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摘要:文章结合高频开关电源模块并联供电的技术原理,对基本要求、结构、冗余技术、均流控制方式、散热等问题进行描述,介绍高频开关电源模块日常运行的维护管理,分析运行中的电源模块产生故障原因,提出利用网络远程技术及运行维护措施来提高运行中电源模块故障发生前的防御能力。
关键词:电源模块;并联;冗余;均流;维护管理
中图分类号:TN86文献标识码:A文章编号:1006-8937(2010)14-0121-02
直流电源系统已广泛应用于分布式电源系统结构代替集中式电源系统结构,用小功率DC-DC变换模块并联与一个集中的大功率电源相比,有许多优点:电源模块变换效率高,动态性好,模块的并联可以实现功率冗余,提高了系统可靠性,并易于安装维护,输出功率可以扩展,以满足大功率负载需要,为电力、通信、计算机等使用直流电源系统提供可靠的直流電源能源。
1高频开关电源模块并联冗余技术
高频开关电源模块采用并联供电模式,要求达到如下效果:①并联的各模块电流能自动平行,实现均流。②均流与冗余相结合。③当输入电压或负载电流变化的时候,应能够保持输出电压的稳定,并使得系统具有良好的负载响应特性,在负载突变的时候,不会造成电流严重分配不均而停机。
如图1所示,多个独立的高频开关电源模块单元并联,系统采用模块化结构,根据负载提供所需电流在线增减模块单元,提高了系统的灵活性。
采用模块并联结构,还可以实现N+n冗余功能。所谓N+n功率冗余,是指N+n个容量为P的电源模块并联工作,负载功率为NP,冗余(备用)功率为nP,正常工作时,单个均流电源模块,承担的功率为其容量的N/(N+n);当其中一个或几个(不超过n个)电源模块出现故障时,故障模块立即被隔离,其余模块再平均分担负载电流,正常运行,电源系统仍能保证提供100 %的负载电流。采用冗余技术,除了使系统增加了容量冗余功率外,真正实现热拔插,即在保证电源系统不间断供电情况下,更换系统中的失效模块。
2高频开关电源模块并联的均流
并联电源模块系统中各模块按照外特性曲线分配负载电流,外特性的差异是电流难以均分的根源。正常情况下,各并联模块输出电阻为恒定值,输出电流不均衡主要是由于各模块输出电压不相等引起,均流的实质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,以达到均分电流的目的。
2.1均流的基本原理
图2为两个模块并联工作时的电路及其外特性曲线。如果两个模块的参数完全相同,即V01max=V02max,R1=R2,两条外特性曲线重合,负载电流均匀分配。但实际输出外来源特性是不可能完全一样,如果其中一个模块的电压参考值较高,输出电阻较小(外特性斜率小),则该模块将承受大部分负载电流,负载增大,运行于满载或超载限流状态,反之另一个负载过轻或空载。如果利用反馈控制的方式将各模块的外特性斜率调整得接近,则可使模块的电流分配接近均匀,这就是均流技术的基础。
2.2最大电流自动均流法
目前,在电源的并联系统中,实现均流控制常用的几种并联均流技术有:下垂法、主从均流法、外部控制电路法、自动均流法、最大电流自动均流法以及限额均流自动均流法。下垂法虽然简单易行,但负载效应指标较差,均流精度太低。主从均流法和自动均流法都无法实现冗余技术,一旦主电源出故障,则整个电源系统都不能正常工作,使电源模块系统的可靠性得不到保证。外控法的控制特性虽好,但需要一个附加的控制器,并在控制器和每个单元电源之间有许多附加连线。而最大电流自动均流法以及限额均流自动均流法依据其特有均流精度高、动态响应好及可以实现冗余技术等性能,目前多采用这两种均流技术。
最大电流自动均流法的实质:在n个并联的电源模块中,输出电流最大的模块,将自动成为主模块,而其余的模块则为从模块。各从模块的电压误差依次被整定,以校正负载电流分配的不均衡。
最大电流自动均流控制电路系统外环为均流控制环,内环为电压控制环,各模块的输出电流检测信号VI经过二极管接到均流母线,由于二极管的单向导电性,只有电流最大的模块,相应的二极管才导通,通过该二极管与均流母线相接,均流母线的电压与最大的电流成正比,而对其他模块说,相应的二极管被阻断,这使得均流母线上的电压Vb反映的是各模块中输出电流最大模块的电流信号。电流最大的模块也自动成为主模块,各个从模块的VI与Vb(即VI max)比较后,通过均流控制器输出来补偿基准电压,Vr’= Vr -(VI- Vb),基准电压Vr’与负载反馈电压Vf进行比较放大,产生电压误差Ve,控制PWM及驱动器,从而达到各从模块均流调节的作用,自动实现均流。
最大电流自动均流法实现并联模块均流时,其主模块是随时变换的,随时根据系统中承担电流最大的模块。不断调整各并联模块分担的负载电流,实现系统总电流在各电源模块中的精确分配。对故障模块自动隔离,正真实现系统冗余和热插拔。
自动限额均流法是泰坦电源自行设计的均流技术,与最大电流均流技术的研究是同步的,限额均流技术不仅能实现与最大电流法同样的均流性能,同时还提供了很好的电流控制性能,在电力通信中的电源系统得到广泛应用。
3高频开关电源模块的均流、散热、模块更换等运
行维护
高频开关模块是直流供电系统的核心部件,其可靠运行是通信系统安全运行的重要保证。高频开关电源模块运行中,总希望并联模块之间各个电流运行在均流状态,但事实上电源模块运行一段时间后,随着运行时间的增长,电源模块设备自身电子元件的老化,元器件的容差,元器件性能的变化差别,使电源模块的外特性与输出电压发生变化;另一方面,电源模块内部的控制均流电压环、电流环失控,各并联模块的均流母线(总线接口)之间接口是否可靠,各并联模块的输出电压(浮充、均冲)和充电电流设定是否一致,各并联模块的输出与母排的连接接触是否良好,都是影响并联模块均流原因。一旦并联模块不均流,必会造成输出电压较高的模块承担更多的电流,甚至过载,从而其他模块运行于轻载,甚至空载运行,其结果必然是分担电流多的模块,热应力大。当电子元、器件上升到50 ℃时,其寿命大为降低,仅为25 ℃时的1/6,降低了可靠性。因此,高频开关模块并联运行维护中,对影响各并联模块均流的连接点、接口、输出电压检查和维护,更好地使高频开关模块并联运行在均流状态。有效延长直流供电系统的平均无故障工作时间,提高单台高频开关电源模块的平均无故障工作时间。
高频开关模块最大电流自动均流法的应用,真正的冗余系统,则任何模块退出,都不会影响系统的运行。但有一点值得注意,当直流系统需要扩容或更换模块时,新模块的输出电(浮充、均冲)和充电电流设定与系统基本一致。避免新模块的输出电压与系统电压产生电压差出现打火现象,对电源系统的运行造成影响。
电源模块有两种冷却方式,即自然冷却和强迫风冷,两种冷却方式都有各自的特点,在电力通信中,电源模块多使用风扇强迫风冷方式,存在风扇的寿命问题,所以部分厂家采用了风扇故障检测技术,风扇一旦停转立即停机保护,避免风扇的损坏引起电源模块损坏。运行维护中,电源模块故障停止运行首先检查模块风扇,确认是风扇损坏引起的故障,更换即可恢复使用。
4高频开关电源模块的运行管理
通信系统的直流供电系统稳定,是影响电力通信网可靠运行的主要因素。保障电源稳定、可靠、安全、优质的情况下运行,佛山供电局电力通信系统中对电源模块运行管理方面重点采取如下几种措施:
①采用中心机房24 h人员值班制度,通过以太网络传输对辖管各变电站通信室、办公大楼通信实际营业大楼通信机房的电源模块实现远程实时在线监测,实时监控各个通信电源的工作状态,动态地显示监控对象的状态、参数和温度环境的变化,为电力通信电源的运行维护提供有效保障,为电源故障的处理赢得时间。②通过定期的巡视,检查电源系统的电流、电压值,检查各个模块的均流状态、排热风扇性能、灰尘程度、防雷元器件,对不符合技术要求的指标参数及时调整,使各模块平均分担负载,更换性能差的风扇和损坏的防雷元器件,清理灰尘程度大的模块,达到高校散热功能。③年度定检,除完成上述内容外,重点对高频开关电源模块进行最大负载能力试验,使各高频开关电源模块的输出功率满足其标称值。通过维护措施落实,提高了电源模块故障发生前的防御能力,有效地为电力通信电源系统始终处运行于较好的状态。
5结语
文章介绍了高频开关电源模块并联供电方式,最大电流自动均流方法及N+n冗余功能,分析了高频开关电源模块并联供电方式应用中影响电源模块均流的原因,通过在技术层面和运行维护管理层面措施的落实,有效地保证电力通信电源系统始终处运行于较好的状态。
参考文献:
[1] 刑岩,蔡宣三.高频功率开关变换技术[M].北京:机械工业出 版社,2005.
关键词:电源模块;并联;冗余;均流;维护管理
中图分类号:TN86文献标识码:A文章编号:1006-8937(2010)14-0121-02
直流电源系统已广泛应用于分布式电源系统结构代替集中式电源系统结构,用小功率DC-DC变换模块并联与一个集中的大功率电源相比,有许多优点:电源模块变换效率高,动态性好,模块的并联可以实现功率冗余,提高了系统可靠性,并易于安装维护,输出功率可以扩展,以满足大功率负载需要,为电力、通信、计算机等使用直流电源系统提供可靠的直流電源能源。
1高频开关电源模块并联冗余技术
高频开关电源模块采用并联供电模式,要求达到如下效果:①并联的各模块电流能自动平行,实现均流。②均流与冗余相结合。③当输入电压或负载电流变化的时候,应能够保持输出电压的稳定,并使得系统具有良好的负载响应特性,在负载突变的时候,不会造成电流严重分配不均而停机。
如图1所示,多个独立的高频开关电源模块单元并联,系统采用模块化结构,根据负载提供所需电流在线增减模块单元,提高了系统的灵活性。
采用模块并联结构,还可以实现N+n冗余功能。所谓N+n功率冗余,是指N+n个容量为P的电源模块并联工作,负载功率为NP,冗余(备用)功率为nP,正常工作时,单个均流电源模块,承担的功率为其容量的N/(N+n);当其中一个或几个(不超过n个)电源模块出现故障时,故障模块立即被隔离,其余模块再平均分担负载电流,正常运行,电源系统仍能保证提供100 %的负载电流。采用冗余技术,除了使系统增加了容量冗余功率外,真正实现热拔插,即在保证电源系统不间断供电情况下,更换系统中的失效模块。
2高频开关电源模块并联的均流
并联电源模块系统中各模块按照外特性曲线分配负载电流,外特性的差异是电流难以均分的根源。正常情况下,各并联模块输出电阻为恒定值,输出电流不均衡主要是由于各模块输出电压不相等引起,均流的实质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,以达到均分电流的目的。
2.1均流的基本原理
图2为两个模块并联工作时的电路及其外特性曲线。如果两个模块的参数完全相同,即V01max=V02max,R1=R2,两条外特性曲线重合,负载电流均匀分配。但实际输出外来源特性是不可能完全一样,如果其中一个模块的电压参考值较高,输出电阻较小(外特性斜率小),则该模块将承受大部分负载电流,负载增大,运行于满载或超载限流状态,反之另一个负载过轻或空载。如果利用反馈控制的方式将各模块的外特性斜率调整得接近,则可使模块的电流分配接近均匀,这就是均流技术的基础。
2.2最大电流自动均流法
目前,在电源的并联系统中,实现均流控制常用的几种并联均流技术有:下垂法、主从均流法、外部控制电路法、自动均流法、最大电流自动均流法以及限额均流自动均流法。下垂法虽然简单易行,但负载效应指标较差,均流精度太低。主从均流法和自动均流法都无法实现冗余技术,一旦主电源出故障,则整个电源系统都不能正常工作,使电源模块系统的可靠性得不到保证。外控法的控制特性虽好,但需要一个附加的控制器,并在控制器和每个单元电源之间有许多附加连线。而最大电流自动均流法以及限额均流自动均流法依据其特有均流精度高、动态响应好及可以实现冗余技术等性能,目前多采用这两种均流技术。
最大电流自动均流法的实质:在n个并联的电源模块中,输出电流最大的模块,将自动成为主模块,而其余的模块则为从模块。各从模块的电压误差依次被整定,以校正负载电流分配的不均衡。
最大电流自动均流控制电路系统外环为均流控制环,内环为电压控制环,各模块的输出电流检测信号VI经过二极管接到均流母线,由于二极管的单向导电性,只有电流最大的模块,相应的二极管才导通,通过该二极管与均流母线相接,均流母线的电压与最大的电流成正比,而对其他模块说,相应的二极管被阻断,这使得均流母线上的电压Vb反映的是各模块中输出电流最大模块的电流信号。电流最大的模块也自动成为主模块,各个从模块的VI与Vb(即VI max)比较后,通过均流控制器输出来补偿基准电压,Vr’= Vr -(VI- Vb),基准电压Vr’与负载反馈电压Vf进行比较放大,产生电压误差Ve,控制PWM及驱动器,从而达到各从模块均流调节的作用,自动实现均流。
最大电流自动均流法实现并联模块均流时,其主模块是随时变换的,随时根据系统中承担电流最大的模块。不断调整各并联模块分担的负载电流,实现系统总电流在各电源模块中的精确分配。对故障模块自动隔离,正真实现系统冗余和热插拔。
自动限额均流法是泰坦电源自行设计的均流技术,与最大电流均流技术的研究是同步的,限额均流技术不仅能实现与最大电流法同样的均流性能,同时还提供了很好的电流控制性能,在电力通信中的电源系统得到广泛应用。
3高频开关电源模块的均流、散热、模块更换等运
行维护
高频开关模块是直流供电系统的核心部件,其可靠运行是通信系统安全运行的重要保证。高频开关电源模块运行中,总希望并联模块之间各个电流运行在均流状态,但事实上电源模块运行一段时间后,随着运行时间的增长,电源模块设备自身电子元件的老化,元器件的容差,元器件性能的变化差别,使电源模块的外特性与输出电压发生变化;另一方面,电源模块内部的控制均流电压环、电流环失控,各并联模块的均流母线(总线接口)之间接口是否可靠,各并联模块的输出电压(浮充、均冲)和充电电流设定是否一致,各并联模块的输出与母排的连接接触是否良好,都是影响并联模块均流原因。一旦并联模块不均流,必会造成输出电压较高的模块承担更多的电流,甚至过载,从而其他模块运行于轻载,甚至空载运行,其结果必然是分担电流多的模块,热应力大。当电子元、器件上升到50 ℃时,其寿命大为降低,仅为25 ℃时的1/6,降低了可靠性。因此,高频开关模块并联运行维护中,对影响各并联模块均流的连接点、接口、输出电压检查和维护,更好地使高频开关模块并联运行在均流状态。有效延长直流供电系统的平均无故障工作时间,提高单台高频开关电源模块的平均无故障工作时间。
高频开关模块最大电流自动均流法的应用,真正的冗余系统,则任何模块退出,都不会影响系统的运行。但有一点值得注意,当直流系统需要扩容或更换模块时,新模块的输出电(浮充、均冲)和充电电流设定与系统基本一致。避免新模块的输出电压与系统电压产生电压差出现打火现象,对电源系统的运行造成影响。
电源模块有两种冷却方式,即自然冷却和强迫风冷,两种冷却方式都有各自的特点,在电力通信中,电源模块多使用风扇强迫风冷方式,存在风扇的寿命问题,所以部分厂家采用了风扇故障检测技术,风扇一旦停转立即停机保护,避免风扇的损坏引起电源模块损坏。运行维护中,电源模块故障停止运行首先检查模块风扇,确认是风扇损坏引起的故障,更换即可恢复使用。
4高频开关电源模块的运行管理
通信系统的直流供电系统稳定,是影响电力通信网可靠运行的主要因素。保障电源稳定、可靠、安全、优质的情况下运行,佛山供电局电力通信系统中对电源模块运行管理方面重点采取如下几种措施:
①采用中心机房24 h人员值班制度,通过以太网络传输对辖管各变电站通信室、办公大楼通信实际营业大楼通信机房的电源模块实现远程实时在线监测,实时监控各个通信电源的工作状态,动态地显示监控对象的状态、参数和温度环境的变化,为电力通信电源的运行维护提供有效保障,为电源故障的处理赢得时间。②通过定期的巡视,检查电源系统的电流、电压值,检查各个模块的均流状态、排热风扇性能、灰尘程度、防雷元器件,对不符合技术要求的指标参数及时调整,使各模块平均分担负载,更换性能差的风扇和损坏的防雷元器件,清理灰尘程度大的模块,达到高校散热功能。③年度定检,除完成上述内容外,重点对高频开关电源模块进行最大负载能力试验,使各高频开关电源模块的输出功率满足其标称值。通过维护措施落实,提高了电源模块故障发生前的防御能力,有效地为电力通信电源系统始终处运行于较好的状态。
5结语
文章介绍了高频开关电源模块并联供电方式,最大电流自动均流方法及N+n冗余功能,分析了高频开关电源模块并联供电方式应用中影响电源模块均流的原因,通过在技术层面和运行维护管理层面措施的落实,有效地保证电力通信电源系统始终处运行于较好的状态。
参考文献:
[1] 刑岩,蔡宣三.高频功率开关变换技术[M].北京:机械工业出 版社,2005.