模塊電源陣列兩種串聯(lián)電壓調(diào)整電路的比較

1 常規(guī)串聯(lián)調(diào)壓電路及其誤差分析

1．1 VICOR模塊電壓調(diào)整

VICOR公司模塊提供電壓調(diào)整端，調(diào)整方法相似．第一代模塊的電壓調(diào)整范圍為額定電壓輸出值的50％～110％，第二代模塊的電壓調(diào)整范圍為標(biāo)稱電壓輸出值的10％～110％．

第二代模塊內(nèi)部誤差放大器的連接形式如圖1所示．其SC為調(diào)整端，連接到誤差放大器的同相輸人端，模塊內(nèi)部提供一個(gè)1．23 V的基準(zhǔn)電壓，通過(guò)一個(gè)1 kQ電阻連接到誤差放大器的同相輸人端，反相輸入端連接模塊的實(shí)際輸出值的檢測(cè)端，改變SC端對(duì)一s端的電壓即可調(diào)整輸出電壓，調(diào)整后模塊實(shí)際輸出電壓為:

式中，VNOM為模塊標(biāo)稱輸出電壓；Vref為在SC端對(duì)-S端所加的控制電壓，其中0V

1．2 常規(guī)電路

常規(guī)電路形式如圖2所示，Q11為執(zhí)行器，實(shí)質(zhì)是一可變電阻，集電極接U2的SC端，發(fā)射極接U2的-OUT端．改變Q11的基極所加電流，即可改變Q11的導(dǎo)通特性，進(jìn)而可以改變U2的SC端對(duì)-OUT端的電壓，由式(1)可知，U2的輸出電壓可以調(diào)整．圖2中，U1為主模塊，U2為串聯(lián)模塊，輸出電壓V0為U1和U2輸出電壓的和．當(dāng)Vref減小時(shí)，U1輸出電壓減小，R11中瞬時(shí)電流不變，該電流分兩路，一路流向R12，一路注入Q11的基極，由于模塊U1輸出電壓的下降，使R12中電流減小，注入Q11基極的電流增大，Q11等效電阻減小，導(dǎo)致U2的輸出電壓也下降，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)串聯(lián)模塊的電壓跟隨調(diào)整，反之亦然．

該電路的優(yōu)點(diǎn)是所用元件少、成本低廉，缺點(diǎn)是跟隨精度差．實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)多個(gè)模塊串聯(lián)輸出調(diào)壓時(shí)，跟隨誤差較大．筆者在實(shí)現(xiàn)6個(gè)5 V、400W模塊串聯(lián)跟隨調(diào)壓的實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，若設(shè)定Vref使U1輸出電壓為2．5 V，則U2實(shí)際跟隨電壓為2．8 V，后一個(gè)模塊的實(shí)際輸出較前一個(gè)模塊有0．3 V的誤差．直接后果為整體電壓調(diào)節(jié)范圍的減小，并造成每個(gè)模塊在實(shí)際工作中輸出功率的不均衡．因?yàn)槭谴?lián)工作，在輸出同樣電流的情況下，端電壓低的電路輸出功率小，端電壓高的輸出功率大．這就直接影響到電源的可靠性．

1．3 誤差原因分析和改進(jìn)措施

實(shí)際測(cè)量模塊的階躍響應(yīng)曲線，其傳遞函數(shù)可近似為

式中，T=0．037 s為慣性時(shí)間常數(shù)，S為拉氏算子．跟隨系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為:

式中，Kp為控制器的比例系數(shù)．穩(wěn)態(tài)誤差為

式中

減小這個(gè)誤差的措施有：：①提高K，這可以通過(guò)提高Q11的電流放大倍數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)．筆者將Q11接成達(dá)林頓形式，以增加Q11的電流放大倍數(shù)．試驗(yàn)證明，可以減小誤差，增大電壓的調(diào)整范圍，但工作情況不穩(wěn)定，原因是輕載和重載電壓調(diào)整范圍不同，造成控制的不定性，使電路調(diào)整困難．②改變控制規(guī)律，采用Pl調(diào)節(jié)器．由式(4)可知，造成誤差的原因是為Go(s)為0型，若提高系統(tǒng)的型次，由0型提高為1型，理論上可消除系統(tǒng)跟隨位置輸入信號(hào)的ess．

2.采用PI調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方案

2．1 電路形式

PI調(diào)節(jié)器的電路形式如圖3所示，U1、U2模塊串聯(lián)連接，控制器由運(yùn)算放大器O1接成PI形式，O1的同相端檢測(cè)U2的實(shí)際輸出電壓，反相端檢測(cè)兩模塊串聯(lián)后的實(shí)際輸出電壓．調(diào)整要點(diǎn)：當(dāng)給定Vref=1．23 V，使U1輸出為NNOM，調(diào)整R1使U2的輸出也為VNOM即可，調(diào)整方便、簡(jiǎn)單．

2．2 采用PI調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)

應(yīng)用此電路對(duì)6個(gè)串聯(lián)模塊的電壓調(diào)整電路進(jìn)行改造，改造后當(dāng)設(shè)定Vref，使U1輸出為2．5V(VNOM的50％)時(shí)，其它串聯(lián)跟隨模塊的實(shí)際輸出情況見(jiàn)表1．

輸入指令Vref=2．5 V，使輸出希望值為2．5 V×6=15 V時(shí)，常規(guī)電路形式調(diào)壓實(shí)際輸出電壓為19．5 V，誤差為4．5 V，采用PI控制實(shí)際輸出電壓為15 V，誤差為0．

6個(gè)5 V、400 W 模塊串聯(lián)，可設(shè)計(jì)的最大電壓調(diào)整范圍為3～30 V．而常規(guī)電路形式調(diào)壓，實(shí)際輸出電壓范圍7．5～28．9 V，低端電壓拉不下來(lái)，高端調(diào)不上去．采用PI控制后，電壓調(diào)整范圍為3～30 v，可以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電壓調(diào)整無(wú)誤差．

3.結(jié)論

綜上所述，采用PI調(diào)節(jié)可以減小ess到0，較好的解決了多個(gè)模塊串聯(lián)電壓調(diào)整的問(wèn)題，調(diào)整容易，各模塊輸出功率均衡，穩(wěn)定性好．但相對(duì)于常規(guī)電路形式，所需成本增加．