N+1個熱插拔電源模塊并聯均流系統設計

摘要

目前工業及國防領域中對開關電源的體積、功率、可靠性等要求高，急需一種新型拓撲電源系統。介紹了一種采用Vicor高功率密度器件設計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冗余的方法設計了一種高可靠的電源系統。實驗結果表明該電源系統穩定可靠，具有良好的推廣價值。

1 引 言

各種系統對電源的體積、功率密度都有苛刻的要求，負載對供電可靠性的要求也越來越高。為了提高供電的可靠性。可采用并聯運行或雙機熱備份．但由于電源各自參數的分散性，每個電源的輸出電流會出現較大的偏差，影響系統的穩定性。因此對開關電源并聯均流的研究極為重要。開關電源并聯均流有主從均流及民主均流等。這里采用了基于Ⅳ+1個電源模塊冗余的民主均流設計了開關電源并聯均流系統．該系統具有均流精度高、輸出電壓穩定性和可靠性高的特性。

2 電源模塊設計

2．1 Vicor模塊介紹

全橋DC／DC轉換器l 2l模塊V24A36M400BN主要參數為：輸入電壓范圍l8～36 V，典型值24 V；額定輸出電壓為36 V，過壓點4O．4 V：最大負載電流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PC引腳可使能或關閉模塊；PR引腳為電源的并聯母線．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SC引腳，外接電阻可對電源輸出電壓進行上下調整

2．2 電源模塊設計

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，整個電源模塊具有調壓及并聯均流接口。電源模塊如圖2所示。

均流電路通過與Vicor電源模塊配合的均流變壓器實現．各模塊可連接達到負載均流，同時變壓器在PR引腳起電氣隔離作用。調壓過程通過外接數字電位器實現電源的程控調壓。過壓保護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電壓相比較，當電源模塊輸出電壓超過基準電壓時。比較器翻轉，使光耦導通，拉低MOSFET的柵極，從而使濾波器模塊無輸出，關斷單體模塊的輸入電壓。

2．3 熱插拔功能設計

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輸出異常．不引入過電應力損傷電源模塊元器件，不產生浪涌電流對供電母線造成影響，不造成負載電壓的跳變，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為穩壓值+15 V，HSC信號電壓為+15 V，+IN／一IN為功率模塊輸入電壓，PC為功率模塊使能信號。

當電源模塊剛插入地面電源整機安裝板的接插件時，系統電源+28 V接入電源模塊電路，R1，R2：和電壓調整二極管VD3 ，VD4 組成的穩壓電路將VC電壓穩定到+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，HSC還沒有連接上，此時HSC沒有電壓，即V8。的柵極電壓為零，V8。不導通，D1，處于被關閉狀態，沒有輸出；與此同時，R4，R6 分壓后的電壓加到V7的基極使V7 導通。V7的導通使V10導通，D2的PC管腳電壓被箝位于零，沒有輸出。

當電源模塊完全插入地面電源整機安裝板的接插件后，HSC電壓與VC相同，都為+15 V，V8的柵極電壓使V8導通，D1 導通；同時，HSC上電壓使v 的集電極電壓低于基極電壓致使v 關斷，使得V10的柵極電壓為零，V10截止，從而D2的PC電壓變為高電平，開始工作。

D1自身具有電流抑制作用，啟動時不會產生浪涌電流。其輸出電壓平滑上升至輸入電源電壓+28 V；當D1輸出電壓+IN上升至D2的開啟電壓后， 由于D2自身的軟啟動功能，D2輸出電壓平滑上升至額定輸出電壓。同樣不會產生浪涌電流。

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

3 并聯均流系統設計

3．1 并聯均流的基本原理

并聯運行時電源模塊電流不能均分是由于每個電源模塊都有其相應的輸出特性曲線 。如果每個電源模塊的參數完全相同，其外特性曲線重合，負載電流就能均勻分配。并聯均流電路可使每個電源模塊的輸出特性曲線一致，達到均流目的。

3．2 并聯均流系統設計

電源模塊為Vicor全型功率模塊，根據設計的功率要求．采用民主均流及5+1冗余結構模式。其中5個電源模塊滿足功率使用要求，增加1個模塊作為冗余備份。系統原理圖如圖5所示。

由于模塊自帶有均流PR管腳。根據使用手冊，只要增加對應的外部電路就能設計成所需的均流系統。由于并聯的模塊大于4個．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擾亂，選用變壓器耦合的并聯接法，使用PR隔離變壓器來隔離均流母線。為了避免PR均流信號畸變，在隔離變壓器的初級串聯隔直電容、在PR端并聯阻尼電阻，并連接反極性保護二極管

開關電源冗余工作時，為了保證某個電源模塊故障時，不影響整個電源的輸出，在每個電源模塊的輸出都必須接二極管。

4 實驗與分析

通過監控界面的輸出電流，可得在不同負載情況下的均流指標。均流情況如表1所示。

根據均流度計算公式，均流度等于每個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．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。各個電源模塊的均流度均非常接近零，即所設計并聯均流電源系統達到了設計目標。

4 實驗與分析

采用基于Ⅳ+1個電源模塊的主從設置法，設計了開關電源并聯冗余均流系統并對該系統進行了驗證。實驗結果表明，系統的輸出電壓穩定性和均流精度優異。當主模塊故障時，從模塊能自動代替主模塊，提高了系統的可靠性：由于電源模塊具有熱插拔功能，便于故障模塊帶電更換。