并联开关电源系统的动态小信号分析
资讯
2024-02-04
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多数并联开关电源系统的目的是用相同的开关电源模块,在输入端与输出端分别并联以获得更大输出的功率。像通信电源中的前置端AC-DC系统,就是有许多相同的整流器模块并联而成的。一般的开关电源模块在输出端是不能直接进行并联的,原因是其输出电压的设置值一般不相同,小信号输出阻抗一般也不相同,这会导致并联后,电源模块不能输出相同的电流,即实现均流的要求,大的会进入限流态,小的可能工作在很轻的电流,导致每个模块输出电流,进而造成工作状态的极度不对称,使得整个系统的可靠性不仅没有提高,反而大大下降。
为了改善这种情况,在需要开关电源模块并联来实现的电源系统中,其电源模块还得在传统开关电源的基础上,外加一个均流控制环,它的基准为系统中全部电源所承担总电流的平均值,此值通过将各模块的均流母线连在一起获得,而均流环则通过检测模块的输出电流,与均流母线比较,并将其误差进行放大,再用放大后的信号去调整模块内的电压基准,以便靠改变模块的输出电压,来达到系统中各模块的均流。
图1是最简单的两个开关电源相并联的系统,假定每个开关电源在出厂时,已将其输出电压调整相同的数
值,尽管没有采取均流技术,但每个模块在全负载范围内都不会进入限流态。利用图2的开关电源小信号等效电路,我们可以分析这个并联开关电源系统的小信
号稳定性。从图2,可例出该系统的动态小信号方程组:
解上面的方程组,可得:
从系统最终的输出小信号方程,可以看出,两个开关电源并联后的系统,因四个动态小信号参数的分母中,不会出现右半平面的极点,故其稳定性不会成为问题。但四个动态小信号参数会有很大的变化,如系统的输出阻抗可看成是每一个开关电源闭环输出阻抗的并联;而系统的输入阻抗,只有在两个开关电源完全相同时,才可以看成是各个开关电源闭环输入阻抗的并联。
在两个完全相同的开关电源进行并联时,总系统的电压音频隔离度和电流音频隔离度与电源模块所对应的隔离度相同,但其输出阻抗和输入阻抗分别为电源模块所对应阻抗的一半。如这种系统中的并联模块数目非常多,则其输入阻抗和输出阻抗会减小许多。输出阻抗的减小对负载端的动态响应是有好处的,但输入阻抗的减小(因输入阻抗在低频段为负值)对系统和输入电缆之间或前一个电源之间的动态匹配会产生稳定性问题,严重时系统会出现振荡,所以相同开关电源模块进行并联时的数目是有限制的,超过这一限制后,并联的系统将会出现振荡。
实际的开关电源模块在并联时,必须加一个均流控制。外加均流环后的开关电源模块,其动态小信号参数会发生变化,详细的均流原理及动态均流精度分析,也可以采用开关电源的闭环动态小信号等效电路来进行分析,鉴于篇幅,这些内容作者将另文介绍。
开关电源模块还可组成输入并联和输出串联的系统,感兴趣的读者可用开关电源模块的闭环小信号等效电路,对这种输入并联、输出串联的开关电源系统自行分析它的动态小信号特性。
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多数并联开关电源系统的目的是用相同的开关电源模块,在输入端与输出端分别并联以获得更大输出的功率。像通信电源中的前置端AC-DC系统,就是有许多相同的整流器模块并联而成的。一般的开关电源模块在输出端是不能直接进行并联的,原因是其输出电压的设置值一般不相同,小信号输出阻抗一般也不相同,这会导致并联后,电源模块不能输出相同的电流,即实现均流的要求,大的会进入限流态,小的可能工作在很轻的电流,导致每个模块输出电流,进而造成工作状态的极度不对称,使得整个系统的可靠性不仅没有提高,反而大大下降。
为了改善这种情况,在需要开关电源模块并联来实现的电源系统中,其电源模块还得在传统开关电源的基础上,外加一个均流控制环,它的基准为系统中全部电源所承担总电流的平均值,此值通过将各模块的均流母线连在一起获得,而均流环则通过检测模块的输出电流,与均流母线比较,并将其误差进行放大,再用放大后的信号去调整模块内的电压基准,以便靠改变模块的输出电压,来达到系统中各模块的均流。
图1是最简单的两个开关电源相并联的系统,假定每个开关电源在出厂时,已将其输出电压调整相同的数
值,尽管没有采取均流技术,但每个模块在全负载范围内都不会进入限流态。利用图2的开关电源小信号等效电路,我们可以分析这个并联开关电源系统的小信
号稳定性。从图2,可例出该系统的动态小信号方程组:
解上面的方程组,可得:
从系统最终的输出小信号方程,可以看出,两个开关电源并联后的系统,因四个动态小信号参数的分母中,不会出现右半平面的极点,故其稳定性不会成为问题。但四个动态小信号参数会有很大的变化,如系统的输出阻抗可看成是每一个开关电源闭环输出阻抗的并联;而系统的输入阻抗,只有在两个开关电源完全相同时,才可以看成是各个开关电源闭环输入阻抗的并联。
在两个完全相同的开关电源进行并联时,总系统的电压音频隔离度和电流音频隔离度与电源模块所对应的隔离度相同,但其输出阻抗和输入阻抗分别为电源模块所对应阻抗的一半。如这种系统中的并联模块数目非常多,则其输入阻抗和输出阻抗会减小许多。输出阻抗的减小对负载端的动态响应是有好处的,但输入阻抗的减小(因输入阻抗在低频段为负值)对系统和输入电缆之间或前一个电源之间的动态匹配会产生稳定性问题,严重时系统会出现振荡,所以相同开关电源模块进行并联时的数目是有限制的,超过这一限制后,并联的系统将会出现振荡。
实际的开关电源模块在并联时,必须加一个均流控制。外加均流环后的开关电源模块,其动态小信号参数会发生变化,详细的均流原理及动态均流精度分析,也可以采用开关电源的闭环动态小信号等效电路来进行分析,鉴于篇幅,这些内容作者将另文介绍。
开关电源模块还可组成输入并联和输出串联的系统,感兴趣的读者可用开关电源模块的闭环小信号等效电路,对这种输入并联、输出串联的开关电源系统自行分析它的动态小信号特性。
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