1.1 模块化逆变电源系统的发展

1.1.1 电源系统供电方式的发展

科学技术的突飞猛进，促进了电源技术的迅速发展。一般来说，电源的任务是安全、可靠、不间断地供给计算机、通信等电子设备所需的电能。因此，对于电子设备而言，电源是其心脏，它必须自成一个完整的功能体系，即所谓的电源系统。随着电力电子技术的发展，电源系统的研究和应用领域也逐步从电子设备供电的常规电源系统延伸和扩展到现代电力系统的各个方面，包括新能源并网发电系统和储能系统等。下面以电子设备供电系统为例，介绍电源系统供电技术的发展。

由于电源系统的应用领域日益扩大，人们对其基本性能也相应地提出了更高的要求，即希望任何一类电源系统可实现：

① 能全面贯彻电磁兼容各项标准；

② 可以大规模稳定生产或快捷单件特殊生产；

③ 能组建大容量供电系统；

④ 电气额定值能更高（如功率因数）或更低（如输出电压）；

⑤ 可使外形小型化，总体结构和外形能适应各种场合的要求。

这些要求是电源装置在更广泛领域应用的关键，而实际上，这些要求都与电源系统的设计方案密不可分。电源系统方案的确定，即供电方式的选取在很大程度上决定了其性能和可靠性水平。随着新的电子元器件、新的变换控制技术和新的控制理论在电源系统中的应用，电源系统的供电方式经历了集中式供电方式、分布式供电方式和全功能电源供电方式三个阶段。

传统的集中式AC/DC电源系统原理框图如图1.1所示。它的固有缺陷：供电系统各个输出电压之间的偏差及由于供电传输距离的不同而造成的压降降低了供电质量；而应用单台电源供电时，一旦发生故障则可能导致系统瘫痪，并导致不可估量的损失。例如，1996年美国电源协会曾公布美国计算机系统中“45%以上的数据丢失的起因是电源故障，这一故障发生率远远高于2%的硬件、软件错误和3%的人为错误；在一个典型的系统中每月大约出现120次电源问题”。随着高频电源技术及新型功率器件的发展，分布式电源供电技术成为国际电力电子学的研究热点，研究内容包括高频化电源变换技术、高功率密度封装技术、电源单元并联技术、功率因数校正技术以及电源模块化和电源系统智能化技术等。

所谓分布式供电是相对于集中式供电而言的，它是利用最新电源理论和技术做成相对较小的电源功率模块来组合成积木式、智能化的大功率电源系统的供电系统设计方式，其系统原理框图如图1.2和图1.3所示。分布式电源供电系统具有以下主要优点：

① 供电质量高。因为各供电单元最接近负载，改善了负载静态和动态响应特性。

② 提高了系统的灵活性，可将模块的开关频率提高到兆赫级，从而提高了系统的功率密度，使电源系统的体积、质量大为下降。

③ 减少了产品种类，便于规范化和标准化。

④ 高效、节能。减小了传输损耗，提高了系统效率，节约了能源。

⑤ 可靠性高。各个模块的功率半导体器件的电应力减小，而且容易组成N+1冗余供电系统，提高了系统可靠性。

⑥ 使用维护方便。积木式、智能化系统现场维护故障单元方便、快捷，且容易扩展系统功能。

由于分布式供电系统具有规范化、模块化设计，便于扩容，工作频率可以做得较高，功率密度可以做得较大等特点，它得到了广泛的应用，如在航空航天、大型计算机供电系统、通信电源系统、银行电源系统、仪器仪表和家用电器等多种应用领域。近几年来，分布式电源系统采用模块化技术并加上冗余不间断供电功能，构成了新型的全功能电源系统供电模式，这种全功能电源系统能克服其他各种供电模式的缺陷，又能实现电力的冗余，是几乎具备所有电源功能优点的电源系统，同时它还具有容错功能和网络监控功能，因而使电源系统的可靠性大为提高。

电力电子技术正逐步渗透到电力系统发、输、配、用、储的各个环节，推动了现代电力系统技术的发展，形成了分布式发电系统、微网和智能电网等新兴领域。并网发电系统和储能系统等电源系统在这些新兴领域占据了重要地位，成为其必不可少的组成部分。在这些新兴领域中应用的电源系统具有容量大、地域分布广等特点，因此通常采用分布式网络将模块化电源并联构成各种适用于不同需求的并网发电和储能系统接入电网，大大提高了系统的可扩展性和可靠性。

1.1.2 逆变电源系统串并联冗余技术及系统基本结构

采用模块化集成技术的逆变电源系统有很多种组合方式，其中很重要的一种就是模块化逆变电源的串并联，即将模块化逆变电源的输入端和输出端分别相互串联或并联。如图1.4所示，根据不同连接方式，多逆变电源模块串并联组合系统可分为四种基本类型：输入并联输出并联（Input-parallel output-parallel, IPOP）、输入并联输出串联（Input-parallel output-series, IPOS）、输入串联输出并联（Input-series output- parallel, ISOP）、输入串联输出串联（Input-series output-series, ISOS）。将四种基本类型的串并联组合系统的输入和输出再加以组合，可得到多个逆变电源模块的混合串并联组合系统。

每类模块化逆变电源串并联组合系统都有其特定的应用场合，IPOP系统适用于输出电流较大的场合；IPOS系统适用于输入电压较低而输出电压较高的场合；ISOP系统适用于输入电压较高而输出电流较大的场合；ISOS系统适用于输入电压和输出电压均较高的场合。

逆变电源模块串并联组合系统具有以下优点：

① 由于采用了标准化模块，有利于缩短系统的研发周期，降低开发成本。

② 当系统由n个模块组成时，每个模块的输出功率为系统输出功率的1/n，从而可以降低开发难度。

③ 由于采用多个变换器模块的串并联组合，容易实现系统的冗余，提高其可靠性。

④ 若采用交错控制技术，可减小输入/输出电压/电流纹波，在相同的电压/电流纹波要求下，可减小滤波器，由此可以提高变换器的功率密度。

逆变电源并联系统的结构形式多种多样，从不同的角度有不同的划分方法，按照有无与公用电网进行能量交换，可分为独立并联系统和交互式的并联系统；按照是否有公用直流电源，可分为独立直流电源的并联系统和共用直流电源的并联系统；按照逆变器的输出特性划分，可分为电压源逆变器并联、电流源逆变器并联和两者的混合并联系统。不同并联方式组成的并联系统具有不同的系统性能和特点。

1．独立并联系统和交互式的并联系统

独立并联系统中的逆变器不与公共电网进行能量交换，自成体系，其拓扑结构图如图1.5所示。这种拓扑结构一般应用于当前的UPS并联系统中，以提高供电系统的可靠性。独立并联系统中的逆变器可能是电压控制型或电流控制型的，也可能是电流控制型和电压控制型的混合并联。

电压控制型逆变器并联时，处于并联状态的每一台逆变器相当于一个电压源，具有相同的地位。这种并联系统拓扑结构的优点是便于实现模块化并联。由于并联系统中的每台逆变器都相当于一个电压源，多台逆变器并联之后其输出滤波器的谐振频率会发生改变，使得并联系统的波形控制难度加大，并联系统中的逆变器间的谐波环流较大。在电压控制型逆变器和电流控制型逆变器的混合并联系统中，电压控制型逆变器提供输出需要的电压，所有的电流控制型逆变器跟踪电压控制型逆变器的输出电压波形，且输出负载需要的交流电流。在这种并联控制方案中，只有一台逆变器相当于电压源，而其他都相当于电流源，此时逆变器并联在一起并不会改变整个并联系统的谐振频率，从而也不会影响输出电压的波形质量，谐波环流较小。这种方案中并联的各台逆变器不是均等的。

交互式并联系统与独立并联系统的区别是交互式并联系统中的逆变器与公共电网进行能量交换。目前的电力系统供电中普遍采用这种电网交互式结构，这种拓扑结构在新能源发电系统等领域有广泛的应用前景。在这种系统中，若分布式供电系统所提供的能量不足以满足本地用户的需求时，就从电网吸收一部分额外的能量；相反，若分布式供电系统所提供的能量超出了本地用户的需求时，可以将多余的能量回馈至电网，这种系统可实现能量的共享，实现能源的充分利用。交互式并联系统的拓扑结构图如图1.6所示。

交互式并联系统中的逆变器可能是电压控制型、电流控制型或电流控制型和电压控制型的混合并联。

电压控制型逆变器并联时，处于并联状态的每一台逆变器相当于一个电压源，具有相同的地位，并联系统中的每一台逆变器均要跟踪公共电网上的电压幅值、相位和频率，每一台并网的逆变器将根据自己的工作状态及时调整，决定是从公共电网吸收功率还是向公共电网发送功率。由于处于并联运行状态的逆变器的容量不一定是一样的，使得并联系统的控制难度很大，其中控制的关键就是并联系统中逆变器之间的功率均匀分配和控制。

在电压控制型逆变器和电流控制型逆变器的混合并联系统中，电压控制型逆变器的控制要求如前所述，所有的电流控制型逆变器跟踪公共电网电压的波形，输出负载需要的交流电流，电流控制型逆变器的控制问题相对比较简单。

当交互式并联系统中的逆变器均为电流控制型时，处于并联状态的每一台逆变器相当于一个电流源，并联系统中的每一台逆变器需要跟踪公共电网上的电压相位和频率，每一台并网的电流控制型逆变器将根据自己的工作状态及时调整能量流方向，决定是从公共电网吸收功率还是向公共电网发送功率，当采用电流控制型逆变器进行并网运行时，相对而言对逆变器的控制要容易一些。

2．独立直流电源的并联系统和共用直流电源的并联系统

具有独立直流母线的逆变器并联系统结构如图1.7所示。具有独立直流电源供电的逆变器结构对单机系统而言是一台独立的供电系统，将这种结构模式的逆变器进行并联要考虑由此带来的一些问题。

由于每一台逆变器的直流电源是独立的，很难保证处于并联状态的每台逆变器的直流电压的一致性，而在并联逆变器的控制中，总是期望处于并联状态的逆变器的输出交流电压的相位、幅值和频率是严格一致的。如果每台逆变器的直流母线电压不一致，为了得到相同的输出电压，每一台逆变器就要产生不同的SPWM波形，图1.8（a）所示是两台单相逆变器的并联模型和它们在某时刻的等效电路，图1.8（b）所示是两台单相逆变器的瞬态环流波形。设两台逆变器的输出相位完全一致，忽略死区效应和功率开关器件的开关特性不一致的影响，只考虑两侧直流母线电压不同的情况，且认为U1＞U2，逆变器的输出阻抗很小。如果开关器件的开关频率为fΔ，由图1.8（b）可见，存在由于直流母线电压不同而产生的频率为fΔ的高次谐波电流。该高次谐波电流只在逆变器之间流动，这种电流可称为谐波环流。考虑到逆变器输出电压相位的差异、功率器件的开关特性的不同及死区效应等的影响，实际的谐波环流是比较复杂的。从暂态角度来看，这种电流是由于直流母线电压的差异导致两台逆变器的开关状态不同而产生的。因此，逆变器并联之后会在并联的各台逆变器之间流过高次谐波环流，这种高次谐波环流一方面使得输出电压波形发生畸变，另一方面又会产生额外的损耗。

在这种具有独立直流电源的逆变器并联系统当中，如果各直流电源的动态响应特性不一致，则在直流母线电压的动态调节过程中，处于并联状态的各逆变器之间也存在谐波环流。

在独立直流电源供电的逆变器并联系统中，若由于控制不当，在各台并联逆变器之间产生了较大的有功环流，且该有功环流是单方向的，则有可能使某一台逆变器输出负的有功电流，即该台逆变器成为其他逆变器的负载（这种状况最容易出现在逆变器空载并联时），从而导致其直流侧电压上升，很容易损坏直流侧电容和开关器件。

具有公共直流母线的逆变器并联系统结构如图1.9所示。在这种并联系统中，由于处于并联状态逆变器的直流母线电压始终保持一致，因此不存在上述分析的问题，但仍有以下两个问题应引起足够重视。

① 应将滤波电抗器一分为二，如图1.10所示，将逆变器1的滤波电抗器分解为L11和L12，将逆变器2的滤波电抗器分解为L21和L22，且采取对称接法，这样能够避免由于各台逆变器开关管的开关模式不一致而导致的直流电源短路。如果L12=0,L22=0，那么当开关管VT3和VT8同时导通时，直流电源被短路，显然这是不允许的。

② 在这种共直流电源的逆变器并联系统中，如果并联各台逆变器的开关频率、死区时间等参数不一致，将会在并联的各台逆变器之间引入一种新的环流。图1.11给出了两台共用直流母线的逆变器并联系统主电路图。在此并联系统中，由于iZ=i11+i12=-(i21+i22)不一定为零，同时iZ在两台并联逆变器之间流动，因此称iZ为零序环流，iZ通过公共并联母线在两个逆变桥之间流动。零序环流的存在，不仅会增加功率开关器件的电流应力和系统的损耗，同时还会影响输出电压的波形质量。因此，对于不同参数的逆变器并联，应采取有效的措施对零序环流加以抑制。

1.1.3 模块化逆变电源电路拓扑

逆变电源的电路拓扑多种多样，根据主电路中是否包含隔离变压器，可分为隔离型并网逆变拓扑和非隔离型并网逆变拓扑；根据主电路中包含的隔离变压器的类型，又可分为工频隔离型并网逆变拓扑和高频隔离型并网逆变拓扑；根据逆变器输出制式的不同，又可分为单相逆变拓扑和三相逆变拓扑。

单相半桥和单相全桥逆变拓扑是典型的非隔离型逆变拓扑。单相半桥逆变拓扑如图1.12所示，其输出端电压只有正、负两种电平，所用功率开关器件少，电路结构较为简单，但其直流电压利用率低，且直流侧需要两个电容串联，存在直流侧电容均压的问题。单相全桥逆变拓扑如图1.13所示，在相同的直流输入电压下，全桥逆变拓扑的最大输出电压是半桥逆变拓扑的两倍，即输出功率相同时全桥逆变拓扑的输出电流和通过开关器件的电流均为半桥逆变拓扑的一半。另外，单相全桥逆变拓扑可以实现三电平输出，减少对滤波器的要求。在单相半桥和单相全桥逆变拓扑中，由于缺少变压器隔离，会带来漏电流问题，增加系统损耗，降低系统电磁兼容性能，甚至带来人身安全隐患。

在单相半桥和单相全桥逆变拓扑的输出端加上工频隔离变压器可构成工频隔离型逆变拓扑，可以消除漏电流，但将增加系统体积、质量和成本。为了解决非隔离型逆变拓扑的漏电流问题，学者们提出了一些新型拓扑，如HERIC逆变拓扑和H5逆变拓扑等，其基本思想是在续流阶段通过适当的开关模态实现直流源与电网解耦，从而保持共模激励源的电压恒定，减小漏电流。这些逆变拓扑已用于商用化逆变器产品，主要应用在并网光伏逆变器等对漏电流限制较严格的场合。图1.14（a）所示为HERIC逆变拓扑。该拓扑在单相全桥逆变拓扑的交流侧增加两个由开关管串联二极管组成的双向续流回路，这样不仅能够抑制漏电流，而且使得开关管电压降为直流源电压的一半。图1.14（b）所示为H5逆变拓扑。该拓扑是在单相全桥式拓扑结构的直流侧增加一个开关管，续流时可实现直流源和电网解耦，减小漏电流。

在三相逆变拓扑中，应用最广的是三相桥式逆变拓扑，如图1.15（a）所示。三相桥式逆变拓扑由三个相臂构成，具有拓扑简洁、所用功率器件少等优点。图1.15（b）所示为一种改进型三相桥式逆变拓扑。该拓扑在直流侧增加了由开关管VT7、钳位电容Cc和谐振电感Lr组成辅助支路，为主开关创造了零电压开通条件，同时Lr可用来抑制主开关反并联二极管的反向恢复电流，可提高系统效率。

在三相四线制的负载条件下，三相桥式逆变拓扑在三相负载不对称时，中性点电位将发生漂移，输出的三相电压不再对称，使得负载不能正常工作。图1.16所示的三相四桥臂逆变拓扑，在三相桥式逆变拓扑的基础上增加了一个桥臂调控中性点电压，使得三相四桥臂逆变拓扑的三相输出电压独立可控，保证系统在不平衡负载条件下可维持三相电压的对称输出。

在高压大功率的场合，通常采用多电平逆变拓扑改善系统的输出特性，同时可减小开关管损耗，提高系统效率。多电平逆变拓扑利用多个电平台阶合成阶梯波，以逼近正弦输出电压，电平数越多，输出谐波越少，能以较低的开关频率获得和高开关频率条件下两电平逆变器相同的输出特性，从而减可小开关损耗，提高了系统效率。常用的多电平逆变拓扑包括二极管中点钳位型三电平逆变拓扑、二极管中点钳位型五电平逆变拓扑、T形三电平逆变拓扑和级联多电平逆变拓扑等。

图1.17和图1.18分别为二极管中点钳位型三电平和五电平逆变拓扑中的一相。二极管中点钳位型三电平输出包含三种电平，每个开关管两端的电压为直流母线电压的一半，提高了输出电能质量，减小了开关管的电压应力，提高了系统效率。二极管中点钳位型五电平三相逆变拓扑由二极管中点钳位型三电平逆变拓扑推演而来，其工作原理和特点与二极管中点钳位型三电平逆变拓扑相似，不同的是其输出包含五种电平，所需开关管数量较多，每个开关管两端电压为直流母线电压的1/4，常用在高压大容量场合。

图1.19所示为T形三电平三相逆变拓扑中的一相。该拓扑在半桥逆变拓扑的电容中点和相臂增加了一个由两个开关反向串联构成的双向开关，可在输出端形成零电平，从而获得三电平输出特性。该拓扑结构简单，效率高，已在商用化的并网光伏逆变器和储能变换器中得到应用。

级联多电平逆变拓扑可适应更高电压和更大容量的应用需求，其一相的电路拓扑如图1.20所示。它将具有独立直流源的全桥逆变模块级联而成，其输出多电平波形由全桥逆变模块的输出叠加而成，可在较低的开关频率下获得较好输出波形，且可以根据直流母线电压的大小灵活的选择级联的全桥逆变模块的数量，因此可以方便的使用特性较好的小容量开关管实现高压大容量逆变器。

在非隔离型逆变拓扑的输出侧加上工频隔离变压器即可构成工频隔离型逆变拓扑。工频隔离型逆变拓扑由于采用了变压器使输入与输出隔离，一方面提高了系统的安全性，另一方面保证了系统不会向电网注入直流分量，有效防止了配电变压器的饱和。然而，工频变压器具有体积大、质量重、噪声高、效率低等缺点，因此在中小容量应用场合通常采用高频隔离型逆变拓扑。高频隔离型逆变拓扑体积小、质量轻、功率密度高，但其拓扑通常较复杂，系统效率相对较低。高频隔离型逆变拓扑根据直流源输入方式的不同可以分为电流馈入型和电压馈入型两类拓扑。

电流馈入型变换拓扑以电感为主要输入滤波元件，大大减少了对电解电容的要求，且能利用滤波电感的储能提高变换器的输入输出电压增益，可减小变压器电压比，从而减小漏感，同时变压器无磁通不平衡问题，控制与保护容易实现。电流馈入的高频隔离型逆变器拓扑包括电流馈入型半桥逆变拓扑、电流馈入型全桥逆变拓扑等。

图1.21所示为电流馈入型半桥逆变拓扑。该拓扑在任何时刻，两个开关管必须保证有一个开关管是导通的，即开关管的导通占空比不能小于0.5，导致两个输入电感总是有一个处于充电状态，输入电流总是大于零。电流馈入型半桥逆变拓扑具有较低的输入电流纹波和开关应力，但它与其他电流馈入型拓扑一样存在启动、负载范围受限制和变压器漏感引起的开关管关断过电压问题。图1.22是一种基于有源钳位改进的电流馈入型半桥逆变拓扑的前级DC/DC变换拓扑，它比常规电流馈入型半桥逆变拓扑仅增加了2个辅助钳位开关管和1个钳位电容，具有输入纹波电流小，主开关和辅助开关均运行在软开关条件（ZVS）下，变换效率高，且可采用磁集成技术将拓扑中的3个磁性元件集成为一体，拓扑简洁，功率密度高。

图1.23为电流馈入型全桥逆变拓扑。该结构电路稳定工作时候，两组对角的开关管在前后半个开关管周期内交替关断（等效为两个Boost轮流工作），将电能传送到变压器副边，然后通过PWM调制控制输出电压，通常用于容量相对较大的场合。

电压馈入型逆变拓扑通过采用高的变压器电压比获得高增益，变压器漏感大，且以电容为输入滤波元件，为了有效抑制输入电压纹波，需要采用大量的电解电容进行输入滤波，将大大影响变换器在恶劣运行环境下的寿命，增加了成本，且存在磁通不平衡问题。电压馈入型逆变拓扑包括电压馈入型全桥逆变拓扑、电压馈入型反激逆变拓扑和电压馈入型推挽逆变拓扑等。图1.24为电压馈入型全桥逆变拓扑，具有开关管电压、电流应力较小，高频变压器利用率高等优点，而且可利用变压器漏感或者原边串联电感和开关管的寄生电容实现软开关，减小变换器中的开关管损耗，提高效率。

图1.24（a）所示电路具有中间直流母线环节，后级采用单相全桥逆变拓扑将直流电能转化为交流电能，而图1.24（b）所示电路没有中间直流母线环节，前级DC/DC变换器将输入的直流电能变换为与电网同步的半波交流电流，再经过后级4个工作于工频的开关管（通常称为换流桥）将半波交流电流转换为正弦交流电流。该拓扑通常用于并网逆变器，具有开关损耗小、效率高的特点。

电压馈入型反激逆变拓扑如图1.25所示，与图1.24类似，包括具有中间直流母线环节（图1.25（a））和无中间直流母线环节（图1.25（b））两种拓扑。该拓扑具有开关管数量少、驱动简单的优点，但反激变换环节效率较低，通常应用于小容量场合。

电压馈入型推挽逆变拓扑如图1.26所示。电路中的两个开关管轮流交替工作，在整个工作周期之内都向负载提供功率输出，因此，其输出电流瞬间响应速度快，电压输出特性好，且其驱动不需要隔离。

在电压馈入型逆变拓扑中，还有一类无中间直流母线环节的逆变拓扑，它的基本构造思想是将前级高频变压器输出的高频交流电能直接通过AC/AC变换拓扑变换为工频交流电能，其后级的AC/AC变换拓扑通常由双向开关实现。这类拓扑可以省掉直流母线电容，改善变换器寿命。

图1.27所示为电压馈入型反激式高频链逆变拓扑，其前级为反激变换拓扑，后级通过2个开关管与二极管串联构成的双向开关将高频交流电能转换为工频交流电能并入电网。该拓扑所用开关器件少，成本低，通常用于小容量场合。

图1.28所示为一种电压馈入型全桥高频链逆变拓扑，其后级采用4个双向开关实现的AC/AC变换拓扑将高频交流电能变换为工频交流电能。由于每个双向开关采用2个开关管反向串联构成，该拓扑中的能量可以双向传输，可应用于电池充放电系统。

图1.29所示为一种电压馈入型全桥高频链三相逆变拓扑。该拓扑后级通过3个双向开关将高频变压器二次侧的高频交流电能转换为三相工频交流电能，其中的双向开关由1个整流桥和1个开关管构成，整个拓扑所用有源开关器件少，成本低。

1.1.4 模块化电源系统的设计策略

在分布式电源系统中，到用户（负载）的配电是由分散的变流器完成，这需要大量的变流器以满足不同的负载功率要求。因为每个变流器都是根据用户装置的使用要求而定制的，每个用户由一个独立的变流器供电，这会使得配电结构的价格昂贵。如常规的UPS在技术上不断发展，从后备式、在线互动式、在线式到智能式，性能不断提高，但在功率分配上一般采用一机一个最大功率。而模块化UPS则完全打破了UPS在功率上的局限，像搭积木一样，可根据用户的需求任意组合UPS的功率，而当某一模块发生故障，可以热更换此模块，其他模块则平均分摊故障模块的负载，丝毫不影响系统的工作，从而提高了系统的安全性，方便了维护，节约了投资，可给用户带来多方面的效益。

电源系统模块化的设计方法，可大大提高系统的灵活性，并使电源系统的体积、质量大为减小，各个模块处于并联均流运行时，其功率开关器件的电应力也可减小，且系统可方便地采用冗余设计，从而提高了系统的可靠性。由于系统可由标准化的模块组合而成，电源产品的种类也可减少，因而便于规范化。这样一方面可降低不同容量电源的设计成本和重复投资，另一方面还可减少生产和维护费用。所以，模块化电源为实现大功率、高可靠度的电源系统提供了可能。

由于大功率负载的需求及模块化电源系统的发展，为了实现完全稳定可靠的全冗余电源系统，模块化电源的并联技术显得尤为重要。一个高可靠性电源系统的设计中，主要考虑的问题就是能稳妥、快速地消除任意一个单点故障的影响，否则就可能导致故障后果的扩散和连锁反应而使整个系统瘫痪。由于并联运行中的每个模块的外特性不一致，外特性好（电压调整率低）的模块可能承担更多的电流，甚至过载，而某些外特性较差的模块运行于轻载或空载，其结果必然是分担电流多的模块的可靠性大为降低，因而，在多模块并联运行系统中必须引入有效的负载分配机构或负载分配控制策略。这种并联均流技术是实现模块化大功率电源系统的关键，它可保证各模块间电应力和热应力的均匀、合理分配，防止一个或多个模块工作于电流极限状态。所以，对于电源模块的并联运行，应满足以下三个基本要求：

① 电源系统中各模块承受的电流能自动平衡，实现均流。

② 为提高系统的可靠性，应尽可能不增加外部均流措施，并使均流与冗余技术相结合。

③ 当输入电压或负载电流发生变化时，应保持各个模块输出电压的稳定性，并有很好的均流瞬态响应特性。

电源模块间实现均流的方法很多，而且根据电源系统的性能要求及电源模块类型（如DC模块、DC/AC模块、UPS模块等）的不同，均流措施也多种多样，各不相同。一般来讲，常规的均流方法有以下几种：①输出阻抗法或外特性下垂自动均流法；②平均电流自动均流法；③最大电流自动均流法；④热应力自动均流法；⑤主从均流法；⑥外加均流控制器法；⑦均流母线法，等等。这些均流方法已广泛应用于直流模块并联系统、交流UPS系统和新能源发电用并网型逆变电源中。

随着电源设备系统化和网络化的实施，对电源模块并联冗余的要求越来越高，常规的电源系统并机模块的数量也越来越多。这样，在多机并联时必须严格保证并机后的效果，即在一段相当长的时间内仍能很好地维持其负载的均分性能。因此，近几年来出现了专门作为并联的全冗余电源系统，这种全冗余设计是指不但在控制电路上采用冗余设计。而且在功率变换部分也采用冗余设计。例如，在UPS系统中，整流器、逆变器、静态开关等均采用冗余设计。这种全冗余的系统设计使整个系统的可靠性大幅度提高，但这是以增加系统质量、体积和价格为代价的。

另外，全冗余并联系统设计必须是在系统工作正常时能实现带电切换维修和接入工作着的系统，即要采用热插拔技术（Hot-swappable），否则系统的可靠性就成为空谈。而热插拔技术要保证待切换的模块和正在运行的其他模块的主电路和控制电路的特性不会恶化，而且不会伤及维修工作人员，因而，一般热插拔技术要注意以下几个问题：

① 应注意安全，操作时应该避免接触输入和输出电压。

② 为防止在热插拔时产生电弧，需要设置输入电流限制电路。对于较高电压或较低电流的应用场合，可采用一个负温度系数的热敏电阻或采用检测输入端电容被充电时通过一个MOSFET管或继电器断开一个电阻的方法限制电流。

③ 利用更精密的电流限制电路。例如，在一个额定持续电流下工作的MOSFET管、电阻、电容和齐纳二极管，并将MOSFET管放置在负极输入端和模块之间，电容和齐纳二极管应放在MOSFET管的栅极和源极之间，电容通过电阻由正极输入端充电，此时MOSFET管将限制输入电流，直到由于栅极电量发生变化使其增强为止。齐纳二极管用于限制栅极的电压。

④ 为减小热插拔时产生的扰动，应采用交错排列接脚的连接器，先连接热插拔卡模块的输入端，再连接输出端。交错排列接脚可简化起动冲击电流限制电路的设计。为防止连接器发生故障，其接脚必须能承受峰值电流。

⑤ 输出热插拔电路应能防止热插拔时输入、输出母线对模块的输入、输出滤波电容充电，或采用合适的电流限制技术。

总之，多机（模块）并联是提高电源系统运行的可靠性和扩大供电容量的重要技术手段。新型功率器件，如IGBT等的兴起，使得开关电源的性能大大提高，但受功率器件容量的限制，一般只适合于中、小容量场合。目前，电源系统的发展趋势是采用新型功率器件实现高性能电源模块化，再通过并联进行扩容，从而充分利用新型开关器件的高频优势，如减小系统体积、降低噪声、提高动态响应速度等。在并联技术的基础上运用模块化设计，可提高电源系统的通用性和灵活性，使系统设计、安装和组合更为方便、经济，可靠性更高。