為重要。開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)均流有主從均流及民主均流等。這里采用了基于Ⅳ+1個(gè)電源模塊冗余的民主均流設(shè)計(jì)了開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)均流系統(tǒng)．該系統(tǒng)具有均流精度高、輸出電壓穩(wěn)定性和可靠性高的特性。

2 電源模塊設(shè)計(jì)

2．1 Vicor模塊介紹

全橋DC／DC轉(zhuǎn)換器l 2l模塊V24A36M400BN主要參數(shù)為：輸入電壓范圍l8～36 V，典型值24 V；額定輸出電壓為36 V，過(guò)壓點(diǎn)4O．4 V：最大負(fù)載電流11．11 A：效率不低于86％：額定功率400W。

Vicor模塊功率處理和控制原理圖如圖1所示。通過(guò)PC引腳可使能或關(guān)閉模塊；PR引腳為電源的并聯(lián)母線．利用PR引腳可組成N+I或N+M冗余陣列，增大輸出功率；通過(guò)SC引腳，外接電阻可對(duì)電源輸出電壓進(jìn)行上下調(diào)整

2．2 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊主要由濾波模塊、Vicor電源模塊以及外圍電路組成，其中Vicor電源模塊是其核心功率部分，整個(gè)電源模塊具有調(diào)壓及并聯(lián)均流接口。電源模塊如圖2所示。

均流電路通過(guò)與Vicor電源模塊配合的均流變壓器實(shí)現(xiàn)．各模塊可連接達(dá)到負(fù)載均流，同時(shí)變壓器在PR引腳起電氣隔離作用。調(diào)壓過(guò)程通過(guò)外接數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)電源的程控調(diào)壓。過(guò)壓保護(hù)電路是將電源模塊輸出電壓分壓后送入比較器輸入端．與比較器另一輸入端的基準(zhǔn)電壓相比較，當(dāng)電源模塊輸出電壓超過(guò)基準(zhǔn)電壓時(shí)。比較器翻轉(zhuǎn)，使光耦導(dǎo)通，拉低MOSFET的柵極，從而使濾波器模塊無(wú)輸出，關(guān)斷單體模塊的輸入電壓。

2．3 熱插拔功能設(shè)計(jì)

熱插拔控制電路在不增加太多硬件成本的前提下．使電源模塊不因熱插拔操作造成整機(jī)輸出異常．不引入過(guò)電應(yīng)力損傷電源模塊元器件，不產(chǎn)生浪涌電流對(duì)供電母線造成影響，不造成負(fù)載電壓的跳變，平滑地插入和拔出。

熱插拔電路原理圖如圖3所示。其中，D。為濾波模塊，D：為Vicor電源模塊，+28 V／一28 V為外部輸入電源．VC為穩(wěn)壓值+15 V，HSC信號(hào)電壓為+15 V，+IN／一IN為功率模塊輸入電壓，PC為功率模塊使能信號(hào)。

當(dāng)電源模塊剛插入地面電源整機(jī)安裝板的接插件時(shí)，系統(tǒng)電源+28 V接入電源模塊電路，R1，R2：和電壓調(diào)整二極管VD3 ，VD4 組成的穩(wěn)壓電路將VC電壓穩(wěn)定到+15 V． 由于電源模塊的連接器上HSC插針比其他插針短．因此其他插針剛連接好時(shí)，HSC還沒(méi)有連接上，此時(shí)HSC沒(méi)有電壓，即V8。的柵極電壓為零，V8。不導(dǎo)通，D1，處于被關(guān)閉狀態(tài)，沒(méi)有輸出；與此同時(shí)，R4，R6 分壓后的電壓加到V7的基極使V7 導(dǎo)通。V7的導(dǎo)通使V10導(dǎo)通，D2的PC管腳電壓被箝位于零，沒(méi)有輸出。

當(dāng)電源模塊完全插入地面電源整機(jī)安裝板的接插件后，HSC電壓與VC相同，都為+15 V，V8的柵極電壓使V8導(dǎo)通，D1 導(dǎo)通；同時(shí)，HSC上電壓使v 的集電極電壓低于基極電壓致使v 關(guān)斷，使得V10的柵極電壓為零，V10截止，從而D2的PC電壓變?yōu)楦唠娖?，開(kāi)始工作。

D1自身具有電流抑制作用，啟動(dòng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生浪涌電流。其輸出電壓平滑上升至輸入電源電壓+28 V；當(dāng)D1輸出電壓+IN上升至D2的開(kāi)啟電壓后， 由于D2自身的軟啟動(dòng)功能，D2輸出電壓平滑上升至額定輸出電壓。同樣不會(huì)產(chǎn)生浪涌電流。

在熱拔出時(shí)．由于HSC插針最短，首先脫出插孔，電路按照與插入時(shí)相反的情況實(shí)現(xiàn)熱拔出。電源模塊的熱插拔時(shí)序圖如圖4所示。

3 并聯(lián)均流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1 并聯(lián)均流的基本原理

并聯(lián)運(yùn)行時(shí)電源模塊電流不能均分是由于每個(gè)電源模塊都有其相應(yīng)的輸出特性曲線 。如果每個(gè)電源模塊的參數(shù)完全相同，其外特性曲線重合，負(fù)載電流就能均勻分配。并聯(lián)均流電路可使每個(gè)電源模塊的輸出特性曲線一致，達(dá)到均流目的。

3．2 并聯(lián)均流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電源模塊為Vicor全型功率模塊，根據(jù)設(shè)計(jì)的功率要求．采用民主均流及5+1冗余結(jié)構(gòu)模式。其中5個(gè)電源模塊滿足功率使用要求，增加1個(gè)模塊作為冗余備份。系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

由于模塊自帶有均流PR管腳。根據(jù)使用手冊(cè)，只要增加對(duì)應(yīng)的外部電路就能設(shè)計(jì)成所需的均流系統(tǒng)。由于并聯(lián)的模塊大于4個(gè)．并且為了電源模塊之間相互連接的阻抗不至于把控制信號(hào)擾亂，選用變壓器耦合的并聯(lián)接法，使用PR隔離變壓器來(lái)隔離均流母線。為了避免PR均流信號(hào)畸變，在隔離變壓器的初級(jí)串聯(lián)隔直電容、在PR端并聯(lián)阻尼電阻，并連接反極性保護(hù)二極管

開(kāi)關(guān)電源冗余工作時(shí)，為了保證某個(gè)電源模塊故障時(shí)，不影響整個(gè)電源的輸出，在每個(gè)電源模塊的輸出都必須接二極管。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

通過(guò)監(jiān)控界面的輸出電流，可得在不同負(fù)載情況下的均流指標(biāo)。均流情況如表1所示。

根據(jù)均流度計(jì)算公式，均流度等于每個(gè)模塊輸出電流與所有模塊平均輸出電流的差值再除以模塊額定輸出電流。由表1可以看出，在4O A時(shí)．各電源模塊的均流度分別為：dl=0.00135，d2=d3=d5=-0.00135，d4=0.00045，d6=0．00225。各個(gè)電源模塊的均流度均非常接近零，即所設(shè)計(jì)并聯(lián)均流電源系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

采用基于Ⅳ+1個(gè)電源模塊的主從設(shè)置法，設(shè)計(jì)了開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)冗余均流系統(tǒng)并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的輸出電壓穩(wěn)定性和均流精度優(yōu)異。當(dāng)主模塊故障時(shí)，從模塊能自動(dòng)代替主模塊，提高了系統(tǒng)的可靠性：由于電源模塊具有熱插拔功能，便于故障模塊帶電更換。