馬 寧，韓 冬，孫 勇

分布式電源系統(tǒng)啟動穩(wěn)定性研究

馬 寧，韓 冬，孫 勇

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京，210039）

分布式電源系統(tǒng)在啟動時，會面臨級聯(lián)電路帶來的母線電壓振蕩及異常工作電壓等穩(wěn)定性問題，因此需要進行針對性設(shè)計和改進。本文針對兩級Buck電路級聯(lián)電源系統(tǒng)，基于功率守恒原理建立大信號系統(tǒng)模型，直觀地分析了系統(tǒng)啟動過程中各個模塊軟啟動工作原理及出現(xiàn)關(guān)斷重啟現(xiàn)象的原因，并推導(dǎo)出級聯(lián)電源系統(tǒng)啟動穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)公式。接著對系統(tǒng)進行行為級建模仿真，在滿足電路性能需求的基礎(chǔ)上，驗證了通過合理設(shè)置兩級電源輸出電容、負(fù)載電源啟動點、系統(tǒng)軟啟動時間等以符合啟動穩(wěn)定性參數(shù)公式，可保證分布式電源系統(tǒng)的啟動穩(wěn)定性。

分布式級聯(lián)電源系統(tǒng) 啟動穩(wěn)定性 行為級仿真

0 引言

隨著電子信息裝備朝多功能一體化、輕薄化和低成本的趨勢發(fā)展，對裝備供電系統(tǒng)提出了新的要求。與傳統(tǒng)的集中式電源系統(tǒng)（Centralized Power System，CPS）相比，分布式供電系統(tǒng)（Distributed Power System，DPS）采用多個變換器組成并聯(lián)、級聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有系統(tǒng)架構(gòu)靈活、動態(tài)特性好、可靠性高、適應(yīng)模塊化結(jié)構(gòu)要求且便于維護等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于通訊、艦船、航空供電系統(tǒng)和新能源發(fā)電領(lǐng)域[1-5]。

然而，直流分布式電源系統(tǒng)中電源級聯(lián)所造成的穩(wěn)定性問題成為電源系統(tǒng)設(shè)計的難點。由于系統(tǒng)子模塊間復(fù)雜的相互作用，級聯(lián)電源在啟動或動態(tài)負(fù)載等大信號擾動情況下，出現(xiàn)系統(tǒng)振蕩或輸出電壓異常，從而影響供電穩(wěn)定性，導(dǎo)致負(fù)載異常工作[6-8]。因此需要在設(shè)計初期即對可能出現(xiàn)的穩(wěn)定性問題進行針對性的設(shè)計和改進[9,10]。

現(xiàn)有對級聯(lián)型電源系統(tǒng)穩(wěn)定性研究大多依據(jù)小信號分析方法，采用奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)、勞斯判據(jù)、波特圖等經(jīng)典控制理論[11-15]。小信號分析方法適用于研究處于穩(wěn)態(tài)工作點附近的穩(wěn)定性情況，在級聯(lián)電源系統(tǒng)中，小信號的穩(wěn)定并不能保證系統(tǒng)在啟動過程和存在負(fù)載動態(tài)等大信號擾動下的穩(wěn)定性[16]。

級聯(lián)系統(tǒng)的大信號穩(wěn)定性分析主要包括數(shù)字化仿真和解析法[17-19]。相較于成熟的小信號分析方法，大信號穩(wěn)定性分析在一定程度上缺乏系統(tǒng)性理論成果。目前其主流的分析方法側(cè)重于仿真研究，難以在實際工程中對電源模塊或電源系統(tǒng)參數(shù)提供理論指導(dǎo)。

本文基于功率守恒原理建立大信號系統(tǒng)模型，著重從工程角度直觀地分析了兩級Buck電路組成的級聯(lián)電源系統(tǒng)的啟動瞬間穩(wěn)定性，推導(dǎo)出啟動穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)公式，得出電源參數(shù)設(shè)置方法及其對系統(tǒng)啟動瞬間的穩(wěn)定性影響，最后對電源系統(tǒng)進行行為級建模仿真，驗證了啟動穩(wěn)定性關(guān)鍵參數(shù)公式，對系統(tǒng)工程參數(shù)設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

1 級聯(lián)電源系統(tǒng)啟動穩(wěn)定性分析

本文研究的分布式級聯(lián)型電源系統(tǒng)采用兩級BUCK變換，將500 V電壓變換為+5 V負(fù)載用電電壓。前級電源選用移相控制器UC3875構(gòu)成移相全橋BUCK變換拓?fù)?，實現(xiàn)電源隔離變換；負(fù)載電源選用內(nèi)部集成功率管的LT8641 Buck控制器構(gòu)成非隔離BUCK變換拓?fù)?，實現(xiàn)對負(fù)載的快速響應(yīng)。圖1 展示了兩級電源級聯(lián)關(guān)系及相關(guān)無源器件的大信號模型。

圖1 級聯(lián)電源系統(tǒng)大信號模型

級聯(lián)電源系統(tǒng)各電源模塊的環(huán)路控制均具有軟啟動功能，不同的軟啟動控制方式對電源啟動瞬間的環(huán)路特性有不同影響。

1.1 前級電源啟動過程分析

級聯(lián)電源系統(tǒng)中前級電源通常采用移相全橋Buck拓?fù)湓O(shè)計，利用恒定電流源為外置軟啟動電容充電實現(xiàn)軟啟動控制。以移相型控制芯片UC3875為例，其軟啟動原理如圖2所示。

圖2 UC3875軟啟動原理圖

具體來說，軟啟動過程中因前級電源輸出功率較大，為防止輸出電壓過沖，令軟啟動電容C上的電壓V嵌位誤差放大器輸出E/AOUT端電壓。同時，前級電源移相角大小由E/AOUT端電壓決定，因此移相角隨軟啟動電壓值的增加逐漸放寬，對應(yīng)的輸出電壓逐漸升高，直至達(dá)到目標(biāo)電壓值。

記圖2控制芯片內(nèi)部的軟啟動充電電流為I，與軟啟動電容上電壓V的關(guān)系為：

設(shè)t為前級電源軟啟動時間，那么有：

因V直接嵌位誤差放大器輸出端E/AOUT電壓，所以V電壓與環(huán)路占空比成線性關(guān)系，該比例參數(shù)記為K。設(shè)D為軟啟動過程中環(huán)路占空比：

那么有：

此時可以得出圖1中前級電源的輸出電壓：

前級電源空載軟啟動過程中的輸出電流：

將(5)代入有：

然而，該軟啟動控制方法存在一定缺陷。在前級電源處于軟啟動過程中，輸出電壓V1升高到負(fù)載電源設(shè)置的啟動點時，因容性負(fù)載C2較大，負(fù)載電壓在建立瞬間向前級取電導(dǎo)致I2變大，而此時前級電源的移相角受軟啟動電壓值嵌位，無法快速增加占空比對環(huán)路中的電感進行儲能以響應(yīng)負(fù)載的變化。因此負(fù)載電源輸入電流I2主要由變換器負(fù)載電容C1提供，導(dǎo)致輸出電壓V1出現(xiàn)跌落。若跌落幅度超出負(fù)載電源啟動關(guān)斷滯環(huán)，負(fù)載電源將關(guān)斷重啟，從而造成供電鏈路震蕩，同時可能會對負(fù)載的正常工作造成影響。

1.2 負(fù)載電源啟動穩(wěn)定性分析

負(fù)載電源LT8641 Buck控制器軟啟動的原理如圖3所示。

圖3 LT8641 Buck控制器軟啟動原理

LT8641內(nèi)部的恒流源I2為外置軟啟動電容C2充電，當(dāng)軟啟動電容電壓V2()低于基準(zhǔn)電壓V2時，誤差放大器同相端電壓隨V2()同步升高，經(jīng)分壓電阻1，2設(shè)置的輸出電壓V2()與V2()成線性關(guān)系，該比例參數(shù)記為K：

當(dāng)V2()升高至基準(zhǔn)電壓V2，誤差放大器同相端電壓不再隨V2升高，等于V2，經(jīng)過控制環(huán)路調(diào)節(jié)，輸出電壓達(dá)到額定電壓V2。

圖2中軟啟動充電電流I2與外置軟啟動電容電壓V()的關(guān)系為：

即：

圖1中負(fù)載電容充電電流與負(fù)載電容電壓的關(guān)系式：

將(8)、(9)代入(11)則有：

假設(shè)電壓建立前負(fù)載芯片不工作，即軟啟動過程中阻性負(fù)載無窮大，負(fù)載電流公式為：

為簡化計算，此處假設(shè)電源轉(zhuǎn)換效率近似為100%，那么有：

因負(fù)載電源軟啟動時間遠(yuǎn)小于前級電源軟啟動時間，因此負(fù)載電源的啟動過程的V()可近似為負(fù)載電源啟動電壓閾值V，即：

1.3 級聯(lián)電源啟動穩(wěn)定性分析

根據(jù)上文對前級和負(fù)載電源的分析，考慮最壞情況，當(dāng)負(fù)載電源啟動足夠快，啟動所需電流全部由前級電源輸出電容提供，則圖1中前級電源輸出電容充電電流I1：

啟動過程中前級電源輸出電容上電壓跌落值為：

代入公式(7)和(16)得：

即：

代入式(2)、(5)、(11)、(12)得：

當(dāng)ΔVt≥0，即

負(fù)載電源啟動時電壓不會跌落。反之亦然。

當(dāng)ΔV≤-V（負(fù)載電源啟動滯環(huán)電壓）即：

前級電源輸出電壓跌落至低于負(fù)載電源的關(guān)斷電壓時，負(fù)載電源將出現(xiàn)關(guān)閉重啟現(xiàn)象。短時間內(nèi)的多次重啟可能導(dǎo)致負(fù)載芯片程序混亂，引發(fā)故障。而實際系統(tǒng)的傳輸線路中存在寄生參數(shù)，負(fù)載電源瞬間多次重啟還會導(dǎo)致嚴(yán)重的線路震蕩，存在芯片及電容過壓燒毀的風(fēng)險。

因此在級聯(lián)電源系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置中需避免負(fù)載電源在開啟瞬間出現(xiàn)關(guān)閉重啟現(xiàn)象，即滿足：

已知負(fù)載電源BUCK控制器LT8641使能端EN啟動閾值V=1.0 V，滯環(huán)為45 mV，對輸入電壓進行電阻分壓作為EN使能輸入值，設(shè)置啟動點，電源啟動滯環(huán)為：V=0.045V，代入公式(24)得：

由上式可以得出，因系統(tǒng)輸入輸出電壓確定，軟啟動電流由芯片內(nèi)部已知電流源控制，因此，對于前級電源，增加其輸出電容C1并減小其軟啟動時間t1有助于避免負(fù)載電源關(guān)斷重啟現(xiàn)象；對于負(fù)載電源，減小輸出電容C2，增加其軟啟動時間t2，同時，增加其啟動電壓V同樣有助于提升系統(tǒng)啟動瞬間穩(wěn)定性。由于成本及電源系統(tǒng)空間限制，前級電源輸出電容并不能無限增大，而負(fù)載電源輸出電容也需要根據(jù)負(fù)載特性及對電源紋波、脈沖峰峰值等需求選擇足夠的容量。因此，不能單純通過調(diào)節(jié)供電鏈路電容來保證啟動穩(wěn)定性，還可以適當(dāng)調(diào)節(jié)兩級電源的軟啟動時間、設(shè)置合適的負(fù)載電源啟動點及滯環(huán)區(qū)間，從而實現(xiàn)級聯(lián)電源的啟動穩(wěn)定性。

2 級聯(lián)系統(tǒng)建模仿真

對本文研究的兩級級聯(lián)電源系統(tǒng)進行行為級建模，模型如圖4所示。負(fù)載電源一般為分布式的多個負(fù)載點電源并聯(lián)，為方便仿真，此處將所有負(fù)載電源等效為一個電源，負(fù)載電容值C2為單路負(fù)載電容乘以倍數(shù)。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖4 兩級級聯(lián)電源系統(tǒng)仿真模型

代入公式(25)，可計算出當(dāng)V＞18.71 V時，級聯(lián)電源系統(tǒng)啟動過程不會出現(xiàn)重啟現(xiàn)象。

圖5所示為負(fù)載電源啟動點V=15 V時的啟動波形，其中V1為一次電源輸出電壓（母線電壓），測量點為靠近負(fù)載電源的輸入端口處，V2為負(fù)載電源輸出電壓。由于負(fù)載電源啟動點設(shè)置過低，導(dǎo)致前級電源輸出電壓跌落值超出負(fù)載電源啟動滯環(huán)，電壓值低于負(fù)載電源關(guān)斷電壓，負(fù)載電源關(guān)斷。此后前級電源輸出電壓繼續(xù)升高，直至再次達(dá)到負(fù)載電源啟動點，負(fù)載電源重新啟動。如此往復(fù)，導(dǎo)致負(fù)載電源多次關(guān)斷重啟，同時仿真模型考慮了實際電源系統(tǒng)兩級電源間的傳輸距離產(chǎn)生的寄生電感RL和RL，寄生電感的作用加劇了負(fù)載電源輸入電壓的振蕩，電壓最高振蕩至38 V。負(fù)載電源輸入電壓的振蕩不僅影響了負(fù)載供電的穩(wěn)定性，還將給電源芯片帶來過壓損壞的風(fēng)險。

圖5 級聯(lián)電源系統(tǒng)啟動波形（Vout=32 V，Von=15 V）

圖6為負(fù)載電源啟動點設(shè)置為20 V時的啟動波形，滿足V＞18.71 V。負(fù)載電源啟動瞬間，前級電源輸出電壓跌落值未超出負(fù)載電源啟動滯環(huán)，負(fù)載電源不會出現(xiàn)關(guān)斷重啟現(xiàn)象，從而正常啟動，保證了對負(fù)載的供電穩(wěn)定性。

圖6 級聯(lián)電源系統(tǒng)啟動波形（Vout=32 V，Von=20 V）

然而負(fù)載電源啟動點并不是越高越好，實際工程應(yīng)用中，一般將負(fù)載電源的啟動點設(shè)置為前級電源額定輸出電壓的80%以下，以避免因線路損耗或干擾所產(chǎn)生的母線電壓波動，導(dǎo)致負(fù)載電源無法啟動或誤關(guān)斷。

3 結(jié)論

本文通過對分布式級聯(lián)電源系統(tǒng)建立大信號模型，分析了其軟啟動過程中電壓電容關(guān)系及出現(xiàn)關(guān)斷重啟的原因，推導(dǎo)出啟動穩(wěn)定性關(guān)鍵參數(shù)公式，并進行行為級建模仿真驗證。結(jié)果表明，在滿足電路性能需求的基礎(chǔ)上，通過合理設(shè)置負(fù)載電源的啟動點，同時綜合考慮系統(tǒng)中儲能電容的量值，以及電源軟啟動時間，從而滿足推導(dǎo)得出的啟動穩(wěn)定性公式，可保證級聯(lián)電源系統(tǒng)的啟動穩(wěn)定性。

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Research on the startup stability of the distributed power supply system

Ma Ning, Han Dong, Sun Yong

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210013, Jiangsu, China)

TN86

A

1003-4862（2022）09-0056-05

2022-05-17

馬寧（1989-），女，工程師，研究方向：開關(guān)電源技術(shù)、雷達(dá)電源系統(tǒng)等。E-mail：pfgmaning521@163.com