【正文】 件的使用 ................................................................................................ 17 程序流程圖 .................................................................................................................... 18 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書 第 II 頁 共 II 頁 5 系統(tǒng)測(cè)試 ............................................................................................................................ 20 測(cè)試儀器 ........................................................................................................................ 20 測(cè)試結(jié)果 ........................................................................................................................ 20 附錄 A 開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)原理圖 ............................................................................... 21 附錄 B 開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)相關(guān)程序 ........................................................................... 24 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 34 致謝 .......................................................................................................................................... 35 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書 第 1 頁 共 35 頁 1 緒論 選題的 目的 及 意義 隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電源技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)儀器儀表、計(jì)算機(jī)、航天、軍事等各個(gè)領(lǐng)域，同時(shí)也滲透進(jìn)了國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)，影響到了我們生活中的各個(gè)角落 [1]。同時(shí)，各種電子裝置對(duì)于電源的功率的要求日益提高，對(duì)電流的要求也逐漸增大，因此，開關(guān)電源不斷地向著更大的功率方向發(fā)展。如何研制出各式各樣的大功率、高性能的開關(guān)電源成為了當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)。但是受到了構(gòu)成電源模塊的磁性材料以及半導(dǎo)體器件等各種各樣的自身性能的影響，單個(gè)開關(guān)電源模塊的最大輸出功率往往只有不過幾千瓦，根本無法滿足實(shí)際應(yīng)用中所需的幾百千瓦以上的開關(guān)電源功率要求 [2]。所以，大功率的電源系統(tǒng)要求使用若干臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的開關(guān)電源，以滿足其所需的負(fù)載功率的需求。同時(shí)，考慮到分布式電源系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中相比于集中式電 源系統(tǒng)所具有的諸多優(yōu)點(diǎn)，我們選擇并采取了分布式電源系統(tǒng)供電。 因?yàn)?采取分布式 的 電源系統(tǒng)供電 方法 ，每個(gè)變換器僅僅 需要處理較小的功率，就能夠達(dá)到降低 應(yīng)力 的效果 。與此同時(shí)，我們還可以使用冗余技術(shù)，以此來提高系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并且這項(xiàng)技術(shù)使用的場(chǎng)合不會(huì)受到限制，可以根據(jù)需要來組合，既方便又靈活，其容量可以自由地?cái)U(kuò)展。與此同時(shí)，我們可以將模塊的開關(guān)頻率提高到兆赫級(jí)，以此來提高模塊的功率密度，并且使電源系統(tǒng)的重量與體積降低。在當(dāng)今大功率電源負(fù)載需求日益增加的大背景下，由于分布式電源系統(tǒng)的不斷發(fā)展，開關(guān)電源并聯(lián)技術(shù)也在 電源技術(shù)中占據(jù)了越來越重要的地位。 并且，在當(dāng)今這個(gè)迅速發(fā)展的社會(huì)中，我們更加提倡新能源的發(fā)展，因?yàn)樾履茉淳哂袧崈魺o污染、數(shù)量巨大并且取之不竭等各方面的優(yōu)勢(shì) [3]。風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等就是新能源利用的典型例子。光伏產(chǎn)業(yè)在這樣的大背景下發(fā)展十分迅速，以太陽能為例子，由于當(dāng)今技術(shù)上的限制，我們使用太陽能時(shí)候的轉(zhuǎn)化效率依然十分低下，因此，每個(gè)電池板得到的能量都十分微小。理所當(dāng)然的，單個(gè)太陽能電池板電源并不能滿足人們?nèi)粘Ｉ钪械母鞣N用電需求。因此，開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)的技術(shù)不但可以使其能夠提供我們所需的電流，并且 還能形成一種 N+m 的冗余結(jié)構(gòu)，在滿足我們用電需求的同時(shí)，幫助提高了整個(gè)開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可謂是一舉兩得。 但是，在電源模塊并聯(lián)運(yùn)行的同時(shí)，因?yàn)楦鱾€(gè)電源模塊參數(shù)具有一定的分散性，它們輸出的電流也無法做到完全一致，這會(huì)導(dǎo)致一些模塊的負(fù)荷過輕，而另外一些模塊的 第 2 頁 共 35 頁 負(fù)荷變得過重。這些問題會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性的降低，在我們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活中出現(xiàn)一些無法預(yù)料的嚴(yán)重后果。即使不出現(xiàn)重大的問題，電源模塊其本身的壽命也會(huì)因此而大大地減短 [4]。在國外，有資料表明，在工作的環(huán)境溫度超過 50 攝氏度的情況下，電子元器件的壽命是其 在常溫（ 25 攝氏度）時(shí)的六分之一左右。因此我們能夠了解到，如何能夠做到平均 地 分配各個(gè)并聯(lián) 在一起 的電源模塊的輸出電流，是目前想要提高電源并聯(lián)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性的一個(gè)亟待解決的難題。 此次開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到了單片機(jī)原理及應(yīng)用、電子測(cè)量技術(shù)以及模擬 /數(shù)字信號(hào)處理等多門學(xué)科以及技術(shù)知識(shí)的綜合應(yīng)用。通過此次開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我相信我能夠提高自己對(duì)各門專業(yè)學(xué)科知識(shí)的掌握以及運(yùn)用的能力，使之前學(xué)到的知識(shí)并不僅限于理論知識(shí)，更涉及到了實(shí)踐與創(chuàng)新。與此同時(shí)，通過實(shí)物的制作，我相信自己的動(dòng)手能力必會(huì)有所提 高，同時(shí)也增加了自己對(duì)于設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性、科學(xué)性以及全面性的理解。同時(shí)，此次開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅涉及到了硬件電路的設(shè)計(jì)，更是使用到了軟件編程，我相信我能夠通過此次開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)一步了解到程序編寫方面的知識(shí)。 國內(nèi)外 研究 現(xiàn)狀 國內(nèi)外現(xiàn)狀簡(jiǎn)介 目前，在我國的通信、家電、信息以及國防等各個(gè)領(lǐng)域的電源使用中普遍采用的高頻開關(guān)電源技術(shù)、相控電源技術(shù)逐漸在被淘汰 [5]。在我國，開關(guān)電源技術(shù)基本起源于二十世紀(jì)七十年代末和八十年代初，經(jīng)過了二十多年不斷的發(fā)展，我國的開關(guān)電源技術(shù)相較于以前有了長(zhǎng)足的進(jìn)步與重大的突破。在新型變壓器和新型磁性材料的成功開發(fā)，專用集成控制芯片的成功研制以及 EMI 濾波器技術(shù)和新型電容器的進(jìn)步中，開關(guān)電源完成了小型化的目標(biāo)，并且其 EMC 性能得到了極大的提高。與此同時(shí)，微處理器監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了開關(guān)電源的整體的可靠性，同時(shí)也能達(dá)到市場(chǎng)對(duì)于其智能化的嚴(yán)格要求?？偠灾?，若回顧一下開關(guān)電源技術(shù)一直以來的發(fā)展過程，我們可以清楚地看到，小型化、智能化、集成化、高效率以及高可靠性是當(dāng)今開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展潮流，同時(shí)也是今后所要研究的一個(gè)重要的方向。 順著這幾年光伏產(chǎn)業(yè) 以及電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展潮流，開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)也普遍被應(yīng)用到各個(gè)有電需求的領(lǐng)域。逆變焊機(jī)、電動(dòng)自行車、電鍍金以及一些需求大功率電源的供電場(chǎng)合都應(yīng)用到了這項(xiàng)技術(shù) [6]。同時(shí)，單片機(jī)的應(yīng)用以及創(chuàng)新也是未來的一個(gè)重 第 3 頁 共 35 頁 要發(fā)展方向，在此次開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我們使用單片機(jī)進(jìn)行控制，相較于其他相似的設(shè)計(jì)，這將會(huì)有許多的優(yōu)點(diǎn)。 同時(shí)，對(duì)于一項(xiàng)電子產(chǎn)品而言，我們往往十分在意它在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的系數(shù)，而電源技術(shù)對(duì)此的要求更為突出。在開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)中，想要提高其穩(wěn)定性，那就必須要解決各個(gè)并聯(lián)的模塊的輸出電流平均分配的問題，這也是一直以來國內(nèi)外對(duì)于開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)研究的一項(xiàng)重要項(xiàng)目。目前，在國內(nèi)外都比較流行的是幾種并聯(lián)均流方案，例如下垂法、自動(dòng)均流法、最大電流法、主從電源法以及外部控制器法等等。其中，主從均流法是目前在國家級(jí)別上使用的較多的并聯(lián)均流方案，而同時(shí)，美國的Unitrode 公司則開發(fā)出了以最大均流法為基礎(chǔ)的 UC3907 芯片。 UC3907 芯片由于擁有著 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大等 十分突出的優(yōu)點(diǎn)，得到了各個(gè)領(lǐng)域在芯片選擇上的廣泛使 用。在當(dāng)今單片機(jī)技術(shù)以及 DSP 技術(shù)迅速發(fā)展的大背景下，使用它們來控制并聯(lián)的電源模塊的均流能夠取得比較出色的效果。但是，由于其具有成本偏高，并且自身的 A/D 以及D/A 精度不夠等比較重大的缺陷， UC3907 芯片還沒有得到廣泛的普及。我們此次開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將通過主從均流法配合單片機(jī)來完成。 改進(jìn)的常用均流控制法 在理論分析上 ，在并聯(lián)的 Boost 變換器均流控制系統(tǒng)中運(yùn)用改進(jìn)的自動(dòng)均流法，可以在低頻域里面將 Boost 變換器的外部環(huán)路系統(tǒng)由二階系統(tǒng)改變?yōu)橐浑A系統(tǒng)。這能夠在確保其動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到良好保證的前提下，簡(jiǎn)化 Boost 變換器的控制回路。能夠分析并給出平均電流模式下的自動(dòng)均流控制系統(tǒng)的方法，給出其控制回路的設(shè)計(jì)原則，并且在理論上能夠不限模塊數(shù)量地使用該控制方法來進(jìn)行多個(gè)模塊的并聯(lián)。并使外部環(huán)路由二階系統(tǒng)降為一階系統(tǒng)來更有效地提高動(dòng)態(tài)的均流效果，并且更加具有實(shí)用性。 而另外一種則是通過與模塊中的故障檢測(cè)端結(jié)合得到的自動(dòng)均流電路。這種平均電流均流法是通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電源狀態(tài)來控制繼電器的開關(guān)。若在整個(gè) 系統(tǒng)中的任意一個(gè)電源模塊出現(xiàn)故障，無法繼續(xù)正常工作時(shí)，這種自動(dòng)均流法會(huì)降低母線的電壓，而該種改進(jìn)的方法能夠得以有效的解決。 新型的均流控制法 從簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展系統(tǒng)并改善其性能，提高系統(tǒng)的精度，提高系統(tǒng)的可靠性以及減少系統(tǒng)的成本等幾方面出發(fā)，提出了無主從模塊，無主模塊，無運(yùn)放，無模數(shù)轉(zhuǎn)換器，無傳感器等多種通過簡(jiǎn)化系統(tǒng)來進(jìn)行的均流控制方案 [7]。 第 4 頁 共 35 頁 （ 1） 交互的變換器并聯(lián)跟隨均流控制方法 該方法能夠在實(shí)現(xiàn)無主從模塊的控制策略的同時(shí)實(shí)現(xiàn) N+1 冗余，并且因?yàn)楦髯儞Q器之間的信息交換為數(shù)字信息，具有抗干擾， 高可靠性以及成本較低的優(yōu)點(diǎn)。 （ 2） 無主模塊的多項(xiàng) DCDC 變換器均流方法 該方法能夠通過控制基于數(shù)字總線通訊的 DCDC變換器并聯(lián)系統(tǒng)來擴(kuò)展簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高可靠性和降低成本。同時(shí)，任意數(shù)量相位都具有可測(cè)性。 （ 3） 無傳感器的數(shù)字均流方法 在現(xiàn)今的均流技術(shù)中，大多是依靠傳感器的檢測(cè)來比較各相的電流大小，要使用這種方法就會(huì)十分依賴傳感器的精確程度，然而我們并無法很好地掌握傳感器的精度，因?yàn)閭鞲衅鞯木仁鞘艿狡淅匣潭群图纳鷧?shù)等各種因素的影響。因此，我們往往需要增加更多的電路來減少或者消除傳感器誤差的影響。雖然 傳感器的精度問題并不是無法解決，但是往往因此，系統(tǒng)的優(yōu)化會(huì)變差，并且電源轉(zhuǎn)換效率也會(huì)減少。結(jié)合以上的多方面考慮，人們研究出了一種無傳感器的均流方法，這種方法很好地規(guī)避了傳感器的精度帶給整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)面影響，同時(shí)因?yàn)槠洳恍枰x線和在線的校正，轉(zhuǎn)換電路的效率將會(huì)提高許多。 （ 4） 無均流線的均流控制方法 該方法是將每個(gè)電源模塊直接進(jìn)行并聯(lián)，使每個(gè)電源模塊的控制電路獨(dú)立出來，不通過連接線來連接，同時(shí)疊加高頻交流信號(hào)在輸出端上來傳遞輸出電流的信息來達(dá)到均流的目的。使用該方法來進(jìn)行開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)的均流能夠很好地提 高開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)的可靠性。 （ 5） 對(duì)數(shù)多相變換器的均流控制方法 該方法是通過改善不均衡的變換器效率來實(shí)現(xiàn)均流。將變換器中的各相都變成以二為權(quán)重的恒流源，可以通過二的對(duì)數(shù)方式來排列。在不同的系統(tǒng)組成和不同的頻率下，針對(duì)給定電流選擇各相的開關(guān)狀態(tài)來獲得最有效的工作點(diǎn)來提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的速度和減少系統(tǒng)的規(guī)模。因?yàn)槭褂么朔椒ㄟM(jìn)行電流測(cè)量時(shí)可以不通過模數(shù)變換器，因此很適合低功率高頻率的變換器，提高了系統(tǒng)的效率，并且具有很好的動(dòng)態(tài)特性。 （ 6） 無運(yùn)放的均流控制方法 該方法是通過低通濾波器加上比較器來產(chǎn)生電流的誤差信號(hào)而不是通過運(yùn)放來產(chǎn)生，這會(huì)使電路的工作狀態(tài)變得十分可靠。電流均分母線上的電壓決定了每個(gè)電源模塊 第 5 頁 共 35 頁 的輸出電流，因?yàn)楦鱾€(gè)并聯(lián)模塊之間的均流電路是依靠電流均分母線連接的。 分布式電源系統(tǒng)的發(fā)展 早在二十世紀(jì)的七十年代，分布式電源系統(tǒng)的概念就已經(jīng)被學(xué)者提出，它原本是為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)提供電源的。在分布式電源系統(tǒng)得以應(yīng)用之前，若想要提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)工作的可靠性，人們通常是使用對(duì)電源設(shè)備進(jìn)行備份的方法。這樣就會(huì)導(dǎo)致成本的攀升，往往人們無法做到同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性與可靠性。相比于集中式供電系統(tǒng)，使用電源技術(shù)使一個(gè)個(gè)較小的電源模塊組合成功率較大的電源系統(tǒng)不但能夠降低成本，更能提高其整體系統(tǒng)的可靠性，因此此項(xiàng)分布式電源系統(tǒng)在供電系統(tǒng)中得到了迅速的廣泛應(yīng)用 [8]。 隨著分布式電源系統(tǒng)變得越來越 成熟，人們開始使用更多的電源模塊來并聯(lián)