图1 双冗余宽输出电压范围电路拓扑及其IPOS系统
Fig.1 Dual-redundancy wide output voltage range circuit topology and IPOS system
摘要 为了使输入并联输出串联电源系统同时具备模块级和系统级冗余能力，提出低冗余高可靠超宽电压范围电路结构及其控制方法。基于两级式电路和多模块串并联实现电源系统超宽电压输出，通过模块级部分子电路冗余设计，实现模块级和系统级N+X双重冗余，使得功率模块部分失效或多个模块全部失效时系统仍具有全电压、全功率输出能力。进一步提出模块化电源系统的分布-集中混合式控制策略，分布式自主控制保证了模块间应力均衡、并使得输出电压在目标值范围内，集中控制确保总输出电压精度。该文详细分析所提电路结构及其控制策略的原理、特性和实现方案，并通过0～1 000 V/50 kW输出电源系统实验，验证了所提方案的有效性。
关键词：低冗余 高可靠 输入并联输出串联 下垂控制
电源系统是国防装备的重要组成部分。战场环境恶劣、工况复杂，提高电源系统的装备适应性和环境适应性，实现电源系统在各装备间的互通、互换、互用，不仅要求装备电源具有极宽的输出电压范围以满足不同装备供电需求，而且要求其在局部受损的情况下仍具备全电压、全功率范围输出能力，以满足真实工况高可靠性要求[1]。
通过元件、电路和系统等不同层面的优化设计，能够在一定程度上提高电源系统的可靠性，但依然无法保证电源系统在局部损伤情况下不损失输出能力。例如，在电路中加入外部放电支路或者内部开关旁路的方法可以避免串并联系统串联端口的模块开路导致系统无法正常运行的问题，但是电路的损耗大幅增加[2]。冗余设计是提高装备电源系统可靠性的有效方法[3-4]。通过增加备份模块，在主功率模块受损的情况下，可以利用备份模块保障电源系统功能不受损失。然而，传统主份+备份冗余方法需要增加跟主功率模块完全相同的备份模块，成倍地增加电源系统的体积、质量，增加了电源系统整体的成本[5-6]。对于模块化电源系统，基于N+X冗余设计，通过调整备份模块的数量，能够有效减小整个系统冗余所付出的体积、质量和成本[7-8]。但若要同时在模块级和系统级实现冗余和备份设计，则仍不能避免系统体积、质量和成本的大幅增加。通过电路结构的在线重构，在部分元件失效时利用未失效器件构建新的电路结构，从而实现故障运行，可以在降低电源系统冗余度的同时提高其可靠性[2, 9-10]。例如，可以在全桥电路部分开关器件失效时，将其运行于半桥电路模式[2, 11]。但这种方式需要按照极端故障运行模式选择电路元件，过大的电压、电流和功率定额，影响电路在正常模式下的性能。也有学者提出通过增加部分冗余器件，电路在故障情况下切换至备份器件所构造的电路[12-13]，这能够有效地降低冗余电路所额外增加的体积和质量，但如何设计与电源系统特性相匹配的冗余结构，以及如何降低冗余电路所带来的影响，依然是实际应用中所面临的难题。
模块化串并联系统是扩展电源系统电压、电流和功率输出能力的有效手段[14]。如何实现各串并联模块的电压、电流和功率应力均衡，是模块化串并联系统所特有的问题。采用集中式电压电流控制器，可以较容易地实现各串并联模块的电压电流均 衡[15]。然而，集中式控制改变了模块化电源系统的分布式特性，若集中控制器失效，则整个电源系统失效，降低了电源系统可靠性。针对多模块输出并联系统，基于下垂控制的分布式控制方法在各类研究中得到了广泛应用[16-17]。为了弥补下垂控制所带来的输出电压精度下降问题，可以利用集中控制器和低带宽通信进行二次补偿[18-19]。此时虽然也采用了集中控制器，但集中控制器的失效不会引起整个系统的崩溃。
针对以上问题，本文基于模块化输入并联-输出串联（Input-Parallel Output-Series, IPOS）结构，提出低冗余、高可靠的超宽输出电压范围IPOS电源电路结构，并设计了分布-集中混合式的控制方法，使得电源系统中任意功率模块或局部受损时仍具有全电压、全功率输出能力，实现了电源系统的高可靠性。
双冗余宽输出电压范围电路拓扑及其IPOS系统如图1所示。LLC级联Buck变换器能够实现输出电压从0到设计值之间连续宽范围调节，因此在宽电压范围场合得到了广泛应用[20]。为了使该变换器局部受损情况下不损失输出能力，可以采用功率电路并联冗余的方案，如图1a所示。图1a中，备份电路与主电路完全相同，主电路故障时由备份电路取代。
图1 双冗余宽输出电压范围电路拓扑及其IPOS系统
Fig.1 Dual-redundancy wide output voltage range circuit topology and IPOS system
为了实现电源系统输出电压和功率按需扩展，同时使得电源系统具备冗余供电能力，以图1a电路为标准模块，并采用图1b所示的N+X冗余IPOS结构，其中，N为电源系统正常工作所需模块数量，X为备份的冗余模块数量。
图1所示电路和系统方案不仅能够实现超宽电压范围输出、输出电压和功率按需扩展，而且功率模块和电源系统具备双重冗余备份能力，任意电路、任意功率模块局部故障，均不会影响电源系统输出能力。然而，为了实现模块级和系统级双重冗余，需要增配大量的备份电路和功率模块，整个电源系统的设计功率容量远远大于额定输出功率容量，大大增加了电源系统体积和质量。以N=8、X=3为例，电源系统的设计功率容量将是其额定输出功率容量的2.75倍。
针对上述问题，本文提出的低冗余宽输出LLC级联Buck电路及其IPOS电源系统如图2所示。
图2 提出的低冗余电路拓扑及其IPOS系统
Fig.2 The proposed low-redundancy circuit topology and IPOS power system
为了解决主电路整体备份导致的模块功率容量和体积加倍的问题，本文提出了基于电路子单元冗余备份的设计方法。如图2a所示，在电路一次侧将全桥LLC分解为输入并联的双半桥结构，然后以半桥电路为基本单元，只需要额外增加一个由S5、S6构成的半桥谐振电路单元，即可实现一次侧全桥开关网络的冗余备份，单个半桥开关网络失效，变换器输出能力不受影响，即仅通过半桥电路实现了对全桥电路的备份，减少了冗余单元。变换器二次侧三路输出等效串联后级联三输入Buck开关单元。正常情况下，与备份半桥单元级联的由Sb3和VDb3构成的Buck开关单元不工作，其余两个Buck开关单元正常工作。串联冗余备份电路结构使得二次侧电路中任意开关器件损坏时变换器输出能力不受影响，变换器具备模块级冗余供电能力。
图3给出了模块电路一次侧上管短路故障与二次侧二极管开路故障的重构过程。如图3a所示，S3发生短路故障，将S4与Sb2关断，S5、S6与Sb3开始切入系统工作；图3b中，当VDb2发生开路故障时，将S3、S4关断，二次侧整流桥代替原来的VDb2保证电路正常运行。
图3 模块电路重构拓扑
Fig.3 Module circuit reconstruction topology
在图2a中的冗余电路单元采取了等效串联输出结构，当多功率模块构成IPOS系统时，任意功率模块失效，可以由其他模块的冗余电路单元提供电源系统缺失的输出电压和输出功率能力，即各功率模块中的冗余电路单元同时也可以提供系统级的冗余能力，系统级无需设置多余的冗余功率模块，而当其中任意功率模块失效时，电源系统仍具备全电压范围、全功率范围输出能力。相比图1a，图2a串联结构提供了低冗余、高可靠性能力，同时开关器件应力更低，但冗余串联模块会额外增加续流二极管导通损耗，实际应用时可以采用同步整流技术降低其影响。
综上所述，以图2a所示电路为基本功率模块构建IPOS超宽电压范围电源系统，为了实现模块级和系统级双重冗余，功率模块和电源系统的设计功率容量仅为实际额定输出功率容量的1.5倍，即仅通过增加50%的功率电路，就实现了功率模块和电源系统双重冗余供电能力。相比于图1所示方案，所需增配的冗余电路减少了70%以上，即以低冗余代价实现了整个电源系统的高可靠性。
图2a所示电路中，正常情况下备份模块无需工作，三输入Buck电路中开关管Sb3保持关断状态，电感电流经二极管VDb3续流，电流无需流经对应LLC二次侧整流桥。其余两个开关管Sb1和Sb2可以采用交错180°开关调制模式，调制策略如图4所示，图4中，vc1、vc2和vc3分别为对应开关管Sb1、Sb2和Sb3的载波，vm为与载波交截的控制信号，vgsb1、vgsb2和vgsb3分别为开关管Sb1、Sb2和Sb3的驱动信号。
图4 调制策略
Fig.4 Modulation strategies
然而，如果采用交错开关调制模式，备份单元中开关管Sb3工作时的相位则需要根据电路的故障模式进行设置。例如，当Sb1或Sb2故障时，vc3需要设置成与载波vc1或vc2相同；若其他功率模块故障，需要启动该模块中的Sb3时，需要同时调整vc1、vc2和vc3的相位相互交错120°。这需要复杂的故障检测电路配合，还需要动态调整各载波的相位，导致控制实现复杂。
针对上述问题，本文采用图4b所示载波层叠调制策略。当输出电压较低时，只需要开关管Sb1高频开关，Sb2和备份单元中的开关管Sb3都保持关断。当Sb1故障或者输出电压升高使得Sb1占空比达到1时，Sb2开始高频开启。而当Sb2故障或者输出电压升高使得Sb2占空比达到1时，Sb3开始高频开启。
IPOS电源系统中各功率模块的分布式无主从控制，是实现电源系统按需扩展、高可靠和故障冗余的关键所在。
直接采样输出总电压控制框图如图5所示，图5中，G(s)为控制器传递函数，kp为PWM环节增益，F(s)为功率电路传递函数，kouti为模块i总输出电压采样系数，Voutref为总输出电压参考值，若各模块均对总输出电压进行控制，由于器件参数的离散性，很难保证各模块工作状态的一致性。考虑将各模块控制环节参数的不一致归一化为采样系数kouti的偏差，则等效kouti值越大的模块优先输出，并首先达到模块最大输出电压，其余各模块也依据等效kouti由大至小的顺序逐次输出，直至有一个模块使总输出电压达到参考值。
图5 直接采样输出总电压控制框图
Fig.5 Control block diagram of direct sampling output total voltage
以三个模块IPOS系统为例，假设各模块等效采样系数满足kout1＞kout2＞kout3，采用图5控制方案时，各模块输出电压随总输出电压变化曲线如图6所示。图6中，Vom为模块的最大输出电压。当总输出电压Vout=1.5Vom时，模块1处于最大输出，模块1电压Vo1=Vom，模块2电压Vo2=0.5Vom，模块3输出电压Vo3=0。
图6 模块输出电压随总电压变化曲线
Fig.6 Relation curves of module output voltage and total output voltage
可以发现，各模块同时调节总输出电压会导致模块间电压的严重不均衡。为此，将各模块自身输出电压Voi作为下垂调节的参数，对各模块总输出电压基准进行微调，基于下垂特性的自主均压控制策略如图7所示，则稳态时模块和系统总输出电压关系满足
（1）
式中，kd为下垂系数。
图7 基于下垂特性的自主均压控制策略
Fig.7 An autonomous voltage equalization control strategy based on droop characteristics
由式（1）可得
（2）
显然，各模块输出电压的偏差正比于等效采样系数偏差但反比于下垂系数kd。任意两模块之间的输出电压偏差为
（3）
式中，Dkout为两模块间采样系数的偏差。仍以3个模块IPOS系统为例，由式（2）得到模块输出电压与总输出电压关系曲线如图8所示。显然，无论总输出电压为何值，各模块均同时工作，下垂控制的引入使得各模块输出电压趋于均衡。
图8 模块输出电压随总电压变化曲线
Fig.8 Relation curves of module output voltage and total output voltage
然而，需要注意的是，引入下垂控制将不可避免地导致输出电压跌落，实际总输出电压与参考电压之间满足
（4）
显然，下垂系数越大，各模块输出电压越高，实际总输出电压偏离其目标值越远。因此，下垂控制可以实现IPOS系统的分布式自主控制，无需集中控制器即可使得输出电压达到设定值范围内，且保证各模块输出电压均衡，保证系统良好的可扩展性和故障冗余性。但仅依靠下垂控制，则损失了系统总输出电压精度，若对系统总输出电压精度有特殊要求，则需要进一步对其进行调控。
为了保证总输出电压精度，可以依托低带宽通信对总输出电压进行校正。这可以利用各模块间的通信实现，也可以利用上层总控制器实现。利用上层总控制器和低带宽通信实现总输出电压校正控制如图9所示，其中Go(s)为上层控制的调节器。上层控制器采样总输出电压，控制器的输出即为各模块的电压基准，即上层控制器通过对各模块的总输出电压基准进行修正，实现对总输出电压精确调节和校正。
图9 总输出电压校正控制
Fig.9 Regulation of the total output voltage
需要注意的是，上层控制器的调节带宽远低于模块本地控制环路的带宽，对各模块自身控制环路不造成影响。上层控制器实际为IPOS系统的集中控制环节，若该环节失效，仅影响系统输出电压的精度，各模块仍可以按照图7方式正常运行。
为验证所提出的低冗余高可靠模块化超宽电压范围IPOS电源系统的工作原理与控制策略，搭建了实验验证系统，系统主要参数见表1，整个系统由8个功率模块IPOS连接构成，系统总输出电压DC 0～DC 1 000 V连续可调，额定输出功率50 kW。
单个功率模块采用图2a所示电路实现，其中LLC和Buck电路开关管开关频率均为150 kHz，包括备份单元在内，单个功率模块的最大输出电压为200 V。单个模块和整个电源系统的照片分别如图10a、图10b所示。
表1 电源系统主要参数
Tab.1 Parameters of the power system
参 数数 值 输入电压Vin/VDC 270 模块数n8 总输出电压范围Vout/VDC 0～DC 1 000 输出电流Iout/A0～50
图10 实验样机
Fig.10 Experimental prototype
图11给出了其中一个功率模块的故障冗余实验波形。图11a中，模块输出电压为120 V，正常情况下开关管Sb1直通、Sb2高频开关，模拟Buck开关管Sb1故障，从图中可以看到，故障发生后Sb2转为直通、备份单元开关管Sb3高频开关，模块输出电压保持不变。图11b中，在模块输出电压为120 V时模拟Buck开关管Sb2故障，从实验结果可以看到，当Sb2故障后，开关管Sb1仍保持直通，Sb3取代Sb2高频开关，模块输出电压保持不变。图11实验结果表明，备份开关单元同时实现了对其他两个单元的冗余备份，模块部分受损时仍正常输出。
图12给出了在单模块Vo=25 V时Sb1、Sb2依次故障的实验波形。从图中可知，Sb1故障后，Sb2自动取代Sb1，而Sb2进一步故障后，Sb3则自动取代Sb2。这表明，采用图2a所示单元式电路结构，使得功率模块具备多重冗余能力，保证了模块级高可靠性。
图11 功率模块实验波形
Fig.11 Experimental waveforms of single-module
图12 功率多次故障实验波形
Fig.12 Experimental waveforms single-module with multiple faults
图13给出了3个模块IPOS系统实验波形，其中图13a为集中控制器失效的实验波形，图13b为集中控制器正常运行的实验波形。采用分布式下垂控制，3个模块输出串联时，无论集中控制器是否失效，各模块输出电压都能保证均衡。单模块故障时，若集中控制器失效，如图13a所示，下垂控制调节其余模块增加模块输出电压，保证总输出电压满足负载需求，但存在13 V的电压跌落。而从图13b可知，在故障模块切除后，集中控制器会使总输出电压缓慢恢复至跌落前的电压值。
图14给出了8个模块IPOS系统在Vout=1 000 V时部分模块故障恢复时的实验波形。由图14可知，其中一个模块故障、电压跌落至0后，其余模块电压上升，总输出电压保持不变。实验结果证明，本文所提出的IPOS电源系统具备系统级故障冗余能力，也证明了本文所采用的控制策略的有效性。
图13 集中-分布混合控制实验波形
Fig.13 Experimental waveforms with centralized- distributed hybrid control
图14 Vout=1 000 V时故障重构动态实验波形
Fig.14 Dynamic experimental waveforms of fault reconstruction when Vout=1 000 V
图14给出了单模块在额定电压125 V时的效率曲线和满载情况时的损耗分布。如图15a所示，当Io＞20 A时，模块的效率均高于96%，最高效率能达到96.7%。单模块在满载条件下的损耗分布如图15b所示，主要损耗包括LLC损耗、Buck损耗、集成电感损耗和驱动及PCB损耗等。
图16给出了IPOS电源系统在最大1 000 V输出时的效率曲线，系统最高效率约为96.5%，且大部分负载范围内效率高于95%。相比单模块，多模块串联组合后连接线导致系统效率略有下降，但整机效率仍然很高。相比并联冗余方案，本文采用串联冗余方案使得电流流经更多的器件，但器件电压应力大幅降低，可以采用更低导通电阻、更优开关性能的低压器件，而冗余串联模块中的续流二极管采用同步整流管后，其引入的附加导通损耗很小，从而保证了模块和整机系统仍能实现高效率。
图15 单模块效率和损耗分布
Fig.15 Efficiency and loss distribution of single module
图16 Vout=1 000 V效率曲线
Fig.16 Efficiency curve of Vout=1 000 V
本文提出了低冗余、高可靠性超宽电压范围IPOS电源系统及其控制方法。理论分析与实验结果表明：
1）通过将全桥功率模块拆分为双半桥单元，利用电路单元的冗余设计，使得功率模块和电源系统同时具备冗余输出能力，保证了系统高可靠性。
2）采用下垂控制，实现了IPOS电源系统中各功率模块的完全分布式控制和电压均衡，保证了IPOS电源系统的可扩展性和可靠性。
3）结合上层控制器和低带宽通信，实现了IPOS系统总输出电压的精确校正，弥补了分布式下垂控制导致的总输出电压精度下降。
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Abstract The use of modular series-parallel systems is widespread across numerous fields owing to their capacity to scale up voltage, current, and power output in power systems. Redundancy is an effective method to improve the reliability of IPOS power systems, which are widely used in high-output voltage situations. However, traditional redundancy strategies result in a substantial increase in both cost and volume due to the doubling of power units. This paper proposes a circuit design with low redundancy, high reliability, and ultra-wide voltage range, which empowers IPOS power systems with module-level and system-level redundancy capabilities.
Module-level redundancy and system-level N+X redundancy have been achieved through sub-circuit redundancy design at the module level. The full bridge LLC is decomposed into a dual half bridge structure with an input parallel on the primary side of the circuit. The basic unit of the system is established using the half-bridge circuit, and only an additional half-bridge resonant circuit unit is required to achieve redundant backup of the primary side full bridge switching network. This approach effectively reduces redundant units while providing module-level redundant power supply capability. The IPOS system is equipped with multiple power modules, and the redundant circuit units of other modules can replace any malfunctioning power module, providing system-level redundancy capability. As a result, there is no need to set up redundant power modules at the system level, and the power system maintains full voltage range and output power capability even in case of any power module failure. Furthermore, the modulation strategy using carrier stacking technology has been designed to facilitate the rapid and convenient output of redundant units during fault conditions while ensuring the efficient operation of modules.
A novel distributed-centralized hybrid control strategy for modular power supply systems is proposed. The proposed strategy leverages distributed autonomous and centralized control mechanisms to prevent module stress imbalance and maintain a target output voltage range. Droop control allows for distributed autonomous control of the power system, thereby eliminating the need for a centralized controller to maintain output voltage within the prescribed range. It ensures balanced output voltage across all modules, improving the system's scalability and fault redundancy. However, droop control alone may compromise the accuracy of the system's total output voltage. Therefore, a low-bandwidth communication control strategy is implemented. The adjustment bandwidth of the upper controller is lowered, and the control loop of each module is preserved. The upper controller analyses the total output voltage and generates voltage references for each module to adjust and correct the total output voltage accurately. Overall, the proposed strategy improves the performance and reliability of modular power supply systems.
The principle, characteristics, and implementation scheme of the proposed circuit structure and control strategy have been analyzed. Through experiments on a 0～1 000 V/50 kW output power supply system, the effectiveness of the proposed scheme is verified.
keywords：Low redundancy, high reliability, input-parallel output-series, droop-control
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.222343
中图分类号：TM46
国家自然科学基金（52122708）和江苏省自然科学基金（BK20200017）资助项目。
收稿日期 2022-12-21
改稿日期 2023-04-27
宋 猛 男，1996年生，博士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。E-mail: songm@nuaa.edu.cn
吴红飞 男，1985年生，教授，博士生导师，研究方向为电力电子与电力传动。E-mail: wuhongfei@nuaa.edu.cn（通信作者）
（编辑 陈 诚）