电源与节能技术
ＤＯＩ：１０．１９３９９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｔｐｔ．２０２３．０２．０２８
并联模块化大功率直流电源的设计
孟士超
（海装驻沈阳地区军事代表局驻葫芦岛地区军事代表室，辽宁 葫芦岛 125000）
摘要：大功率直流电源在工业和军用领域有广泛的应用需求，由于大容量单体电源的技术尚不成熟，因此基于模块化并联运行技术的大功率直流电源成为解决当前实际需求的有效手段之一。介绍了一种应用于船舶的大功率直流电源的设计，详细论述了其主要电路的设计和多模块并联工作控制原理。
关键词：大功率直流电源；VIENNA 整流器；零电压开关（ZVS）变换器；均流控制
Design of Parallel Modular High Power DC Power Supply
MENG Shichao
(Haizhuang Military Representative Office in Huludao, Huludao 125000, China)
Abstract: High power DC power supply is widely used in industrial and military fields. The technique of the power supply whose capacity is more than MW is not yet mature, so parallel operation of power supplies is adopted to solve this problem. This paper introduces a design of high power DC power supply used on ships, and introduces its main circuit design and multi-module parallel operation control principle in detail.
Keywords: high power DC power supply; VIENNA rectifier; Zero Voltage Switch(ZVS) converter; current sharing control
1 电源模块化设计概述
随着现代社会对于直流电源功率等级要求的提高，在蓄电池充电、电力机车、船舶电力推动等场合下，直流电源系统不仅需要满足大的容量，还需要保证使用上的安全可靠，以及在供应过程中的不间断等[1]。而单体的大功率直流电源设备，因其中国产功率电力电子器件的电压电流应力还不足以满足设计需求及系统要求，系统的功率等级无法向上进行拓展，以提升容量[2]。特别地，如果单个电源发生故障，则可能会导致整个系统停止运行，在人员及设备安全上也有较大隐患。
因此，模块化设计也逐渐成为了大功率直流电源的发展趋势。通过模块并联运行增加了整机的输出功率，同时模块化设计也让电源模块间存在可替代性，如果有少数模块产生故障则可将这些模块进行脱离，
而不影响电源的整体输出，能够提高电源整体的 可靠性。
电源模块化设计因多个模块并联叠加输出，可能因为生产工艺等原因导致模块输出阻抗不一致，而这些差别会导致其中某几个模块工作在大电流甚至是过载的状态下，同时其他模块只分担了较小的电流输出，存在严重的不均衡[3]。因此，为了保证电源的
可靠性及安全性，必须采取模块并联控制策略来均衡各模块，让各个模块所承担的负载电流均衡[4]。
2 电源组成与工作原理
本大功率直流电源由42个整流电源模块并联组成，主电路组成如图1所示。
大功率直流电源中的整流电源模块将交流380 V 转换成直流电压后，并联在一起输出。整流电源模块主要由三电平VIENNA 功率因数校正电路和三电平隔离直流变换电路2个部分组成，还包括其他辅助电路。从输入端到输出端依次是防雷电路、输入电磁兼容（Electro Magnetic Compatibility ，EMC ）电路、软启动电路、Boost 升压电路、半桥隔离变换电路、输出整流电路、输出滤波电路、输出EMC 电路。相应的，为了支撑直流电源的主电路工作，需要辅助电路，包括辅助电源电路、采样电路、泄放电路、驱动电路、控制电路等。
因模块间的细微差异可能导致模块输出的电流不均衡，大功率直流电源设计通过控制器局域网（Controll
er Area Network ，CAN ）总线实现整流电源模块与控制板的通信，通过均流控制策略来让各个模块所输出的电流保持均衡，平衡模块负载承担情况。
收稿日期：2022-11-20
作者简介：孟士超（1982—），男，辽宁北镇人，主要研究方向为舰船电子工程。
电源 指示
二次回 路供电
输入电压采集
模块电源故障
输入电流采集
直流输出 电流采样
风机1风机2风机3功率模块1功率模块2功率模块42
…主回路 断路器
图1 大功率直流电源主电路组成
3 整流电源模块的主电路设计
大功率直流电源的整流电源模块采用了前级VIENNA 整流器与后级半桥三电平DC DC 变换器的拓扑结构，以实现供电电源高效率和电源模块化设计。
3.1 AC/DC 变换电路设计
模块整流主电路采用VIENNA 整流电路拓扑，由缓启电路、差模电感、VIENNA 整流电路、直流母线电容4部分组成。输入三相的相间与单相对地设计有瞬态电压抑制二极管，每相串有熔丝与差模电感。缓启电路在B 、C 相设计有继电器和缓启电阻，在电源启动阶段，继电器断开，缓启电阻串入主电路，建立母线电压后闭合继电器，将缓启电阻短路，完成缓启过程。VIENNA 整流电路中，每相分为并联的2路，可降低2个反向串联绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar
Transistor ，IGBT ）的电应力。整流电路输出中点与母线滤波电容中点相连，具体电路连接关系如图2所示。3.2 DC/DC 变换电路设计
整流输出电压作为模块变换电路输入电压，变换电路由2个半桥三电平移相电路模块在输入端并联、输出端串联组成。变压器副边经过不控整流电路后串联作为整流电源模块最终输出电压，具体电路连接关系如图3所示，IGBT 1、IGBT 2、IGBT 3、IGBT 4为一路半桥三电平电路，IGBT 5、IGBT 6、IGBT 7、IGBT 8为另一路半桥三电平电路。
4 关键性能设计
4.1 大功率整流单元多模块并联设计
整流电源模块具有自主均流功能，多模块可以并联使用，模块通过CAN 总线收集模块的输出电流，
D C +
+
M
DC+
DC-
C D L Br R V_3ph
Br R L L D D D D D D D D D IGBT 1
IGBT 3
IGBT 5
IGBT 7IGBT 9
IGBT 11
IGBT 2
IGBT 4
IGBT 6
IGBT 8
IGBT 10
IGBT 12
D 图2 VIENNA 主电路
C Tr Cf Cf Lf Lf Tr C +
+
+
D Css
D C D D D D D D D D D PWM 2
PWM 2
PWM 3
IGBT 1
IGBT 5
IGBT 3
IGBT 7
IGBT 2
IGBT 6
IGBT 4
IGBT 8
PWM 3
PWM 4
PWM 4
D +
+
R 0
图3 DC/DC 主电路
通过软件算法计算所有模块的总输出电流和平均电流，通过CAN控制单模块的输出电流，使单模块的输出电流调节到平均电流，以实现模块均流[5]。
CAN通信的高可靠性是保证功率模块之间通信及均流控制的基础保障。模块使用的CAN通信电路方案可支持110个节点，对本电源42个的并联数量有很大的裕量设计。CAN通信线全部使用屏蔽线连接，保证在机柜内硬件的通信质量。
模块采用结合平均电流法和输出阻抗法的数字均流技术，保证均流精度和稳定性，使输出电流的不均衡度＜5%。电源多个模块并联运行均流的软件控制逻辑如图4所示。
图4 多模块并联软件控制逻辑
注：iq10MdlCurr.1Data代表模块电流，iq10MdlAvgCurr.1Data代表平均电流，iq10MdlCurrFilt代表滤波后用于均流的模块电流。
每个模块有独立且唯一的地址号，地址号根据需求进行设置。在线模块中以地址号最低的为主模块，主模块通过CAN总线方式与其余模块进行通信，读取所有模块的输出电流，计算电流值的算术平均值，并将该平均值通过CAN通信广播给每个在线模块，每个模块根据自身输出的实际电流值与该平均电流值的差异进行输出电压微调，从而达到均流效果。
4.2 瞬态过压冲击防护设计
本本文功率直流电源设计由多个整流电源模块构成，各个模块均在母线上有其支撑电容，但由于电源后端所接大功率负载特性复杂，如图5所示的逆变器设备前端电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）电路有较大的电感，大功率电源的直流配电柜输出线路长，逆变器EMI滤波器在逆变器软启电路前端等，可能在逆变器合闸瞬间，模块支撑电容、吸收电容、线路阻抗、差模电感与差模电容会形成振荡，在吸收电容2端产生高压，造成吸收电容过压损坏。
+
L
1
:3 mH  L
2
:0.7 mH  L
3
:30 uH
C
1
:2.2μF  C
2
:0.1 μF  R
1
:11 MΩ
图5 前端负载EMI电路
本文针对该逆变器搭建的EMI电路合闸仿真模型如图6所示。通过仿真后可以得到母线输出上的电
 2023年1月25日第40卷第2期
Telecom Power Technology
Ｊａｎ．　２５，　２０２３，　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．２　
孟士超：并联模块化大功率
直流电源的设计
压电流输出，结果如图7所示。仿真得到吸收电容在
合闸瞬间的电压波形如图7（a ）所示，峰值电压超过1 600 V ；仿真得到在合闸瞬间的线路电流如图7（b ）所示，峰值电流超过200 A 。
针对仿真结果，需要防止因负载带来的过压过流冲击而可能导致的电源损坏。本设计从以下2个方面采取措施：（1）将母线尖峰电压吸收，在直流输出端增加瞬态抑制电路，将尖峰电压幅值钳位在模块
可以承受的安全电压值以下；（2）直流母线上增加高压滤波电容，对尖峰脉冲进行最大程度的吸收和滤除，达到保护电源模块的目的。同时外加放电电阻，在电源系统停机时将电容2端储存的电能迅速泄放。该瞬态过压冲击防护措施的设计如图8所示。
如图8所示，Z 1、Z 2为双向瞬态抑制二极管，在大功率直流电源输出直流母线上设置瞬态抑制二极管后，瞬态抑制二极管的击穿电压U br （min ）为1 120 V ，
模块支撑电容
阻断二极管吸收电容
直流配电
线路阻抗50 μF 32×0.056 μF
100 μF
30 μF
EMI 差模电感
10 μF
EMI 差模电感
+-
+-
+-V
V
A
图6 EMI 电路合闸仿真模型
U /V
Measure Time
xishoudianrong
t /s
0.11 500
1 000
500
0.100 50.101
1.0012500e-001 1.6420792e+
003
（a ）冲击电压仿真波形
t /s
0.099 80.10.100 20.100 60.1010.100 40.100 80.101 2
200
1000-100
I /A
（b ）冲击电流仿真波形图7 EMI 电路合闸仿真结果
（下转第97页）
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Telecom Power Technology
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谢宝威，等：基于可控电源调节系统的
高利用率高压电源设计
方向设计上电源功耗过大、电路发热等现存的质量可
靠性问题。
若广泛采用开关电源并极大推动在其他领域的广泛应用，未来几年里将能产生极大的社会经济效益。采用开关电源取代传统的相控电源，对于城市电网与农村电网的供电工程改造、提高输配电供电质量也有着很重要的意义。参考文献：
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当冲击电压高于U br （min ）时，瞬态抑制二极管就会导通，吸收该冲击电压能量，让2极电压位于预定值保护电源模块安全。经过实际测试，此时在电源输出为 700 V 情况下合闸逆变器前端EMI 电路后，得到的电压电流波形如图9所示，示波器监视输出峰值电压1.14 kV 、峰值电流40 A 。由分析和试验可知，该设计方案可以有效抑制瞬态电压和瞬态电流冲击，达到预期的瞬态过压冲击防护性能指标设计。
5 结 论
文中大功率直流电源采用了模块化设计，可以实现多模块并联使用提高功率等级，且可以在单个或少数模块故障的情况下保证电源总体的稳定输出，能在多种负载变化情况下保证电源的恒定输出。此大功率直流电源因模块化并联方式可以自由地增加或者减少模块数量，使组合达到所需要的目标功率等级，且
可以任意输出恒压或者恒流给后端负载设备使用，这种灵活可靠的方案为大功率直流电源的设计提供了一种新思路。参考文献：
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VOUT+
AK 10-530C
500 k/50 W
5 000 V / 20μF
Z 1
Z
2
VOUT-图8 瞬态过压冲击防护电路
图9 700 V
输出下测试结果
（上接第93页）

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