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2024年3月26日发(作者:)
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 图2 开关电源电压/电流特性曲线
【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,可谓一举两得,这也是提供大功率电源的技术发展的一
个方向。
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℃,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。
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