CN102075072B - 交错并联高稳定度模块化直流稳流电源系统及其交错并联方法 - Google Patents

Abstract

一种交错并联高稳定度模块化直流稳流电源系统，属电力行业变流技术领域，将传统的用于电压型电源系统的冗余技术应用于电流型电源系统，将传统的交错并联技术经改良后应用于电流型电源系统，采用带自校验的同步技术，可以保证系统各模块的准确收发，亦可将系统传输延时对同步信号的影响减小到最低水平，确保系统各模块均能收到同步信号，真正实现系统的交错并联。达到在多个电源模块并联运行时，输出总电流能达到千分位精度效果，减小滤波器件的体积，提高了系统的瞬态响应特性。

Description

交错并联高稳定度模块化直流稳流电源系统及其交错并联方法

技术领域

本发明涉及一种交错并联高稳定度模块化直流稳流电源系统，属电力行业变流技术领域。 

背景技术

开关电源以其众多显著的优点正被越来越多的应用于国民生产的各个领域，程控交换机、通讯、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，这更加促进了开关电源技术的迅速发展。稳流电源作为开关电源的一种，也是电器设备常备电源，电子检测设备的稳流电源对可靠性、稳定度、电源效率的要求很高，同时也要求输出电流纹波尽可能的小，由于电路集成度越来越高，通讯系统的规模越来越大，致使单台电源向系统供电往往不能满足要求，需要多台电源并联工作，另一方面，模块电源技术的迅速发展也为电源并联供电提供了可能条件。 

由于大功率负载的需要和模块化电源系统的发展，模块化电源的并联技术则显得尤为重要，采用多个电源模块并联供电，不但可以提供所需电流，而且还可以实现完全稳定可靠的冗余电源结构，提高了系统的稳定性，可谓一举多得，同时，对于并联型电流源系统，针对各模块的匀流技术也日渐成熟，比如民主母线均流恒流法、下垂法、主从电源法、自动均流法和最大电流法及外部控制器法等，目前使用较多的并联均流技术是主从控制法；对于输出电流达到2000安以上恒流源，单个模块也可以达到千分位精度，开关电源效率也公开有提升较高的专利，中国实用新型专利《一种基于低功耗MCU的数字程控大功率恒流源装置》（申请号：200920108069.0 申请日：2009-05-22）即是将实际输出的电流经精密电阻采样反馈，实现闭环控制，控制算法为单神经元PID算法，能达到2安培千分位精度的直流电流输出；实用新型专利《一种大功率开关电源》（申请号：200920235888.1 申请日：2009-10-10）公开的是采用MOS管同步整流，MOS管多组交错并联实现整流，开关电源的效率由85%提高到了93%。然而，当多个电源模块并联运行时，若要求输出总电流也达到千分位精度时，则需要采取特有的方法，在现有专利中，并末检索到该方面内容。 

电压源型并联系统结构如附图1所示，该并联供电系统包括至少2个电源模块、输入及输出母线、监控模块及信号电缆，监控模块通过信号电缆负责整个电源系统的运行控制，各电源模块具有独立的抽屉式结构，可实现系统冗余运行，此种结构也未见用于电流型电源系统。 

对于参加并联运行的各电源模块单元，可采用同步运行或交错运行控制方法，由于同步运行系统总的输出电流纹波是各模块输出电流纹波同步叠加，不利于滤波，因此并联系统较多的采用交错运行方式，电路中的各单元功率开关器件按照时序方式工作，驱动信号频率一致，相角相互错开而交替导通，具有抑制输出电流纹波、降低输出滤波器容量和扩大系统功率输出优点，但传统的同步技术中，各模块工作在一种开环接收同步信号状态，没有检测系统各模块是否接收到此同步信号或同步信号在传输过程中的延时装置，因此不能确保系统各模块接收到交错互连信号的延时相角的精确性和信号的完整性。 

发明内容

本发明的目的是针对背景技术所提出的问题，提供一种交错并联高稳定度模块化直流电源系统，将传统的用于电压型电源系统的冗余技术应用于电流型电源系统，将传统的交错并联技术经改良后也应用于电流型电源系统，采用带自校验的同步技术，可以保证系统各模块的准确收发，亦可将系统传输延时对同步信号的影响减小到最低水平，确保系统各模块均能收到同步信号，真正实现系统的交错并联。达到在多个电源模块并联运行时，输出总电流能达到千分位精度效果，减小滤波器件的体积，提高了系统的瞬态响应特性。 

本发明的技术方案是：交错并联高稳定度模块化直流稳流电源系统，包括输入母线、至少二个电流源模块、信号电缆、同步线及输出母线，和主机；各模块输入母线及输出母线均为并联连接，信号电缆连接在主控计算机与各电流源模块之间；其特征在于：任意指定一个电流源模块为主控模块，所述主控模块与相邻另一模块间有单向传输同步信号的同步线相连接，所述相邻模块又有单向传输同步信号的同步线接至下一模块，直至最后一个模块，所述的最后一个模块还有向主控模块单向传输同步信号的同步线。其有益效果是：本系统实现了应用于电源系统的自校验同步技术，同步信号由主控模逐级经过传输回路最后回到主控模块的闭环模式，可以保证系统各模块的准确收发，亦可将系统传输延时对同步信号的影响减小到最低水平。 

如上所述的交错并联高稳定度模块化直流稳流电源系统，其特征在于：本系统实现了两次交错并联，一次是在系统的层面，一次是在各模块的层面，其工作原理是：主控模块先向各电流源模块发出同步信号，各电流源模块以此为基准，产生各自模块内的交错互联基准信号，最后各模块产生驱动模块内部功率器件的交错互联信号，系统内所有模块工作在相同的频率下，各模块的开关控制信号彼此交错。其有益效果是：系统输出纹波的幅值有很大的减小，同时输出纹波频率也提高为单个模块纹波频率与模块个数的乘积。 

本发明的有益效果是： 

（1）本系统实现了应用于电流型电源系统的并联技术，减小了功率开关器件的电应力和热应力，有利于器件的选择，使得整个系统的可靠性也随之增加；

（2）本系统实现了应用于电源系统的自校验同步技术，传统同步技术只管发送，并不关心系统各模块是否接收到此同步信号，亦不关心同步信号在传输过程中的延时，因此不能保障系统各模块接收到交错互连信号的延时相角的精确性和信号的完整性。而本系统是带自校验的同步技术，同步信号经过传输回路最后回到主控模块的闭环模式，可以保证系统各模块的准确收发，亦可将系统传输延时对同步信号的影响减小到最低水平，确保系统各模块均能收到同步信号，真正实现系统的交错并联；

（3）本系统实现了应用于电流型电源系统的交错并联技术，系统输出电流纹波频率为单模块输出的频率与并联个数的乘积，可以极大地降低滤波器和磁性元件的要求，从而提高了整个交错并联电源系统的功率密度，且输出电流纹波频率的增加可减小滤波器件的体积，同时滤波器容量的减小可以提高系统的瞬态响应特性；

（4）本系统实现了应用于电流型电源系统的交错并联技术，通过合理的滤波设计可以使系统输出电流纹波幅值接近于零，甚至为零，实现零纹波输出；

（5）本系统实现了电流型电源系统的模块化设计，模块化便于系统的改变和结构调整，只需设计标准模块，节约系统升级的时间。

附图说明

附图1为传统电压型并联系统结构图； 

附图2为本发明实施例交错并联高稳定度模块化直流稳流电源系统结构图；

附图3为并联系统各模块在系统中的每一模块的交错互联基准信号都相位，系统输出电流示意图；

附图4为系统中的每一模块的交错互联基准信号相互独立，但频率相同时的输出电流示意图；

附图5为本发明实施例交错并联高稳定度模块化直流稳流电源系统输出电流示意图。

附图6为本发明实施中第X个模块产生本模块交错并联基准信号过程示意图。

具体实施方式

附图中的标记： 

附图1中，101—输入母线、102一输出母线、103一信号电缆；

附图2中，201—输入母线、202—输出母线、203—信号电缆、204—同步线。

以下结合附图对本发明实施例进一步说明： 

如附图2为本发明实施例交错并联高稳定度模块化直流稳流电源系统结构图，包括输入母线201、N个并联电流源模块、信号电缆203、同步线204及输出母线202，其工作过程如下：

（1）首先任意选择一个电流源模块作为系统的主控模块（图中选择电流源模块1为主控模块），输入母线201的一端连接输入外电源，其另一端与各电流源模块的输入端连接，输出母线202是各电流源模块并联后的输出功率通路，其一端分别与各电流源模块的输出端相连，另一端连接负载，控制系统运行的主控计算机通过信号电缆203与各电流源模块连接，实现主控计算机与各电流源模块之间的信号采集、通信与控制。由主控模块产生的同步信号只能通过同步线204单向传输，即主控模块将产生的同步信号发送给电流源模块2；电流源模块2将接收到的同步信号转发给电流源模块3；电流源模块3再将接收到的同步信号转发给电流源模块4；……直至电流源模块N将接收到的同步信号转发回主控模块。主控模块将接收和发送的同步信号做对比，作出以下判定：

（2）如果主控模块没有接收到第N个电流源模块发送回来的同步信号，则主控模块判断直流稳流电源系统内有模块未收到同步信号，系统并未处于交错并联的运行状态，系统报错；

（3）如果主控模块接收与发送的同步信号同步，则无须向各模块发送同步信号延时信息；

（4）如果主控模块接收与发送的同步信号发生延时误差，则将该延时按各模块接收同步信号的先后次序，通过信号电缆203分配给除主控模块外的其他模块，分配方法如：延时为t，除主控模块外系统并联模块数为（N-1），设第X个收到同步信号的模块分配的系统延时为a， 则有：

a=t*X/(N-1)。

经上述判定之后，各模块依据由同步线204收到的同步信号以及由信号电缆203收到的系统传输延时信号，得出各模块内部实现交错并联的基准信号。 

并联供电系统中，合理设计各个模块的工作时钟，可以获取更加优良的纹波特性和响应性能。如果系统中的每一模块时钟都同步，则系统输出电流的纹波是每一模块输出纹波叠加之和，如图3所示。如果系统中的每一模块时钟相互独立，并认为时钟频率不完全相同，则系统输出电流的纹波是每一模块输出电流纹波随机相消，如图3所示。而本系统采用的是方法是让所有模块工作在相同的频率下，各个模块的开关控制信号彼此交错，这样可以最大限度的降低输出电流纹波幅值，同时输出纹波频率也提高为单模块的N倍，如图3所示。 

进一步地，得到第X个模块产生的交错并联基准信号需要在主控计算机发出的同步信号基础上总延时为(a+b)： 

a+b=t*X/（N-1)+X*T/（N-1)

其中，t为同步信号经由整个电源系统后的延时；

X为除主机外同步信号经过的第X个模块；

（N-1）为除主控模块之外直流稳流系统电源模块数目；

T为同步信号的周期。

最后，各模块再根据总延时后的基准信号，产生控制本模块内功率开关管的驱动信号，如图6所示。 

依据本发明并联直流电流源稳流调节方式，多台并联后，其输入输出指标如下： 

单台可达0～2500A，额定输入电压 三相：380V±15%/50Hz；

额定输入电流：50A；

额定容量：30kVA；

输出电流/电压：2500A/12V  电流值均可从0～额定值连续可调；

电流调节精度：步距5A、调角度<0.1%，稳定度<1‰。

需要指出的是，以上仅为本发明的实施例，并不用于限制本发明，因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。 

Claims (2)

1.交错并联高稳定度模块化直流稳流电源系统，包括输入母线、至少二个电流源模块、信号电缆、同步线及输出母线，和主机；各模块输入母线及输出母线均为并联连接，信号电缆连接在主机与各电流源模块之间；其特征在于：任意指定一个电流源模块为主控模块，所述主控模块与相邻另一模块间有单向传输同步信号的同步线相连接，所述相邻模块又有单向传输同步信号的同步线接至下一模块，直至最后一个模块，所述最后一个模块还有向所述主控模块单向传输同步信号的同步线。

2.如权利要求1所述的交错并联高稳定度模块化直流稳流电源系统，其特征在于：本系统实现了两次交错并联，一次是在系统的层面，一次是在各模块的层面，其工作原理是：主控模块先向各电流源模块发出同步信号，各电流源模块以此为基准，产生各自模块内的交错互联基准信号，最后各模块产生驱动模块内部功率器件的交错互联信号，系统内所有模块工作在相同的频率下，各模块的开关控制信号彼此交错。

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