CN101710701B - 并联直流开关电源双均流母线均流控制电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种并联直流开关电源双均流母线均流控制电路及控制方法。包括有N个并联运行的直流开关电源，其中N＝1、2、……，所有直流开关电源通过两条不同的公共均流母线联系在一起。所述直流开关电源包括直流电源主电路、中央处理器CPU、PWM生成电路、A/D转换电路、电压检测电路、电流检测电路，还具包括均流信号生成电路、第一均流母线和第二均流母线。本发明具有很好的冗余度和抗干扰性；有利于提高电源系统及负载的可靠性和安全性；可以降低每个电源的调节频率，有效避免输出电流产生低频振荡；提高整个电源系统的工作效率和输出电压质量，更好地满足负载的需求。

Description

并联直流开关电源双均流母线均流控制电路及控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种控制电路，本发明也涉及一种控制方法。具体地说涉及的是一种多个结构相同的直流开关电源并联为负荷供电时，这些电源之间的均流控制电路及控制方法。

背景技术

多个相同的直流开关电源在并联运行时，由于各个电源的参数无法做到完全一致，致使各电源所分担的负载电流大小不一，这会严重影响整个电源系统的可靠性和运行的稳定性。

现有的均流控制方法按照电源间是否存在有联系可分为有源法和下垂法。在现有的有源均流法中，并联运行的各个电源由一条均流母线联系起来，根据均流母线与电源的连接方式不同，又可以具体分为主从均流法、外加均流控制器均流法、平均电流均流法和最大电流均流法等。但是在这些均流方法中，都存在有一定的不足，例如：

(1)在主从均流法中，主从电源间必须有通讯联系，致使系统结构复杂；如果主电源失效，则整个电源系统无法正常工作，因此该方法不适用于冗余并联系统。

(2)外加均流控制器均流法需要外加一个均流控制器，其缺点与主从均流法近似。

(3)平均电流均流法虽然可以精确地实现均流，但是当母线发生短路，或接在母线上的一个电源不能工作时，母线电压下降，将使各电源电压下调，甚至到达其下限，造成故障。

(4)虽然最大电流均流法由于具有较好的冗余度(不会因为某一电源的故障而影响整个系统的运行)和均流母线抗干扰性强等优点，而被广泛地应用，但是在这种均流控制方法中，主从电源总是处于不断的切换中，会导致各个电源的输出电流产生低频振荡；并且由于各从电源是以“最大电流”为调节目标，必然会使电源输出端电压高于额定电压，产生“过电压”，电源的输出阻抗越大，“过电压”现象越明显。这种“过电压”必然会对电源和负载的可靠性、安全性带来不利影响。

现有各种有源均流法的缺点，限制住了直流电源并联运行的整体性能，随着直流电源功率的不断增长，急需改进或提出新的、均流效果更为理想的均流控制电路及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能使各个电源能够获得更多的均流信息，在实现精确均流控制的同时，提高并联电源系统的整体性能的并联直流开关电源双均流母线均流控制电路。本发明的目的还在于提供一种基于本发明的控制电路的控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的并联直流开关电源双均流母线均流控制电路的组成包括有N个并联运行的直流开关电源，其中N＝1、2、……，所有直流开关电源通过两条不同的公共均流母线联系在一起。

所述直流开关电源包括直流电源主电路、中央处理器CPU、PWM生成电路、A/D转换电路、电压检测电路、电流检测电路，还具包括均流信号生成电路、第一均流母线和第二均流母线。

外部主电源的电能经过直流电源主电路变换后输出的直流电压经电压检测电路检测后输出的电压信号Uout馈入A/D转换电路，用于电压闭环控制，直流电源主电路输出的电流经电流检测电路检测后输出的电流信号I_out一方面送入A/D转换电路、另一方面送入均流信号生成电路，均流信号生成电路共有两路输出、一路输出接至第一均流母线、另一路输出接至第二均流母线，第一均流母线和第二均流母线为所有并联直流开关电源所共有，第一均流母线上的最大电流值I_max信号和第二均流母线上的最大电流差值ΔI_max信号都送入A/D转换电路，A/D转换电路的四路模拟量输入信号经过A/D转换电路转换成数字信号后传送至中央处理器CPU，CPU控制PWM生成电路产生PWM信号用于驱动直流电源主电路中的电力电子器件。

所述均流信号生成电路由第一二极管D1、第二二极管D2、运算放大器A1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4构成，运算放大器A1和第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4构成接成放大电路；第一二极管D1的正极接电流传感器CT1的输出，同时通过第一电阻R1接至运算放大器A1的负输入端；第一二极管D1的负极接第一均流母线，同时通过第二电阻R2接至运算放大器A1的正输入端；第二二极管D2的正极接运算放大器A1的输出，第二二极管D2的负极接第二均流母线。

基于本发明的并联直流开关电源双均流母线均流控制电路的均流控制方法有四种：

第一种：最小电流均流控制方法。每一个直流开关电源的CPU根据A/D转换电路传送来的第一均流母线和第二均流母线上的信号，即最大电流值I_max和最大电流差值ΔI_max，计算出在这些并联运行的直流开关电源中输出电流的最小值I_min，I_min＝I_max-ΔI_max，并以该电流最小值I_min作为自身电源的电流基准值，调节输出电流；所有并联运行的直流开关电源都以I_min为输出电流基值，除实际输出电流为最小值的那个电源外，其他电源的输出电流都向下调节，负载不变，与此同时输出电流为最小值的那个直流开关电源的输出电流上升，有另外一个直流开关电源变成新的输出电流为最小值的电源；在这个动态调节过程中，电流最小值I_min不断变化，随着调节过程的继续，所有直流开关电源的输出电流都会最终趋近于一个逐渐稳定的电流最小值I_min；当每一个直流开关电源的输出电流I_out与I_min的误差都满足精度要求时，即实现了并联运行直流电源的均流控制。

第二种：简化最小电流均流控制方法。CPU通过将采集到的自身输出电流I_out信号与I_max信号相比较，判断出自身是否为输出电流为最大值的直流开关电源，只有输出电流为最大值的那个直流开关电源以输出电流最小值I_min为基准进行调节，而与此同时其他直流开关电源并不进行均流控制，随着输出电流为最大值的那个直流开关电源的输出电流的下降，由于负载不变，其他直流开关电源的输出电流上升，必然会有另外一个直流开关电源的输出电流成为最大值，则这个新的输出电流为最大值的直流开关电源开始以最小电流值I_min为基准进行调节，原先的输出电流为最大值的直流开关电源则退出调节；随着调节过程的进行，最小电流值I_min会不断变大并趋于一稳定值，并联运行的直流开关电源会交替成为输出电流为最大值的电源，进而调节自身的输出电流；当每一个直流开关电源的输出电流I_out与I_min的误差都满足精度要求时，即实现了均流控制。

第三种：中间电流均流控制方法。每个直流开关电源的CPU根据最大电流值I_max和最大电流差值ΔI_max计算出一个中间电流值I_mid，I_mid＝I_max-ΔI_max/2，并以I_mid作为电流基准值，来调节输出电流；输出电流大于中间电流值I_mid的直流开关电源会减小其输出电流，而输出电流小于中间电流值I_mid的直流开关电源会增加其输出电流；在动态调节过程中，随着最大电流值I_max和最大电流差值ΔI_max的不断减小，电流中间值I_mid也不断变化，但变化幅度逐渐减小，各个直流开关电源输出电流间的差异也逐渐减小，最终实现均流控制。

第四种：简化中间电流均流控制方法。CPU通过将采集到的I_out电流信号与I_max信号和I_min信号相比较，可以判断出自身是否为输出电流最大值或最小值的那个直流开关电源；只有输出电流为最大值和最小值的那两个直流开关电源以中间电流值I_mid为基准进行调节，而与此同时其他直流开关电源并不进行均流控制，随着最大电流值的下降和最小电流值的上升，必然会有其他的直流开关电源取代原有的最大输出电流值直流开关电源和最小输出电流值直流开关电源，进而对其自身输出电流进行调节，这种输出电流调节在并联运行的直流开关电源中交替进行，最终实现均流控制。

在直流开关电源并联运行系统中，与现有的各种有源均流方法相比，采用本发明所提出的“双均流母线均流控制电路及方法”，将会取得以下有益效果：

(1)本发明提出的均流控制电路具有双均流母线结构，其不仅为CPU提供了所有并联电源输出电流中的最大电流值I_max，而且还提供了现有各种均流控制硬件电路所无法提供的最大电流差ΔI_max，从而使CPU可以更好地了解当前并联电源系统的运行状况，为均流控制方法的制定提供了更为精准的依据。

(2)在本发明提出的均流控制电路中，各个电源都是通过二极管分别与均流母线1和均流母线2相连接的，当某一个电源出现故障时，该故障电源不会对这两条均流母线的状态产生影响，因此本发明提出的均流控制电路具有很好的冗余度和抗干扰性。

(3)在双均流母线均流控制电路的基础上，直流电源的中央处理器CPU可以采用本发明提出的最小电流均流控制方法。与现有的最大电流均流控制法相比，在最小电流均流控制法中，并联运行的各电源是以最小输出电流为基准来调节自身的输出电流，即通过降低输出电压来减小输出电流。因此在均流过程中及结束后，各电源输出电压只能小于或等于额定电压，而不会出现高于额定电压的“过电压”现象，因而有利于提高电源系统及负载的可靠性和安全性。

(4)在双均流母线均流控制电路的基础上，直流电源的中央处理器CPU可以采用本发明提出的简化最小电流均流控制方法。在简化最小电流均流控制法中，并联运行的各电源交替参与均流调节，即任意时刻，只有一个电源在进行均流调节，因此可以降低每个电源的调节频率，有效避免输出电流产生低频振荡。此外该方法也具有有益效果(3)。但是与最小电流均流控制方法相比，该方法需要较长的均流控制时间。

(5)在双均流母线均流控制电路的基础上，直流电源的中央处理器CPU可以采用本发明提出的中间电流均流控制方法。采用该方法实现均流控制后，各个电源输出电压既不会出现明显的类似最大电流均流控制法产生的“过电压”，也不会出现明显的类似最小电流均流控制法产生的“欠电压”，并联运行的所有电源都工作在额定电压附近，从而在实现精确均流控制的前提下，提高整个电源系统的工作效率和输出电压质量，更好地满足负载的需求。

(6)在双均流母线均流控制电路的基础上，直流电源的中央处理器CPU可以采用本发明提出的简化中间电流均流控制方法。在简化中间电流均流控制法中，即任意时刻，只有最大输出电流的电源和最小输出电流的电源在进行均流调节，因此可以降低每个电源的调节频率，有效避免输出电流产生低频振荡。此外该方法也具有有益效果(5)。但是与中间电流均流控制方法相比，该方法需要较长的均流控制时间。

附图说明

图1采用双均流母线均流控制电路及方法的直流电源并联运行电路示意图。

图2实施方式一中采用双均流母线均流控制电路及方法的直流电源电路图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

本发明的并联直流开关电源双均流母线均流控制电路的第一种实施方式为：

结合图1所示。有N(N＝1，2，……)个直流开关电源并联运行，分别为直流电源1至直流电源N。所有这些电源通过两条不同的公共均流母线联系在一起。

在硬件电路结构上除了包括直流电源主电路、中央处理器CPU、PWM生成电路、A/D转换电路、电压检测电路、电流检测电路外，还具有其所特有的均流信号生成电路和均流母线1、均流母线2等。

直流电源主电路可以采用现有的各种直流开关电源电路，例如Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路等。

电压检测电路由分压电阻R5和R6构成的。

电流检测电路由电流传感器CT1构成的，电流传感器可采用现有的各种电流传感器，例如霍尔型电流传感器。

结合图2，均流信号生成电路由二极管D1、D2，运算放大器A1，电阻R1、R2、R3、R4构成：运算放大器A1和电阻R1、R2、R3、R4接成放大电路；二极管D1的正极接电流传感器CT1的输出，同时通过电阻R1接至运算放大器A1的负输入端，二极管D1的负极接均流母线1，同时通过电阻R2接至运算放大器A1的正输入端；二极管D2的正极接运算放大器A1的输出，二极管D2的负极接均流母线2。由于并联运行的所有电源的都将各自电流传感器输出的电流信号通过各自的二极管D1与公共均流母线1连接在一起，从二极管的工作特性可知，只有输出电流最大的那个电源才能将自己的电流信号通过二极管送到均流母线1上，而在其他的电源中，其二极管D1处于反向截止状态，所以均流母线1上的信号始终为最大输出电流信号I_max。均流母线1上的最大电流信号I_max被送入A/D转换电路。二极管D1两端的电压差通过运算放大器A1和二极管D2送至均流母线2，运算放大器A1的放大倍数由电阻R1、R2、R3、R4的阻值决定，具体计算方法与常规运算放大器相同。因为所有电源都将各自二极管D1两端的电压差信号通过各自的运算放大器和二极管送至公共均流母线2，所以只有最大电压差信号才能送至均流母线2上。由于二极管D1的一端为最大电流信号，另一端为自身电源的输出电流信号，因此其两端的电压差表明了自身电源输出电流与当前最大输出电流的差值，即均流母线2上的信号始终为并联运行的电源中输出电流最大值与输出电流最小值的差值ΔI_max。

A/D转换电路可采用现有的A/D转换芯片辅以输入限幅电路和滤波电路构成，也可以直接采用某些中央处理器CPU内部自有的A/D转换电路。

中央处理器CPU可以采用数字信号处理器(DSP)、单片机、计算机等具有数字信号处理、运算功能的器件和装置。

PWM生成电路可直接采用中央处理器CPU内部自有的PWM生成电路，辅以现有的各种驱动电路。

均流母线1和均流母线2采用具有屏蔽层的电缆线。

均流控制方法采用最小电流均流控制方法、简化最小电流均流控制方法、中间电流均流控制方法、简化中间电流均流控制方法中的任意一种。

本发明的并联直流开关电源双均流母线均流控制电路的第二种实施方式为：

电压检测电路采用电压传感器来实现，例如霍尔型电压传感器。

其他与以上实施方式相同。

本发明的并联直流开关电源双均流母线均流控制电路的第三种实施方式为：

电流检测电路由与电源负载串联的取样电阻构成。

其他与以上实施方式相同。

本发明的并联直流开关电源双均流母线均流控制电路的第一种实施方式为：

在A/D转换电路中增加隔离电路，例如光耦隔离电路。

其他与以上实施方式相同。

本发明的并联直流开关电源双均流母线均流控制电路的第一种实施方式为：

在均流信号生成电路中增加隔离电路，例如光耦隔离电路。

其他与以上实施方式相同。

本发明的并联直流开关电源双均流母线均流控制电路的第一种实施方式为：

在PWM生成电路中增加隔离电路，例如光耦隔离电路。

其他与以上实施方式相同。

基于本发明的并联直流开关电源双均流母线均流控制电路的均流控制方法的第一种实施方式为最小电流均流控制方法。

每一个直流开关电源的CPU根据A/D转换电路传送来的均流母线1和均流母线2上的信号，即最大电流值I_max和最大电流差值ΔI_max，可以计算出在这些并联运行的电源中输出电流的最小值I_min，I_min＝I_max-ΔI_max，并以该电流最小值I_min作为自身电源的电流基准值，来调节输出电流。所有并联运行的电源都以I_min为输出电流基值，除实际输出电流为最小值的那个电源外，其他电源的输出电流都要向下调节，由于负载不变，与此同时输出电流为最小值的那个电源的输出电流就会上升，必然会有另外一个电源变成新的输出电流为最小值的电源。在这个动态调节过程中，电流最小值I_min是不断变化的，但是随着调节过程的继续，所有电源的输出电流都会最终趋近于某一个逐渐稳定的电流最小值I_min。当每一个电源的输出电流I_out与I_min的误差都满足精度要求时，即实现了并联运行直流电源的均流控制。

基于本发明的并联直流开关电源双均流母线均流控制电路的均流控制方法的第二种实施方式为简化最小电流均流控制方法。

与第一种方法相比，其不同之处在于：在均流控制过程中，只有输出电流为最大值的那个电源(CPU通过将采集到的自身输出电流I_out信号与I_max信号相比较，可以判断出自身是否为输出电流为最大值的那个电源)以输出电流最小值I_min为基准进行调节，而与此同时其他电源并不进行均流控制，随着输出电流为最大值的那个电源的输出电流的下降，由于负载不变，其他电源的输出电流会上升，必然会有另外一个电源的输出电流成为最大值，则这个新的输出电流为最大值的电源开始以最小电流值I_min为基准进行调节，原先的输出电流为最大值的电源则退出调节。随着调节过程的进行，最小电流值I_min会不断变大并趋于某一稳定值，并联运行的电源会交替成为输出电流为最大值的电源，进而调节自身的输出电流。当每一个电源的输出电流I_out与I_min的误差都满足精度要求时，即实现了均流控制。

基于本发明的并联直流开关电源双均流母线均流控制电路的均流控制方法的第三种实施方式为中间电流均流控制方法。

在中间电流均流控制方法中，每个电源的CPU根据最大电流值I_max和最大电流差值ΔI_max计算出一个中间电流值I_mid，I_mid＝I_max-ΔI_max/2，并以I_mid作为电流基准值，来调节输出电流。输出电流大于中间电流值I_mid的电源会减小其输出电流，而输出电流小于中间电流值I_mid的电源会增加其输出电流。在动态调节过程中，随着最大电流值I_max和最大电流差值ΔI_max的不断减小，电流中间值I_mid也不断变化，但变化幅度逐渐减小，各个电源输出电流间的差异也逐渐减小，最终实现均流控制。

基于本发明的并联直流开关电源双均流母线均流控制电路的均流控制方法的第四种实施方式为简化中间电流均流控制方法。

与第三种方法相比，其不同之处在于：在均流控制过程中，只有输出电流为最大值和最小值的那两个电源(CPU通过将采集到的I_out电流信号与I_max信号和I_min信号相比较，可以判断出自身是否为输出电流最大值或最小值的那个电源)以中间电流值I_mid为基准进行调节，而与此同时其他电源并不进行均流控制，随着最大电流值的下降和最小电流值的上升，必然会有其他的电源取代原有的最大输出电流值电源和最小输出电流值电源，进而对其自身输出电流进行调节，这种输出电流调节在并联运行的电源中交替进行，最终实现均流控制。

Claims (5)

1.一种并联直流开关电源双均流母线均流控制电路，其组成包括有N个并联运行的直流开关电源，其中N＝1、2、……，其特征是：所有直流开关电源通过两条不同的公共均流母线联系在一起；

所述直流开关电源包括直流电源主电路、中央处理器CPU、PWM生成电路、A/D转换电路、电压检测电路、电流检测电路，还具包括均流信号生成电路、第一均流母线和第二均流母线；

外部主电源的电能经过直流电源主电路变换后输出的直流电压经电压检测电路检测后输出的电压信号U_out馈入A/D转换电路，用于电压闭环控制，直流电源主电路输出的电流经电流检测电路检测后输出的电流信号I_out一方面送入A/D转换电路、另一方面送入均流信号生成电路，均流信号生成电路共有两路输出、一路输出接至第一均流母线、另一路输出接至第二均流母线，第一均流母线和第二均流母线为所有并联直流开关电源所共有，第一均流母线上的最大电流值I_max信号和第二均流母线上的最大电流差值ΔI_max信号都送入A/D转换电路，A/D转换电路的四路模拟量输入信号经过A/D转换电路转换成数字信号后传送至中央处理器CPU，CPU控制PWM生成电路产生PWM信号用于驱动直流电源主电路中的电力电子器件；

所述均流信号生成电路由第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、运算放大器(A1)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)构成，运算放大器(A1)和第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)构成放大电路，第三电阻(R3)的一端连接运算放大器(A1)的负输入端、另一端连接运算放大器(A1)输出，第四电阻(R4)的一端连接运算放大器(A1)的正输入端、另一端接地；第一二极管(D1)的正极接电流传感器(CT1)的输出，同时通过第一电阻(R1)接至运算放大器(A1)的负输入端；第一二极管(D1)的负极接第一均流母线，同时通过第二电阻(R2)接至运算放大器(A1)的正输入端；第二二极管(D2)的正极接运算放大器(A1)的输出，第二二极管(D2)的负极接第二均流母线。

2.根据权利要求1所述的并联直流开关电源双均流母线均流控制电路的控制方法，其特征是：每一个直流开关电源的CPU根据A/D转换电路传送来的第一均流母线上的最大电流值I_max信号和第二均流母线上的最大电流差值ΔI_max信号，计算出在这些并联运行的直流开关电源中输出的最小电流值I_min，I_min＝I_max-ΔI_max，并以该最小电流值I_min作为自身电源的电流基准值，调节输出电流；所有并联运行的直流开关电源都以最小电流值I_min为输出电流基值，除实际输出电流为最小值的那个电源外，其他电源的输出电流都向下调节，负载不变，与此同时输出电流为最小值的那个直流开关电源的输出电流上升，有另外一个直流开关电源变成新的输出电流为最小值的电源；在这个动态调节过程中，最小电流值I_min不断变化，随着调节过程的继续，所有直流开关电源的输出电流都会最终趋近于一个逐渐稳定的最小电流值I_min；当每一个直流开关电源的输出电流I_out与最小电流值I_min的误差都满足精度要求时，即实现了并联运行直流电源的均流控制。

3.根据权利要求1所述的并联直流开关电源双均流母线均流控制电路的控制方法，其特征是：CPU通过将自身直流电源主电路输出的电流经电流检测电路检测后输出的电流信号I_out与第一均流母线上的最大电流值I_max信号相比较，判断出自身是否为输出电流为最大值的直流开关电源，只有输出电流为最大值的那个直流开关电源以最小电流值I_min为基准进行调节，I_min＝I_max-ΔI_max，而与此同时其他直流开关电源并不进行均流控制，随着输出电流为最大值的那个直流开关电源的输出电流的下降，由于负载不变，其他直流开关电源的输出电流上升，必然会有另外一个直流开关电源的输出电流成为最大值，则这个新的输出电流为最大值的直流开关电源开始以最小电流值I_min为基准进行调节，原先的输出电流为最大值的直流开关电源则退出调节；随着调节过程的进行，最小电流值I_min会不断变大并趋于一稳定值，并联运行的直流开关电源会交替成为输出电流为最大值的电源，进而调节自身的输出电流；当每一个直流开关电源的输出电流I_out与最小电流值I_min的误差都满足精度要求时，即实现了均流控制。

4.根据权利要求1所述的并联直流开关电源双均流母线均流控制电路的控制方法，其特征是：每个直流开关电源的CPU根据A/D转换电路传送来的第一均流母线上的最大电流值I_max信号和第二均流母线上的最大电流差值ΔI_max信号计算出一个中间电流值I_mid，I_mid＝I_max-ΔI_max/2，并以中间电流值I_mid作为电流基准值，来调节输出电流；输出电流大于中间电流值I_mid的直流开关电源会减小其输出电流，而输出电流小于中间电流值I_mid的直流开关电源会增加其输出电流；在动态调节过程中，随着最大电流值I_max和最大电流差值ΔI_max的不断减小，中间电流值I_mid也不断变化，但变化幅度逐渐减小，各个直流开关电源输出电流间的差异也逐渐减小，最终实现均流控制。

5.根据权利要求1所述的并联直流开关电源双均流母线均流控制电路的控制方法，其特征是：CPU通过将自身直流电源主电路输出的电流经电流检测电路检测后输出的电流信号I_out与最大电流值I_max信号和最小电流值I_min信号相比较，I_min＝I_max-ΔI_max，判断出自身是否为输出电流为最大值或最小值的那个直流开关电源；只有输出电流为最大值和最小值的那两个直流开关电源以中间电流值I_mid为基准进行调节，I_mid＝I_max-ΔI_max/2，而与此同时其他直流开关电源并不进行均流控制，随着最大电流值的下降和最小电流值的上升，必然会有其他的直流开关电源取代原有的输出电流为最大值的直流开关电源和输出电流为最小值的直流开关电源，进而对其自身输出电流进行调节，这种输出电流调节在并联运行的直流开关电源中交替进行，最终实现均流控制。

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