电源输出并联增强功率或构建N+1冗余时电流如何分配？
- 关键词：电源,过载,冗余
- 作者：金光海
- 摘要：电源输出并联增强功率或构建N+1冗余时电流如何分配？PULS普尔世从上世纪80年代就致力于这一问题的解决，并积累了丰富的经验。本文就这一问题的现存的几种解决方案给出了比较分析，以方便电气工程师的选型和设计。
图1 并联构建N+1冗余电源系统
图2 并联增强输出功率
在图1和图2所示的电源应用中，可能会出现某个或某些电源分担的电流较多，超过其额定输出电流，处于所谓的“过载状态”；而其它电源则分担较少的电流。长期“过载状态”下的电源会出现过热，导致可靠性、使用寿命等大大降低，从而影响整个电源系统的稳定性。如何在此类应用中合理分配电流，避免使某些电源处于长期“过载状态”呢？
1．通过设定输出电压？
开关稳压电源的输出电压一般可以设定在一定范围内的某一个值，一旦将输出电压设定在某一值，无论在空载还是有载情况下，电源会使输出保持在这一电压，如下图3所示：在24-28V之内可以任意设定输出电压。而当输出电流过大，大于其额定值时，电源就进入过载状态，电压会降低，各种元器件都可能处于超负荷，导致电源综合性能和可靠性降低。
在图1或图2的电源应用中，理论上，如果将各个电源的输出电压设为完全相同，则它们会彼此平分电流。但事实上，由于设定旋钮一般只能粗调，各个电源的输出设定不可能完全相同，设定电压较高的电源会优先分担大部分电流，直至处于过载，其输出电压下降；当下降到与另一台电源输出电压相同，另一电源才起动，开始分担电流，如果两台电源总的输出仍无法满足负载，则第2台电源也进入过载，输出电压又下降；直至第3台电源也起动，总输出电流可以满足负载需要。
此时，负载端实际的电压决定于设定输出电压最低的电源（第3台电源）；而第1和第2台电源则处于过载状态。这是大多数电源在N+1冗余或并联增强功率时的情况，而长期处于过载的电源常常需要维护工程师的眷顾，因为它们最容易损坏并需要更换。
图3 24V/20A电源的输出电压/电流特性曲线：
额定值20A，过载限流可能达到25A
2．被动式均流: 通过倾斜的电压/电流特性
早在上世纪90年代，PULS普尔世就针对这一问题进行了探索，并开发了被动式均流方式。带有被动式均流的电源输出电压/电流特性如图4所示。在电源起动过程中，电流根据电压下降而动态分配，如图5所示，可以使几台电源在都不处于过载的情况下，共同分担负载电流。
然而，被动式均流所需要的“倾斜的电压/电流特性”会增加输出电压波动，在单独使用时还会增加功率损耗，因此，带有被动式均流的PULS普尔世电源都带有Single use/Parallel use(单独使用/并联使用)选择开关，需要人工选择运行模式，以适应不同应用的需要。
图4 倾斜的输出电压/电流特性曲线
图5 两台并联增强功率的电源输出电压/电流特性曲线
3．主动式均流: 额外的均流电路和连线
PULS普尔世还在其三相40A电源SL40.301中实现了主动式均流，可以实现比较精确的负载均流，但需要额外电路和连线，操作使用也比较复杂，成本也较高。如图6所示所示。
图6 SL40.301的主动式均流接线
4．Bonus Power®: 4秒强劲而安全的额外功率
在与众多用户的沟通和大量工程实践的基础上，PULS普尔世在2005年开创性地推出了独特的4秒内50％额外功率Bonus Power®，并将其实现在精品Q系列电源产品中。
图7所示为额定输出24V/20A的QS20.244的输出特性曲线，从中可以看出，电源在输出电压不下降的情况下，保证4秒钟内输出电流30A以上（A曲线），可以满足负载短时过流需求；而4秒之后，电源输出会自动转为B＋C曲线，即强制输出电流限定在额定值之内，避免长期过载。
图7 24V/20A额定输出的电源QS20.244的输出特性曲线
具有Bonus Power®特性的电源尤其适用于N+1冗余或并联增强输出功率的应用(图1或图2所示)。设定输出电压较高的电源首先会承担大部分负载电流，但4秒钟后会自动限制在额定电流，其余电源则会自动分担剩余电流。最后，所有电源的输出都会处在额定值内的“安全状态”，其可靠性与单独使用时几乎一样，大大增强了N+1冗余或并联增强功率应用系统的稳定性。
由于PULS普尔世的精品Q系列电源集成的Bonus Power®特性提供了并联应用的极大的稳定性，成为很多客户在大功率直流供电系统应用中的首选。图8所示为某客户用PULS普尔世的16台三相480W电源QT20.241并联代替传统的变压器供电：大大节省安装空间，降低功率损耗，提高系统的稳定性。
图8 某客户采用并联增强功率的电源系统
客户的一款高速平板式喷墨印刷机可以满足1-1000张的大幅广告的数字喷墨印刷，起动时间要非常短，印刷速度要非常快。对于供电系统而言，意味着功率范围非常宽，负载端的峰值冲击电流非常高，最高功率在10kW以上。同时，转换效率必须在很宽的功率范围内都保持较高的值，以减少功率损耗。PULS普尔世的方案很好的满足了上述要求，同时大大减少了安装体积。