1、引言

随着雷达技术的发展，雷达对直流电源功率的要求越来越高，但受电力电子器件性能的限制，单个开关直流电源模块的输出功率往往不能满足要求。采用多个直流电源模块并联运行输出大功率是目前雷达直流电源技术发展的重要方向。

然而，一般情况下不能将直流电源模块直接并联，因为并联工作的各个直流电源模块特性并不一致，外特性好的直流电源模块，可能承担更多的负载直流电源电流，甚至过载，而某些外特性差的直流电源模块运行于轻载，甚至基本上空载运行。结果热应力分配不均，极易损坏，降低了系统的可靠性。为防止一台或多台直流电源模块运行在直流电源电流极限状态，必须采取有效的控制措施，能够实现直流电源模块并联运行过程中直流电源电流的均匀分配，从而保证各直流电源模块间直流电源电流应力和热应力的均匀分配，并提高输出直流电源电压抗负载扰动的能力。

均流技术就是对系统中各并联直流电源模块的输出直流电源电流加以控制，尽可能的均分系统输出总直流电源电流，确保多台直流电源模块可靠运行的一种特殊措施。均流的重要性在于优化瞬变和动态响应，减轻热处理负担，提高系统可靠性。目前主要的均流方法有输出阻抗法、主从均流法、平均直流电源电流自动均流法和自主均流(或最大直流电源电流自动均流)法等，其中自主均流法因其均流精度高，易于实现冗余的优点得到广泛的应用。在雷达直流电源中，由于负载突变范围大，要求直流电源系统具有良好的动态性能。而目前采用的自主均流法在动态过程中的均流效果并不理想，均流过程中会出现直流电源电流瞬时过冲，触发保护直流电源电路设计误动作，因此需对自主均流法进行改进。

本文介绍了传统自主均流的原理，指出其存在的不足，然后通过改进控制回路的结构，采用改进式自主均流策略，提高雷达直流电源的均流动态性能。

2 改进式自主均流

所谓自主均流法，实质上也是主从直流电源模块均流法，即在n个并联的直流电源模块中，输出直流电源电流最大的直流电源模块，将自动成为主直流电源模块，而其余的直流电源模块则为从直流电源模块。各从直流电源模块的直流电源电压误差依次被整定，以校正负载直流电源电流分配的不均衡。采用这种方法可以较好的实现冗余，不会因某个直流电源模块的故障而影响整个系统的运行。

早期的自主均流法是直流电源电压型均流控制，其工作原理如图1所示：每个直流电源模块的均流误差信号和参考直流电源电压信号一起注入到直流电源电压误差比较器中，通过控制输出直流电源电压实现均流。这种控制本质上来讲是直流电源电压型的控制，它不具备直流电源电流型控制的优点，而且均流环在直流电源电压环之外，均流环的带宽受带宽很窄的直流电源电压环的限制，不能对负载突变做出快速响应。

目前常用的自主均流法是在图1的直流电源电压环内添加直流电源电流环，通过直流电源电流误差信号来调整直流电源电压的基准，此调整后的直流电源电压基准与直流电源模块的检测直流电源电压相比较产生直流电源电压误差信号，经过校正后作为直流电源电流基准，输出直流电源电流将跟随这个直流电源电流，从而实现了各个直流电源模块的均流控制 。但是，在该策略中，均流环仍在直流电源电压环的外面，仍受直流电源电压环的影响，不能对负载突变做出快速响应。

改进式自主均流法的原理如图2所示，与图1相比，改进式自主均流法在控制结构上作了以下改动：第一，在直流电源电压环内添加带宽较宽的直流电源电流环，这样可以利用直流电源电流内环动态响应快的优点来改善整个系统的动态性能。第二，把均流调节器输出的均流误差信号直接注入到直流电源电流调节器的正相输入端，均流误差信号和直流电源电压误差信号一起进行直流电源电流调节。均流环与直流电源电压环平行，其频带宽度不再受直流电源电压环的限制，系统的动态均流效果得到进一步的提高。第三，采集的直流电源电流信号是电感直流电源电流，属于平均直流电源电流控制模式，具有很强的抗噪声能力。

本文针对大功率雷达直流电源采用的全桥变换器拓扑，利用改进式均流控制方法设计均流控制直流电源电路设计，验证方案的可行性。

3 基于改进式自主均流法的全桥变换器并联系统

3．1 改进式自主均流法系统分析

改进式自主均流控制直流电源电路设计是一个三环控制系统，其中外环是直流电源电压环，由直流电源电压采样器和直流电源电压调节器组成；中间环是均流环，由二极管、均流母线CSB和均流调节器组成；内环是直流电源电流环，由直流电源电流采样器和直流电源电流调节器组成。由全桥变换器工作原理和三端开关器件模型法，可建立基于改进式自主均流法的全桥变换器并联系统的闭环小信号模型，如图3所示。

3．2 改进式自主均流控制系统的设计

对于图2的均流控制方法，由平均直流电源电流模式控制理论可知，直流电源电流环作为直流电源电压环的内环，为了减小直流电源电流环引起的相移对直流电源电压环的影响，应取直流电源电流环的交越频率远大于直流电源电压环的交越频率。在低频域内直流电源电压环起主要作用，变换器表现为直流电源电压源的特性，在高频域内直流电源电流环起主要作用，保证控制的快速动态响应特性。当这两个环的增益相交时，相交处两者的相位不能相反，以避免引起全体环路增益下陷而使系统不稳定。在保证系统稳定的前提下，直流电源电流环的交越频率尽量高，一般约为开关频率的1／5～1／4，较高的直流电源电流环增益带宽可以提高单直流电源模块和多直流电源模块并联系统的动态响应 。而直流电源电压环的穿越频率必须低于直流电源电流环的穿越频率，一般为直流电源电流环穿越频率的1／10左右。

均流控制只要求各直流电源模块输出直流电源电流的直流值相等，所以为了控制系统的设计简单，均流调节器采用比例环节，比例环节的增益要尽量地大，在保证系统稳定的前提下，放大倍数越大越好。

根据多环控制理论，三个环路的交越频率要错开，以减小各个环路之间相互作用引起的不稳定。全体环路增益Toverall和外部环路增益Touter要满足相位裕度大于45。，增益裕量大于6dB，以保证系统的稳定性。

本文设计直流电源电流环、直流电源电压环和均流环补偿网络的拓扑形式见图4。

图中，为电流采样增益为脉宽调制传递函 数;为均流放大器的传递函数;C„(s)为电压放大器的 传递函数;GJs)为电流环的电流放大器传递函数为 均流环输出的误差信号在电流环内的传递函数;为电 压环输出的误差信号在电流环内的传递函数;心⑴为占空 比到输出电压的传递函数;为占空比到输出电流的传 递函数上、人、3各为输出电压的扰动量、电感电流的扰动 量、占空比的扰动量;参考电压K为常量且扰动量。

由图3可推导出全桥变换器中电压传递函数G:(s),电 流传递函数为，电压环的开环增益，电流环的开 环增益KU)均流环。

直流电源电流环补偿网络的传递函数为

均流环的补偿网络采用比例调节器。由于均流母线很容易引入外界噪声干扰，在均流环调节器的反馈电阻上并联一个小电容来减少干扰。

4 仿真分析

本文设计了3台全桥变换器并联运行，其参数为：输入直流电源电压Vin=270V，输出直流电源电压Vo=12V，输出额定直流电源电流：Io=200A，开关频率f=200kHz，主变压器副边原边匝数比：n=1／10；输出滤波电感Lf=5μH；输出滤波电容Cf=470μF。假设三台直流电源模块的输出电感附加电阻分别为0．001Ω、0．002Ω和0．003Ω。

采用MATLAB仿真软件对并联系统进行仿真。图5为未加均流控制时，三个全桥变换器直流电源模块输出直流电源电流波形。从图中可以看出，稳态时直流电源模块1到直流电源模块3的输出直流电源电流分别为209A，202A，187A，此时均流误差为11％ ，超出均流误差所允许的5％ 的国家标准。采用本文设计的自主均流控制后，并联系统中各直流电源模块直流电源电流波形如图6所示。稳态时负载基本平均分布，输出最大直流电源电流为201A，最小直流电源电流为198A，均流误差只有1.5％左右，可见均流效果良好。

图7为突加、突减25％额定负载时的每个并联直流电源模块的输出直流电源电流波形。由仿真结果可以看出：负载突变过程中直流电源模块的输出直流电源电流差异很小，过冲在5A以内，避免了动态过程中可能出现的过流现象，系统瞬时响应很快，具有很好的动态均流效果。

图8为并联系统中某一直流电源模块故障无输出时各直流电源模块输出直流电源电流波形，由图可见负载直流电源电流由另外两个直流电源模块均匀分担，动态过程中系统能稳定的工作。

5 结论

并联直流电源模块直流电源的均流技术是实现大功率机载直流电源系统的关键，也是其可靠工作的前提。本文介绍了改进式自主均流法的工作原理，建立了基于改进式自主均流控制方法的全桥变换器的小信号模型，设计了大功率开关直流电源的均流直流电源电路设计并进行了仿真验证。仿真结果表明所采用的均流控制方法可以保证并联系统在各种情况下都能稳定地运行，且均流精度良好，动态响应快，可应用于机载雷达直流电源系统。