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1、引言

隨著雷達技術的發展，雷達對直流電源功率的要求越來越高，但受電力電子器件性能的限制，單個開關直流電源模塊的輸出功率往往不能滿足要求。采用多個直流電源模塊并聯運行輸出大功率是目前雷達直流電源技術發展的重要方向。

然而，一般情況下不能將直流電源模塊直接并聯，因為并聯工作的各個直流電源模塊特性并不一致，外特性好的直流電源模塊，可能承擔更多的負載直流電源電流，甚至過載，而某些外特性差的直流電源模塊運行于輕載，甚至基本上空載運行。結果熱應力分配不均，極易損壞，降低了系統的可靠性。為防止一臺或多臺直流電源模塊運行在直流電源電流極限狀態，必須采取有效的控制措施，能夠實現直流電源模塊并聯運行過程中直流電源電流的均勻分配，從而保證各直流電源模塊間直流電源電流應力和熱應力的均勻分配，并提高輸出直流電源電壓抗負載擾動的能力。

均流技術就是對系統中各并聯直流電源模塊的輸出直流電源電流加以控制，盡可能的均分系統輸出總直流電源電流，確保多臺直流電源模塊可靠運行的一種特殊措施。均流的重要性在于優化瞬變和動態響應，減輕熱處理負擔，提高系統可靠性。目前主要的均流方法有輸出阻抗法、主從均流法、平均直流電源電流自動均流法和自主均流(或最大直流電源電流自動均流)法等，其中自主均流法因其均流精度高，易于實現冗余的優點得到廣泛的應用。在雷達直流電源中，由于負載突變范圍大，要求直流電源系統具有良好的動態性能。而目前采用的自主均流法在動態過程中的均流效果并不理想，均流過程中會出現直流電源電流瞬時過沖，觸發保護直流電源電路設計誤動作，因此需對自主均流法進行改進。

本文介紹了傳統自主均流的原理，指出其存在的不足，然后通過改進控制回路的結構，采用改進式自主均流策略，提高雷達直流電源的均流動態性能。

2 改進式自主均流

所謂自主均流法，實質上也是主從直流電源模塊均流法，即在n個并聯的直流電源模塊中，輸出直流電源電流最大的直流電源模塊，將自動成為主直流電源模塊，而其余的直流電源模塊則為從直流電源模塊。各從直流電源模塊的直流電源電壓誤差依次被整定，以校正負載直流電源電流分配的不均衡。采用這種方法可以較好的實現冗余，不會因某個直流電源模塊的故障而影響整個系統的運行。

早期的自主均流法是直流電源電壓型均流控制，其工作原理如圖1所示：每個直流電源模塊的均流誤差信號和參考直流電源電壓信號一起注入到直流電源電壓誤差比較器中，通過控制輸出直流電源電壓實現均流。這種控制本質上來講是直流電源電壓型的控制，它不具備直流電源電流型控制的優點，而且均流環在直流電源電壓環之外，均流環的帶寬受帶寬很窄的直流電源電壓環的限制，不能對負載突變做出快速響應。

目前常用的自主均流法是在圖1的直流電源電壓環內添加直流電源電流環，通過直流電源電流誤差信號來調整直流電源電壓的基準，此調整后的直流電源電壓基準與直流電源模塊的檢測直流電源電壓相比較產生直流電源電壓誤差信號，經過校正后作為直流電源電流基準，輸出直流電源電流將跟隨這個直流電源電流，從而實現了各個直流電源模塊的均流控制 。但是，在該策略中，均流環仍在直流電源電壓環的外面，仍受直流電源電壓環的影響，不能對負載突變做出快速響應。

改進式自主均流法的原理如圖2所示，與圖1相比，改進式自主均流法在控制結構上作了以下改動：第一，在直流電源電壓環內添加帶寬較寬的直流電源電流環，這樣可以利用直流電源電流內環動態響應快的優點來改善整個系統的動態性能。第二，把均流調節器輸出的均流誤差信號直接注入到直流電源電流調節器的正相輸入端，均流誤差信號和直流電源電壓誤差信號一起進行直流電源電流調節。均流環與直流電源電壓環平行，其頻帶寬度不再受直流電源電壓環的限制，系統的動態均流效果得到進一步的提高。第三，采集的直流電源電流信號是電感直流電源電流，屬于平均直流電源電流控制模式，具有很強的抗噪聲能力。

本文針對大功率雷達直流電源采用的全橋變換器拓撲，利用改進式均流控制方法設計均流控制直流電源電路設計，驗證方案的可行性。

3 基于改進式自主均流法的全橋變換器并聯系統

3．1 改進式自主均流法系統分析

改進式自主均流控制直流電源電路設計是一個三環控制系統，其中外環是直流電源電壓環，由直流電源電壓采樣器和直流電源電壓調節器組成；中間環是均流環，由二極管、均流母線CSB和均流調節器組成；內環是直流電源電流環，由直流電源電流采樣器和直流電源電流調節器組成。由全橋變換器工作原理和三端開關器件模型法，可建立基于改進式自主均流法的全橋變換器并聯系統的閉環小信號模型，如圖3所示。

3．2 改進式自主均流控制系統的設計

對于圖2的均流控制方法，由平均直流電源電流模式控制理論可知，直流電源電流環作為直流電源電壓環的內環，為了減小直流電源電流環引起的相移對直流電源電壓環的影響，應取直流電源電流環的交越頻率遠大于直流電源電壓環的交越頻率。在低頻域內直流電源電壓環起主要作用，變換器表現為直流電源電壓源的特性，在高頻域內直流電源電流環起主要作用，保證控制的快速動態響應特性。當這兩個環的增益相交時，相交處兩者的相位不能相反，以避免引起全體環路增益下陷而使系統不穩定。在保證系統穩定的前提下，直流電源電流環的交越頻率盡量高，一般約為開關頻率的1／5～1／4，較高的直流電源電流環增益帶寬可以提高單直流電源模塊和多直流電源模塊并聯系統的動態響應 。而直流電源電壓環的穿越頻率必須低于直流電源電流環的穿越頻率，一般為直流電源電流環穿越頻率的1／10左右。

均流控制只要求各直流電源模塊輸出直流電源電流的直流值相等，所以為了控制系統的設計簡單，均流調節器采用比例環節，比例環節的增益要盡量地大，在保證系統穩定的前提下，放大倍數越大越好。

根據多環控制理論，三個環路的交越頻率要錯開，以減小各個環路之間相互作用引起的不穩定。全體環路增益Toverall和外部環路增益Touter要滿足相位裕度大于45。，增益裕量大于6dB，以保證系統的穩定性。

本文設計直流電源電流環、直流電源電壓環和均流環補償網絡的拓撲形式見圖4。

圖中，為電流采樣增益為脈寬調制傳遞函 數;為均流放大器的傳遞函數;C?(s)為電壓放大器的 傳遞函數;GJs)為電流環的電流放大器傳遞函數為 均流環輸出的誤差信號在電流環內的傳遞函數;為電 壓環輸出的誤差信號在電流環內的傳遞函數;心⑴為占空 比到輸出電壓的傳遞函數;為占空比到輸出電流的傳 遞函數上、人、3各為輸出電壓的擾動量、電感電流的擾動 量、占空比的擾動量;參考電壓K為常量且擾動量。

由圖3可推導出全橋變換器中電壓傳遞函數G:(s),電 流傳遞函數為，電壓環的開環增益，電流環的開 環增益KU)均流環。

直流電源電流環補償網絡的傳遞函數為

均流環的補償網絡采用比例調節器。由于均流母線很容易引入外界噪聲干擾，在均流環調節器的反饋電阻上并聯一個小電容來減少干擾。

4 仿真分析

本文設計了3臺全橋變換器并聯運行，其參數為：輸入直流電源電壓Vin=270V，輸出直流電源電壓Vo=12V，輸出額定直流電源電流：Io=200A，開關頻率f=200kHz，主變壓器副邊原邊匝數比：n=1／10；輸出濾波電感Lf=5μH；輸出濾波電容Cf=470μF。假設三臺直流電源模塊的輸出電感附加電阻分別為0．001Ω、0．002Ω和0．003Ω。

采用MATLAB仿真軟件對并聯系統進行仿真。圖5為未加均流控制時，三個全橋變換器直流電源模塊輸出直流電源電流波形。從圖中可以看出，穩態時直流電源模塊1到直流電源模塊3的輸出直流電源電流分別為209A，202A，187A，此時均流誤差為11％ ，超出均流誤差所允許的5％ 的國家標準。采用本文設計的自主均流控制后，并聯系統中各直流電源模塊直流電源電流波形如圖6所示。穩態時負載基本平均分布，輸出最大直流電源電流為201A，最小直流電源電流為198A，均流誤差只有1.5％左右，可見均流效果良好。

圖7為突加、突減25％額定負載時的每個并聯直流電源模塊的輸出直流電源電流波形。由仿真結果可以看出：負載突變過程中直流電源模塊的輸出直流電源電流差異很小，過沖在5A以內，避免了動態過程中可能出現的過流現象，系統瞬時響應很快，具有很好的動態均流效果。

圖8為并聯系統中某一直流電源模塊故障無輸出時各直流電源模塊輸出直流電源電流波形，由圖可見負載直流電源電流由另外兩個直流電源模塊均勻分擔，動態過程中系統能穩定的工作。

5 結論

并聯直流電源模塊直流電源的均流技術是實現大功率機載直流電源系統的關鍵，也是其可靠工作的前提。本文介紹了改進式自主均流法的工作原理，建立了基于改進式自主均流控制方法的全橋變換器的小信號模型，設計了大功率開關直流電源的均流直流電源電路設計并進行了仿真驗證。仿真結果表明所采用的均流控制方法可以保證并聯系統在各種情況下都能穩定地運行，且均流精度良好，動態響應快，可應用于機載雷達直流電源系統。