基于CAN总线的开关电源并联运行的均流

基于CAN总线的开关电源并联运行的均流

马振杰，杜彦霞，张笑林

（中车唐山机车车辆有限公司，唐山，064000，）

摘 要：本文介绍了开关电源并联运行时的一种均流方法，通过控制器之间的CAN通信来传递控制信息，就能实现均流控制。电源的控制部分以DSP 的TMS320LF2407A为核心构成，通过DSP控制器之间的CAN通信和相应的算法实现电源并联时的均流运行。文章最后通过实验验证了该方法的正确性，其效果良好。

关键词：开关电源；均流；数字信号处理器；CAN总线

1．前言

与传统的相控整流电源相比，开关电源具有效率高、体积小、重量轻、功率因数高等优点，目前开关电源已经被广泛应用于各种工业。

本文设计并开发了一种新型的开关电源，每台电源的额定输出为12V/1000A；可以实现多台电源并联运行，输出更大的电流，以满足工业的实际需要，最多可16台电源并联运行，而采用多机并联运行有许多优点：

1）输出功率可以扩展，易于安装维护；

2）可以实现功率冗余，提高系统可靠性；

3）每台电源只处理较小的功率，降低了电力电子器件的电流应力；

4）能够降低损耗。

对电源并联运行的基本要求是[1]：

    1）并联的各台电源电流能自动平衡，实现均流；

2）为提高系统的可靠性，尽可能地不增加外部均流控制措施；

3）当输入电压或负载电流变化时，应保持输出电压的稳定，并使均流的瞬态响应好。

电源并联运行时，应使负载电流在电源间平均分配，称为均流。均流的目的是保证各电源之间电流应力和热应力均匀分配，防止一台或多台电源运行在电流极限值状态，而另外的电源轻载运行，甚至空载运行，由此将导致分担电流多的电源热应力大，寿命下降，降低可靠性[3]。

并联运行的电流不均衡度是并联均流控制的最重要指标之一，其定义为[1]：

       （1）

式中S：表示电流不均衡度

：表示第k个电源所承担的电流；

    ：表示第k个电源的额定输出电流；

     ：表示并联系统的负载电流；

     ：表示并联的电源数量。

目前关于开关电源的并联运行控制，出现了多种均流方法，如外特性下垂法、主从均流法、自动均流法、民主均流法等[4-5]。这些均流方法都是通过硬件电路来实现均流的，各有其特点，有些均流方法还有与之配套的专用IC芯片。但这些方法也各有缺点，如均流效果不理想、系统复杂、抗干扰性差等。

由于CAN（Controller  Area  Network）即控制器区域网在各种设备监测及控制中的大量应用，其为工业控制系统中高可靠性的数据传输提供了一种新的解决方案[2]。本文提出了一种新型的基于CAN总线的均流方法，与前面所提及的均流方法相比，本方法主要通过软件来实现均流，将有效地克服常用均流方法的缺点。

2．算法工作原理介绍

图1所示为开关电源单机的主电路原理图：

图1  主电路原理图

电源的控制器是以TMS320LF2407A芯片为核心构成，芯片中含有一个CAN控制器模块，该模块完全支持CAN2.0B协议，是一个16位的外设模块[2]。通过控制器之间的CAN通信来传递控制信息，就能实现均流控制。

2.1  硬件连接原理

电源并联运行时的硬件连接包括两方面的内容：通信网即CAN的连接，以及电源输出端的连接。

TMS320LF2407DSP控制器的CAN控制器必须通过CAN驱动芯片才能与其他的CAN控制器进行通信。此处采用PHILIPS公司的PCA82C250芯片作为CAN驱动芯片。

图2是CAN通信硬件原理简图，其中图a）中显示了DSP控制器TMS320LF2407A与CAN驱动芯片PCA82C250的连接方式；图b）显示了多台电源是如何通过CAN实现信息上的互连的，这里使用的CAN通信介质是双绞线，图中的电阻R就是图a）中的R2，是阻抗匹配电阻[6]。

在实际控制中，只须在通信网终端的两台电源

a）

b）

图2  CAN通信原理简图  a）单机  b）多机并联

上接上匹配电阻即可，位于中间的电源不用接上这个电阻，将控制板上相应的跳线子跳开即可。可以看出，这种连接方式是很简单的。

电源的输出端通过输出铜排直接并联，即把所有电源的正、负输出端分别相连，然后再与负载相连。由于输出电流很大，因此要求连接可靠，尽量减小接触电阻。

2.2 运行控制模式

开关电源有两种基本的运行模式：稳压工作模式和稳流工作模式。在稳压工作模式下，电源始终维持输出电压的恒定，而不论负载如何改变；在稳流工作模式下，电源始终维持输出电流的恒定，而不论负载如何改变。实际控制中，电源采用双闭环控制，稳流运行时只有电流内环起作用，稳压运行时电压外环也起作用。所以，本质上电源都是工作在稳流模式下。

在采用CAN总线控制进行开关电源并联运行时，为了能够正常工作，首先确定两个基本原则：

1）为了进行区分，每一台电源都有一个唯一的编号，这个编号被写进程序中，既作为电源的编号，又作为CAN通信中的标识符。在接收器的验收判断中和仲裁过程确定访问优先权中都要用该标识符

[2]；

2）在线并联的每台电源都是平等的，没有主从之分。

为了能够可靠地进行通信，还必须有一套通信协议。通常通信协议有三个基本组成部分，即语法、语义和定时关系。这里CAN通信协议的物理层和数据链路层已经集成在DSP控制器TMS320LF 2407 A的CAN控制器模块中，因此，在设置相应的寄存器后，通信的各方只须按照约定的格式传送数据即可。

确定工作模式和电流指令值的程序流程图如图3所示。

图3 确定工作状态和指令值的流程图

图中各参数的含义如下：

：下一个控制周期的电源数量；

：当前控制周期的电源数量；

：下一个控制周期的电流指令值；

：当前控制周期的电流指令值；

：输出电流指令值；

    ：输出电压指令值；

     ：电流调节的步长。

每台电源通过CAN总线发送出去的数据包括它自己的电源编号、输出电流、输出电压、故障状态、指令。相应地，每台电源都可以知道其它各台在线的电源的工作状况，并通过各自的液晶显示器显示出来。

每台电源根据所收到的工作指令和在线工作的电源数量确定自己的工作状态（稳压或稳流工作）和电流指令值，送给控制器进行调节。电源的数量通过统计在一定的时间段中所收到的不相同的电源编号的个数及它们的工作状况来决定。例如，在某一段时间内共收到4个不同的电源编号，且这四台电源都在正常工作，那么就认为现在有四台电源在线工作，总的输出电流应由这四台电源均分，每台电源的电流指令值为总输出电流的四分之一。如果这四台电源中只有两台处于正常工作状态，那么输出电流就由这两台正常工作的电源均分，每台电源的电流指令值为总输出电流的二分之一。其它情况，依此类推。每台电源的输出电流不能超过其额定电流。当计算出来的电流指令值超过额定电流时，以额定电流值作为电流指令值。

可以从任意一台电源上通过键盘输入工作指令，工作指令包括运行模式指令和指令值。工作指令将首先被送给DSP控制器，然后立即通过CAN总线发给在线的其它电源。为了防止不同的电源发出的指令产生冲突，每台电源通过键盘接收到新的指令后只往外发送5次，然后停止；当某一台电源出现故障而不能正常输出时，在控制器还能正常工作的情况下仍然能够进行通信，且可以发出指令。

当一台电源在一定的设定时间之内没有和其他的电源进行通信，程序就认为该电源退出了在线运行。所设定时间的长短要根据并联运行的电源数量和适时性的要求来决定，比如10ms。

3．实验结果

根据以上的工作原理编制DSP控制器的程序，使用两台电源并联，测得下面的实验结果数据：

表1 两台电源并联运行时的输出电流值

    根据式（1）可以算出四种输出电流情况下的均流不平衡度分别为：

    可见，S1、S2、S3、S4全部符合均流不平衡度不超过5%的要求。

图4是两台电源并联时的工作波形，其中图a)是开始只有一台电源工作，输出电压为7.25V、输出电流为800A，并上另外一台电源时输出电流的变化波形；图b)是开始有两台电源并联工作，输出电压为7.25V、输出总电流为800A，停掉其中的一台电源，另外一台电源的输出电流变化波形。

a）

b）

图4 输出7.25V/800A并机运行时的波形图，其中a）由一台转为两台运行时的电流波形，b）由两台转为一台运行时的电流波形

实验结果表明：采用这种均流方法，两台电源并联运行，不论是工作于稳压模式还是稳流模式，当负载发生变化或并联运行的机器数量发生变化时，都能良好地均流，且瞬态响应好。因此，这种均流方法是完全可行、有效的。本文中的波形采用Tektronix公司的TDS3014型数字示波器记录得到。

4. 结论

本文采用CAN总线控制进行开关电源并联运行达到均流的目的，主要通过软件来实现均流，将有效地克服硬件均流效果不理想、系统复杂、抗干扰性差等，最后通过实验验证此方法的正确性。目前为止，笔者尚未发现有关利用CAN总线进行通信时，完成一轮通信究竟需要多长时间以及这个时间又和哪些因素有关这一方面的文献。这个问题有待进一步地研究。

参考文献

[1] 刑岩，蔡宣三，高频功率开关变换技术[M].机械工业出版社，2014.

[2] 刘和平,严利平,张学锋,等.TMS320LF240X DSP结构、原理及应用[M].北京航空航天大学出版社,2015.

[3] 曾敏，徐超鹏，张艳杰.开关电源模块设计及其并联均流研究[J].电力电子技术，2016,5（50）：69-71.

[4] 刘乐善，欧阳星明,刘学清.微型计算机接口技术及应用[M].华中科技大学出版社,2013.

[5] 高玉峰，胡旭杰，陈涛，等.开关电源模块并联均流系统的研究[J].电源技术，2011,18（2）：210-212.

[6] 胡佳明.基于CAN总线的高频DC-DC分布式电源研究与设计[D].电子科技大学，2013.