CN101951170A - 一种led显示屏集中供电系统 - Google Patents

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王议锋
郭德胜
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丁铁夫
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Abstract

本发明公开了一种LED显示屏集中供电系统，涉及一种LED显示屏供电领域，该系统包括：三相端、PFC模组、第一端点和第二端点、HV DC-DC模块；三相端为PFC模组提供AC380V的供电；PFC模组将AC380V的供电转换为第一端点和第二端点两端的DC600V高压并输出；HV DC-DC模块接收第一端点和第二端点两端的DC600V高压，并将DC600V高压转换为DC5V电压输出。通过本发明提供的供电系统实现了在保证供电安全的前提下，降低LED显示屏供电的施工难度和成本、提升整屏效率、提高了产品竞争力，不断满足了现代LED显示屏的高端显示需求；并且在显示屏内，PFC模块集中安置也便于维护、安装。

Description

一种LED显示屏集中供电系统
技术领域
本发明涉及一种LED显示屏供电领域，特别涉及一种LED显示屏集中供电系统。
背景技术
目前，在传统的AC220V供电方式下，一般采用分布式三相四线制低压供电，基本构造如图1所示，由A-N(A1-AN)、B-N(B1-BN)和C-N(C1-CN)三组内部电源连接构成，具备220V高压整流。在LED显示屏内部，大量整流环节的应用，使得电网侧输入电流为非正弦的周期电流，并消耗大约1％左右的电功率。AC/DC(交流/直流)电源模块在投入运行时，将向电网注入大量的高次谐波。一般会存在两类配电方案，一种是采用无功率因数校正功能的AC/DC电源模块的低成本方案，另外一种是采用具备PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)功能的AC/DC电源模块的高成本方案。
在低成本方案中，AC/DC电源模块由于不具备PFC功能，电网侧的整流环节会产生大量的无功功率，严重降低了电网侧的功率因数，通常仅有0.6左右；电网侧的非正弦的周期输入电流含有大量的高次谐波，这会对电网和其它电气设备造成严重谐波污染与干扰。在三相四线制供电方式中，由于每一个开关电源在电网侧的阻抗角与阻抗大小会随其负载不同而不断变化，因此A、B、C三相在N相中的合成电流，就会出现剧烈的变动。为了确保供电安全，N相电缆必须按照最大相电流叠加值来设计与施工，否则引起电缆过载、过热，目前唯一解决的方法，就是加大中线的线径。
在高成本方案中，由于具备了PFC功能，每一个开关电源在电网侧的阻抗角不再会随其负载不同而不断变化，但是阻抗大小还是会不断变化，每一个开关电源的阻抗大小不同，若在A-N、B-N、C-N之间各有100个开关电源，那么在N相就会有300个不同大小阻抗的叠加，如果PFC功率特性好，可使输入电流与输入电压同相位，那么A、B、C三相在N相中的合成电流就要小于流经每一相的电流，因此对电网和其他电气设备的干扰就小，大大降低了对中线电流承载能力的要求，此时中线可以采用与A、B、C同线径的线缆，但随着LED显示面积的增大，和画面内容的复杂变化，屏幕内部的大量开关电源在大动态画面显示时，依然会在N相产生复杂的不规律的合成电流，对中线上电流的承载能力要求又相对提高；如果PFC功率特性较差，造成电流的相位与电压相位不一致，那么A、B、C三相在N相中的合成电流，就会出现剧烈的变动。
发明人在实现本发明的过程中发现现有技术中至少存在以下的缺点：
低成本方案中为了确保供电安全采用加大中线的线径的解决方法，但会加大工程施工难度与成本；高成本方案中只是降低了对电网的冲击，并没有降低施工难度和成本，不能确保供电安全。
发明内容
为了保证供电安全，降低LED显示屏供电的施工难度和成本、提升整屏效率、提高产品竞争力，不断满足现代LED显示屏的高端显示需求，本发明提供了一种LED显示屏集中供电系统，所述系统包括：三相端、PFC模组、第一端点和第二端点、HV DC-DC模块；
所述三相端为所述PFC模组提供AC380V的供电；所述PFC模组将AC380V的供电转换为所述第一端点和所述第二端点两端的DC600V高压并输出；所述HV DC-DC模块接收所述第一端点和所述第二端点两端的DC600V高压，并将所述DC600V高压转换为DC5V电压输出。
所述PFC模组由X个PFC模块相互并联而成，其中，X为PFC模块的数量，X的取值为大于等于1的正整数。
所述PFC模组是由全数字的PFC模块构成，每一个PFC模块的初始工作相位由模块之间的控制总线提供，并自动分配，每一个PFC模块的每一路BOOST结构，开关周期相同，再自动获取各自的初始相位。
所述PFC模块包括：四相输入端、第一交流接触器、EMI电路、整流桥、电感、至少一个二极管、第二交流接触器、滤波电容、第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号、第四控制信号、FPGA、至少一个驱动电路和至少一个N沟道MOSFET管；
所述四相输入端和所述第一交流接触器的一端相连、所述第一交流接触器的另一端和所述EMI电路的一端相连、所述EMI电路的另一端和所述整流桥的一端相连、所述整流桥的另一端和所述电感的一端相连、所述电感的另一端分别和所述二极管的一端相连、所述N沟道MOSFET管的漏极相连；所述N沟道MOSFET管的源极接地；所述二极管的另一端分别接所述第二交流接触器和所述滤波电容；所述第二交流接触器的正相输出端和负相输出端输出600V电压；所述FPGA通过所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号、所述第四控制信号分别和控制总线相连；所述驱动电路获取所述FPGA中的控制信息，控制所述N沟道MOSFET管的导通和截止。
所述HV DC-DC模块采用二级母线结构，先将DC600V高压降到DC300V，再经过一个DC-DC模块将DC300V降到DC5V低压输出。
所述HV DC-DC模块包括：IC、N沟道MOSFET管、续流二极管、电感、滤波储能电容和DC-DC模块；
所述N沟道MOSFET管的漏极接DC600V高压，所述N沟道MOSFET管的栅极接IC的一端、所述N沟道MOSFET管的源极分别和所述续流二极管的一端、所述电感的一端相连；所述续流二极管的另一端接地；所述电感的另一端和IC的另一端、所述滤波储能电容的一端、所述DC-DC模块的一端相连；所述滤波储能电容的另一端接地、所述DC-DC模块的另一端输出5V电压。
所述PFC模块还包括：第一预留信号和第二预留信号。
所述续流二极管为反向耐压值1000V，正向电流在3A以上的快速恢复二极管。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
通过本发明提供的供电系统实现了在保证供电安全的前提下，降低了LED显示屏供电的施工难度和成本、提升了整屏效率、提高了产品竞争力，不断满足了现代LED显示屏的高端显示需求；并且在显示屏内，PFC模块的集中安置也便于维护、安装。
附图说明
图1是现有技术提供的AC220V供电方式示意图；
图2是本发明提供的AC380V供电方式示意图；
图3是本发明提供的PFC模块并联示意图；
图4是现有技术提供的AC220V低成本方案工作原理图；
图5是现有技术提供的AC220V高成本方案工作原理图；
图6是本发明提供的PFC模块内部结构示意图；
图7是本发明提供的HV DC-DC模块内部结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
A、B、C：火线；            N：零线；
A-N(A1-AN)、B-N(B1-BN)、C-N(C1-CN)为三组内部电源，为AC220V
输入；                     GND：地；
D、E和F：三相端；          G：第一端点；
H：第二端点；              I、J、K、M：四相端；        L：
电感；                     C2：滤波储能电容；
D1：二极管；               C1：滤波电容；
CS：第一控制信号；         MDO：第二控制信号；
MDI：第三控制信号；        SCLK：第四控制信号；
PS：正相输出端；           PN：负相输出端；
Control_Bus：控制总线；    Re0：第一预留信号；
Re1：第二预留信号；        sgnc_p0-sgnc_p5：初始相位触
发脉冲；                   D2：续流二极管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
为了保证供电安全，降低LED显示屏供电的施工难度和成本、提升整屏效率、提高产品竞争力，不断满足现代LED显示屏的高端显示需求，本发明实施例提供了一种LED显示屏集中供电系统，参见图2，该系统包括：三相端D、E、F、PFC模组、第一端点G和第二端点H、HV DC-DC模块；
三相端D、E、F为PFC模组提供AC380V的供电；PFC模组将AC380V的供电转换为第一端点G和第二端点H两端的DC600V高压并输出；HV DC-DC模块接收第一端点G和第二端点H两端的DC600V高压，并将DC600V高压转换为DC5V电压输出。
参见图3，1-X为PFC模块，X为PFC模块的数量，根据具体的系统用电功率需求，PFC模组由X个PFC模块相互并联而成，X的取值为大于等于1的正整数，PFC模组将三相端D、E、F的AC380V转换成DC600V高压输出。
PFC模组的应用，可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形，使得电网侧输入电流为正弦的周期电流，并且与输入电压同相位，此时PFC模组内整流器的负载可等效为纯电阻，电网内的电能供给不会出现因阻抗角“混乱”而引起的“能源短缺”，即便是采用最普通的三相四线制配电方式，也会大大降低对中线电流承载能力的要求。因此采用PFC模组的AC380供电，甚至可以取消中线采用三线制供电，如此一来就可以大幅度降低现有大屏幕的配电施工难度与电缆成本。
参见图1，现有技术中LED显示屏采用低压大电流配电方式，电力传导路径上的任何一点损耗都将引起可观的热效应，当峰值功率在100KW附近时，根据P＝UI、P＝I2R可得出采用本发明实施例提供的系统，在电力传导路径上的功率损耗为采用传统AC220V供电方式下的1/7。
HV DC-DC模块将DC600V变换到DC5V，具有极低的输出阻抗，允许大动态负载电流下保持微乎其微的输出电压波动，从而确保多种显示情况下的图像品质。在同等功率输出情况下，HV DC-DC模块对600V供电线路的电流需求将明显低于AC220V供电方式，从而降低了对600V高压直流电缆线径的要求，可采用低线径电缆。参见图4，HV DC-DC模块的应用相对于现有技术提供的AC220V低成本方案而言，省掉了EMI滤波电路和整流电路；参见图5，HV DC-DC模块的应用相对于现有技术提供的AC220V高成本方案而言，省掉了EMI滤波电路、整流电路，并且现有技术提供的高成本方案的PFC部分在每个开关电源的内部，而每个PFC模块的功率PAC-DC＝0.3KW，若要达到100KW的功率，则需要300多个这样的PFC模块，即需要300多个开关电源。本发明实施例提供的PFC模组，将PFC模块整体提出来，每个PFC模块的功率PPFCM＝10KW，若要达到100KW的功率，只需要10个PFC模块就可以，使得整机的体积与成本获得了大幅度的降低。
PFC模组是由全数字的PFC模块构成，每一个PFC模块的初始工作相位由模块之间的控制总线提供，并自动分配，每一个PFC模块的每一路BOOST结构，开关周期相同，再自动获取各自的初始相位。
参见图6，该PFC模块包括：四相输入端I、J、K、M、第一交流接触器、EMI电路、整流桥、电感L、至少一个二极管D1、第二交流接触器、滤波电容C1、第一控制信号CS、第二控制信号MDO、第三控制信号MDI、第四控制信号SCLK、FPGA、至少一个驱动电路、至少一个N沟道MOSFET管；
四相输入端I、J、K、M和第一交流接触器的一端相连、第一交流接触器的另一端和EMI电路的一端相连、EMI电路的另一端和整流桥的一端相连、整流桥的另一端和电感L的一端相连、电感L的另一端分别和二极管D1的一端相连、N沟道MOSFET管的漏极相连；N沟道MOSFET管的源极接地；二极管D1的另一端分别接第二交流接触器和滤波电容C1；第二交流接触器的正相输出端PS和负相输出端PN输出600V电压；控制芯片FPGA通过第一控制信号CS、第二控制信号MDO、第三控制信号MDI、第四控制信号SCLK分别和控制总线Control_Bus相连；驱动电路获取FPGA中的控制信息，控制N沟道MOSFET管的导通和截止。
其中，为了满足实际应用中灵活多变的需求，该PFC模块还包括两个预留信号，分别为第一预留信号Re0和第二预留信号Re1，通过第一预留信号Re0和第二预留信号Re1，可以避免对硬件电缆的改动。
其中，驱动电路可以是专用IC，也可以是变压器，只要能够起到响应主控脉冲作用的即可，具体实现时，本发明实施例对此不做限制，例如，选择UCC28070型号的IC。
进一步地，滤波电容，可以用于减小输出电压纹波，对负载呈现电压源特性。
进一步地，当N沟道MOSFET管截止时，由于电感L的自感电动势的作用，电流继续通过二极管D1向滤波电容C1充电，最终输出稳定的600V直流电压。
进一步地，为了权衡电路体积和每一相PFC的功率等级，并考虑到实际电路在1600W附近可以取得较高的变换效率，因此本发明实施例优选一个PFC模块内部具有6个Boost结构，每一个Boost结构功率输出1.6KW，那么一个PFC模块的输出功率就达到10KW。每一个Boost结构的驱动电路通过FPGA获取各自的初始相位，即sgnc_p0-sgnc_p5为初始相位触发脉冲，sgnc_p0-sgnc_p5的相位差依次滞后60°，6个Boost结构的开关周期相同。
第一控制信号CS、第二控制信号MDO、第三控制信号MDI、第四控制信号SCLK可控制开关周期及初始相位和其他状态信息，具有寻检作用，可检测输入输出是否正常，当其中任意一个PFC模块出现故障，FPGA可控制该出现故障的PFC模块自动脱离控制总线Control_Bus，输入端的第一交流接触器和输出端的第二交流接触器都断开，FPGA发送报警和指示信号，实际应用中，应用人员只需将发生故障的PFC模块替换掉，该PFC模组即可正常运行，PFC模组就可以实现在线维护，用电设备无需停机，方便了实际应用中的需要。
本发明实施例提供的HV DC-DC模块采用二级母线结构，二级母线结构具体为先将DC600V高压第一步先降到DC300V，再经过一个DC-DC模块将DC300V转换降到DC5V低压输出，参见图7，HV DC-DC模块包括：IC、N沟道MOSFET管、续流二极管D2、电感L、滤波储能电容C2和DC-DC模块；
N沟道MOSFET管的漏极接DC600V高压，N沟道MOSFET管的栅极接IC的一端、N沟道MOSFET管的源极分别和续流二极管D2的一端、电感L的一端相连；续流二极管D2的另一端接地；电感L的另一端和IC的另一端、滤波储能电容C2的一端、DC-DC模块的一端相连；滤波储能电容C2的另一端接地、DC-DC模块的另一端输出5V电压。
其中，N沟道MOSFET管导通时，续流二极管D2上承受600V的反向偏置电压，考虑到电路中的振铃现象，续流二极管D2优选反向耐压值1000V，正向电流在3A以上的快速恢复二极管。当N沟道MOSFET管截止时，由于电感L中的自感电动势，电感L中的电流方向不变，此时续流二极管D2正向导通，正电荷从续流二极管D2的正极上移到负极，为电感L继续提供电流，由于此时电感L与续流二极管D2的连接点出现大约负1V的电压，电感L和滤波储能电容C2的连接点处于300V电压，故电感L在反向电压的控制下，其电流逐渐减小。
其中，滤波储能电容C2与电感L构成低通滤波器结构，将N沟道MOSFET管导通和截止状态下产生的PWM(脉宽调制波)中的交流成分滤除，保留其直流成分，由于本发明中的PWM的占空比为50％，故输出电压变为600V的一半为300V，滤波储能电容C2根据具体的DC-DC变换功率在47uF-680uF范围之间选取。
其中，IC与电感L间的反馈电路，可实时检测DC-DC模块接入处e点的电压波动，细微调节IC输出波形的占空比，从而控制输出稳定电压300V。
由Pin＝Po/η，Iin＝Pin/300v可知，当PO＝300W，η＝80％时，Ie＝1.25A，If＝0.625A(其中，η为DC-DC模块的转换效率，Pin为输入功率300V一端，PO为输出功率5V一端，由前公式可知，流经300V一端e点的电流Ie＝Iin＝1.25A，再由此推得600V输入端流经的电流，If＝0.625A)由此可知，非隔离的Buck变换结构，由于电流很小，可以提高开关频率到100KHZ附近，甚至更高，因此可以采用低成本的小体积电感L。
综上所述，本发明实施例提供了一种LED显示屏集中供电系统，通过本发明提供的供电系统实现了在保证供电安全的前提下，降低了LED显示屏供电的施工难度和成本、提升了整屏效率、提高了产品竞争力，不断满足了现代LED显示屏的高端显示需求；并且在显示屏内，PFC模块的集中安置也便于维护、安装。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种LED显示屏集中供电系统，其特征在于，所述系统包括：三相端、PFC模组、第一端点和第二端点、HV DC-DC模块；
所述三相端为所述PFC模组提供AC380V的供电；所述PFC模组将AC380V的供电转换为所述第一端点和所述第二端点两端的DC600V高压并输出；所述HV DC-DC模块接收所述第一端点和所述第二端点两端的DC600V高压，并将所述DC600V高压转换为DC5V电压输出。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述PFC模组由X个PFC模块相互并联而成，其中，X为PFC模块的数量，X的取值为大于等于1的正整数。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述PFC模组是由全数字的PFC模块构成，每一个PFC模块的初始工作相位由模块之间的控制总线提供，并自动分配，每一个PFC模块的每一路BOOST结构，开关周期相同，再自动获取各自的初始相位。
4.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，所述PFC模块包括：四相输入端、第一交流接触器、EMI电路、整流桥、电感、至少一个二极管、第二交流接触器、滤波电容、第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号、第四控制信号、FPGA、至少一个驱动电路和至少一个N沟道MOSFET管；
所述四相输入端和所述第一交流接触器的一端相连、所述第一交流接触器的另一端和所述EMI电路的一端相连、所述EMI电路的另一端和所述整流桥的一端相连、所述整流桥的另一端和所述电感的一端相连、所述电感的另一端分别和所述二极管的一端相连、所述N沟道MOSFET管的漏极相连；所述N沟道MOSFET管的源极接地；所述二极管的另一端分别接所述第二交流接触器和所述滤波电容；所述第二交流接触器的正相输出端和负相输出端输出600V电压；所述FPGA通过所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号、所述第四控制信号分别和控制总线相连；所述驱动电路获取所述FPGA中的控制信息，控制所述N沟道MOSFET管的导通和截止。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述HV DC-DC模块采用二级母线结构，先将DC600V高压降到DC300V，再经过一个DC-DC模块将DC300V降到DC5V低压输出。
6.根据权利要求1或5所述的系统，其特征在于，所述HV DC-DC模块包括：IC、N沟道MOSFET管、续流二极管、电感、滤波储能电容和DC-DC模块；
所述N沟道MOSFET管的漏极接DC600V高压，所述N沟道MOSFET管的栅极接IC的一端、所述N沟道MOSFET管的源极分别和所述续流二极管的一端、所述电感的一端相连；所述续流二极管的另一端接地；所述电感的另一端和IC的另一端、所述滤波储能电容的一端、所述DC-DC模块的一端相连；所述滤波储能电容的另一端接地、所述DC-DC模块的另一端输出5V电压。
7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述PFC模块还包括：第一预留信号和第二预留信号。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述续流二极管为反向耐压值1000V，正向电流在3A以上的快速恢复二极管。
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