N+1热插拔电源模块并联均流系统设计与实现

N+1个热插拔电源模块并联均流系统设计

摘要

目前工业及国防领域中对开关电源的体积、功率、可靠性等要求高，急需一种新型拓扑电源系统。介绍了一种采用Vicor高功率密度器件设计的具有热插拔功能的电源模块，基于此模块，采用民主均流及N+I冗余的方法设计了一种高可靠的电源系统。实验结果表明该电源系统稳定可靠，具有良好的推广价值。

1 引 言

各种系统对电源的体积、功率密度都有苛刻的要求，负载对供电可靠性的要求也越来越高。为了提高供电的可靠性。可采用并联运行或双机热备份．但由于电源各自参数的分散性，每个电源的输出电流会出现较大的偏差，影响系统的稳定性。因此对开关电源并联均流的研究极为重要。开关电源并联均流有主从均流及民主均流等。这里采用了基于Ⅳ+1个电源模块冗余的民主均流设计了开关电源并联均流系统．该系统具有均流精度高、输出电压稳定性和可靠性高的特性。

2 电源模块设计

2．1 Vicor模块介绍

全桥DC／DC转换器l 2l模块V24A36M400BN主要参数为：输入电压范围l8～36 V，典型值24 V；额定输出电压为36 V，过压点4O．4 V：最大负载电流11．11 A：效率不低于86％：额定功率400W。

Vicor模块功率处理和控制原理图如图1所示。通过PC引脚可使能或关闭模块；PR引脚为电源的并联母线．利用PR引脚可组成N+I或N+M冗余阵列，增大输出功率；通过SC引脚，外接电阻可对电源输出电压进行上下调整

2．2 电源模块设计

电源模块主要由滤波模块、Vicor电源模块以及外围电路组成，其中Vicor电源模块是其核心功率部分，整个电源模块具有调压及并联均流接口。电源模块如图2所示。

均流电路通过与Vicor电源模块配合的均流变压器实现．各模块可连接达到负载均流，同时变压器在PR引脚起电气隔离作用。调压过程通过外接数字电位器实现电源的程控调压。过压保护电路是将电源模块输出电压分压后送入比较器输入端．与比较器另一输入端的基准电压相比较，当电源模块输出电压超过基准电压时。比较器翻转，使光耦导通，拉低MOSFET的栅极，从而使滤波器模块无输出，关断单体模块的输入电压。

2．3 热插拔功能设计

热插拔控制电路在不增加太多硬件成本的前提下．使电源模块不因热插拔操作造成整机输出异常．不引入过电应力损伤电源模块元器件，不产生浪涌电流对供电母线造成影响，不造成负载电压的跳变，平滑地插入和拔出。

热插拔电路原理图如图3所示。其中，D。为滤波模块，D：为Vicor电源模块，+28 V／一28 V为外部输入电源．VC为稳压值+15 V，HSC信号电压为+15 V，+IN／一IN为功率模块输入电压，PC为功率模块使能信号。

当电源模块刚插入地面电源整机安装板的接插件时，系统电源+28 V接入电源模块电路，R1，R2：和电压调整二极管VD3 ，VD4 组成的稳压电路将VC电压稳定到+15 V． 由于电源模块的连接器上HSC插针比其他插针短．因此其他插针刚连接好时，HSC还没有连接上，此时HSC没有电压，即V8。的栅极电压为零，V8。不导通，D1，处于被关闭状态，没有输出；与此同时，R4，R6 分压后的电压加到V7的基极使V7 导通。V7的导通使V10导通，D2的PC管脚电压被箝位于零，没有输出。

当电源模块完全插入地面电源整机安装板的接插件后，HSC电压与VC相同，都为+15 V，V8的栅极电压使V8导通，D1 导通；同时，HSC上电压使v 的集电极电压低于基极电压致使v 关断，使得V10的栅极电压为零，V10截止，从而D2的PC电压变为高电平，开始工作。

D1自身具有电流抑制作用，启动时不会产生浪涌电流。其输出电压平滑上升至输入电源电压+28 V；当D1输出电压+IN上升至D2的开启电压后， 由于D2自身的软启动功能，D2输出电压平滑上升至额定输出电压。同样不会产生浪涌电流。

在热拔出时．由于HSC插针最短，首先脱出插孔，电路按照与插入时相反的情况实现热拔出。电源模块的热插拔时序图如图4所示。

3 并联均流系统设计

3．1 并联均流的基本原理

并联运行时电源模块电流不能均分是由于每个电源模块都有其相应的输出特性曲线 。如果每个电源模块的参数完全相同，其外特性曲线重合，负载电流就能均匀分配。并联均流电路可使每个电源模块的输出特性曲线一致，达到均流目的。

3．2 并联均流系统设计

电源模块为Vicor全型功率模块，根据设计的功率要求．采用民主均流及5+1冗余结构模式。其中5个电源模块满足功率使用要求，增加1个模块作为冗余备份。系统原理图如图5所示。

由于模块自带有均流PR管脚。根据使用手册，只要增加对应的外部电路就能设计成所需的均流系统。由于并联的模块大于4个．并且为了电源模块之间相互连接的阻抗不至于把控制信号扰乱，选用变压器耦合的并联接法，使用PR隔离变压器来隔离均流母线。为了避免PR均流信号畸变，在隔离变压器的初级串联隔直电容、在PR端并联阻尼电阻，并连接反极性保护二极管

开关电源冗余工作时，为了保证某个电源模块故障时，不影响整个电源的输出，在每个电源模块的输出都必须接二极管。

4 实验与分析

通过监控界面的输出电流，可得在不同负载情况下的均流指标。均流情况如表1所示。

根据均流度计算公式，均流度等于每个模块输出电流与所有模块平均输出电流的差值再除以模块额定输出电流。由表1可以看出，在4O A时．各电源模块的均流度分别为：dl=0.00135，d2=d3=d5=-0.00135，d4=0.00045，d6=0．00225。各个电源模块的均流度均非常接近零，即所设计并联均流电源系统达到了设计目标。

4 实验与分析

采用基于Ⅳ+1个电源模块的主从设置法，设计了开关电源并联冗余均流系统并对该系统进行了验证。实验结果表明，系统的输出电压稳定性和均流精度优异。当主模块故障时，从模块能自动代替主模块，提高了系统的可靠性：由于电源模块具有热插拔功能，便于故障模块带电更换。