CN102130493B - 一种直流母线电压可调节的铁路信号电源模块的供电方法 - Google Patents

Abstract

一种直流母线电压可调节的铁路信号电源模块的供电方法，包括两级功率变换单元，分别为第一级AC/DC单元和第二级DC/DC单元，经过第二级DC/DC单元变换后的电压输出给负载，将交流电压Vin转换为较高的但电压可调的直流母线电压Vbus(X)，把能量存储在由电解电容组成的直流母线上，直流母线电压Vbus是输出功率、输出电流及其它反映开关电源模块负载特征的参数X的函数，在达到持续供电能力的技术指标的前提下减少对电解电容容量的要求，可以适当提高母线电压值可以显著减少对电解电容的需求；在非额定满载情况下降低母线电压值，降低开关电源模块内部器件的工作应力，减少损耗，提高效率和提高产品可靠性。

Description

一种直流母线电压可调节的铁路信号电源模块的供电方法

技术领域

本发明专利涉及一种应用于铁路领域，为铁路信号设备提供能量供应的电源设备，具体的说是电源供电的方法。

背景技术

按照铁标规定，直流输出开关电源模块的输人电源断电至直流输出电压下降到稳压精度下限值(0.97乘以额定输出电压)的时间不少于0.1秒。即要求电源模块具备一定的持续供电能力，当电源模块所在的电源系统的两路市电输入发生切换时，模块输出电压跌落不超过额定输出电压的3％。

这样的技术指标要求电源模块在输入断电期间具备足够的能量储备，但是这会导致电源模块的成本显著上升。

现有技术对比技术方案一：

如图1所示，电源系统输入的两路市电电压Vin1和Vin2经过两路切换开关K选择一路输入作为UPS的交流输入电压Vin给UPS供电；UPS具备蓄电池组作为备用能源；UPS的交流输出电压作为开关电源模块的交流输入电压Vin’给开关电源模块供电；开关电源模块的直流输出电压Vout给负载供电。

正常情况下，电源系统以市电电压Vin1给整个系统供电；当Vin1发生异常时，需要两路切换开关动作K，切换到市电电压Vin2给整个系统供电。

当两路切换开关K切换动作期间，可能会发生Vin瞬间断电，UPS转为蓄电池供电，UPS的输出电压Vin’不受影响，UPS的持续供电能力保证开关电源模块持续正常工作，开关电源模块的输出电压Vout不受影响，从而达到持续供电能力的技术指标，负载持续正常工作。

当两路切换开关K切换完成后，市电电压Vin2给整个系统供电，UPS重新转为市电供电。

该技术的缺点

尽管本技术方案完全能够达到上述持续供电能力的要求，但是有如下缺点：

(1)、由于UPS本身也是一种复杂的电子产品，当其串联到供电回路中时，从可靠性预计模型的观点上看，是一种串联结构，会导致整个供电回路的可靠性指标MTBF显著下降；

(2)、由于UPS的价格(含蓄电池组价格)较电源模块本身更高，最导致整个解决方案的成本显著上升，同时现场安装调试及后期维护的工作量也显著增加。

现有技术对比技术方案二：

如图2所示，电源系统输入的两路市电电压Vin1和Vin2经过两路切换开关K选择一路输入作为开关电源模块的交流输入电压Vin给开关电源模块供电；开关电源模块的直流输出电压Vout给负载供电，同时给蓄电池组供电。

正常情况下，电源系统以市电电压Vin1给整个系统供电；当Vin1发生异常时，需要两路切换开关动作K，切换到市电电压Vin2给整个系统供电。

当两路切换开关K切换动作期间，可能会发生Vin瞬间断电，开关电源模块由于不具备持续供电能力，输出电压可能会出现跌落甚至停止输出，但是由于开关电源模块后面跨接的蓄电池组具备持续供电能力，开关电源模块输出电压Vout(即蓄电池组端电压)不受影响，从而达到持续供电能力的技术指标，负载持续正常工作。

当两路切换开关K切换完成后，市电电压Vin2给整个系统供电，开关电源模块输出电压恢复正常。

该技术的缺点

尽管本技术方案完全能够达到上述持续供电能力的要求，但是有如下缺点：

(1)、由于蓄电池是一种使用寿命较短的器件，尤其是对蓄电池的管理和维护不到位时，蓄电池极化、容量下降甚至损坏等问题比较严重，需要定期更换，导致整个供电方案的可靠性指标MTBF显著下降；

(2)、由于蓄电池的价格较电源模块本身更高，最导致整个解决方案的成本显著上升，同时现场安装调试及后期维护的工作量也显著增加。

现有技术对比技术方案三：

如图3所示，通常直流输出开关电源模块采取两级功率变换结构。第一级功率变换，即AC/DC单元，将交流电压Vin转换为较高的且电压恒定的直流电压Vbus，把能量存储在由电解电容组成的直流母线上；第二级功率，即DC/DC单元，变换将较高的直流电压转换为输出直流电压Vout，为负载提供能量。显然，电解电容起到了能量储备的作用，电解电容的容量越大，则储备的能量越多，当容量足够大时，其能量储备量可以达到持续供电能力的技术指标。

电源系统输入的两路市电电压Vin1和Vin2经过两路切换开关K选择一路输入作为开关电源模块的交流输入电压Vin给开关电源模块供电；开关电源模块的直流输出电压Vout给负载供电。

正常情况下，电源系统以市电电压Vin1给整个系统供电；当Vin1发生异常时，需要两路切换开关动作K，切换到市电电压Vin2给整个系统供电。

当两路切换开关K切换动作期间，可能会发生Vin瞬间断电，由于跨接在开关电源模块内部直流母线上的大容量电解电容使开关电源模块具备了足够的持续供电能力，开关电源模块输出电压Vout跌落量很少，从而达到持续供电能力的技术指标，负载持续正常工作。

当两路切换开关K切换完成后，市电电压Vin2给整个系统供电，开关电源模块仍然维持正常输出电压。

该技术的缺点

尽管本技术方案完全能够达到上述持续供电能力的要求，但是有如下缺点：

(1)、由于能量储备量正比于电解电容的容量，所以需要很多电解电容并联扩容来增加总的能量储备量。但是，在电源模块中过多的电容会导致电源模块内部的电路布局难度增加，通风散热能力下降，甚至导致电源模块的可靠性和寿命下降。尤其是在高功率密度的电源模块产品中，单纯依靠增加电容的容量来满足上述技术指标基本不可能；

(2)、由于电解电容的价格较高，尤其是高额定电压大容量的电解电容，最导致整个解决方案的成本显著上升，同时现场安装调试及后期维护的工作量也显著增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种直流母线电压可调节的铁路信号电源模块的供电方法，旨在以低成本和高可靠性的方案达到持续供电能力的技术指标，即铁标规定的直流输出开关电源模块的输人电源断电至直流输出电压下降到稳压精度下限值的时间不少于0.1秒的技术指标。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。

一种直流母线电压可调节的铁路信号电源模块的供电方法，包括两级功率变换单元，分别为第一级AC/DC单元和第二级DC/DC单元，经过第二级DC/DC单元变换后的电压输出给负载，

将交流电压Vin转换为较高的但电压可调的直流母线电压Vbus(X)，把能量存储在由电解电容组成的直流母线上，直流母线电压Vbus是输出功率、输出电流及其它反映开关电源模块负载特征的参数X(输出功率、输出电流及其它)的函数，其判定方法是：

将交流电压Vin转换为较高的但电压可调的直流母线电压Vbus(X)(X)，之后检测输出功率、输出电流及其它反映开关电源模块负载特征的参数X的值并进行计算和判断，得到直流母线电压的实际设定值Vbus，

如果X＜Xm，则为轻载，直流母线电压Vbus(X)为设定值Va，Va为远小于额定电压Vc的低值；

如果Xn≥X之Xm，则为中载，直流母线电压Vbus(X)为设定值Vb，Va＜Vb；

如果X＞Xn，则为重载，直流母线电压Vbus(X)为额定电压Vc，Va＜Vb＜Vc；

Xn、Xm为系统内指定的数值。

空载时，开关电源模块输出输出电流I和输出功率P均等于0，直流母线电压(即电容电压)Vbus设定在一个较低的电压值上，例如380V。由于开关电源模块输出电流和输出功率为0(或者很小)，消耗直流母线存储能量的能力很低，完全可以达到持续供电能力的技术指标；

当负载持续增加时，根据开关电源模块输出输出电流I和输出功率P的值，按照一定的数学关系将直流母线电压(即电容电压)Vbus设定在一个较高的电压值上；

当负载增加到额定值时，直流母线电压(即电容电压)Vbus设定在可靠性允许的最高电压值上，例如420V。

本发明的有益效果是：

(1)、在达到持续供电能力的技术指标的前提下减少对电解电容容量的要求。

由电解电容组成的直流母线的储存能量的能力P与电解电容的容量C和电压Vbus有如下关系：P＝C*Udc2/2。在相同的储存能量的能力P前提下，适当提高电容电压Vbus可以显著降低对电容容量的要求。例如：电容电压Vbus上升10％，则电容容量的要求降低17.4％。如果将母线电压从380V上升为420V，则电容容量降低18.1％。

设开关电源模块额定输出功率P＝1800W，按照铁标要求持续供电时间T＝0.1s，且设DC/DC功率变换单元的效率η＝1，再根据DC/DC功率变换单元的电路原理，计算出维持持续供电的最低母线电压Vbus_min＝300V。设选用的单个电容容量为470微法，且设其容量误差系数为0.85。

显然，适当提高母线电压值可以显著减少对电解电容的需求。

(2)、在非额定满载情况下降低母线电压值，降低开关电源模块内部器件的工作应力，减少损耗，提高效率和提高产品可靠性。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是现有技术对比技术方案一的结构图。

图2是现有技术对比技术方案二的结构图。

图3是现有技术对比技术方案三的结构图。

图4是本发明所述的铁路信号电源模块的结构图。

具体实施方式

如图4所示，一种直流母线电压可调节的铁路信号电源模块的供电方法，包括两级功率变换单元，分别为第一级AC/DC单元和第二级DC/DC单元，经过第二级DC/DC单元变换后的电压输出给负载，

将交流电压Vin转换为较高的但电压可调的直流电压Vbus(X)，把能量存储在由电解电容组成的直流母线上，直流母线电压Vbus是输出功率、输出电流及其它反映开关电源模块负载特征的参数X(输出功率、输出电流及其它)的函数，其判定方法是：

将交流电压Vin转换为较高的但电压可调的直流电压Vbus(X)，之后检测反映开关电源模块负载特征的参数X的值并进行计算和判断，得到直流母线电压的实际设定值Vbus，

如果X＜Xm，则为轻载，直流电压Vbus为设定值Va，Va为远小于额定电压Vc的低值；

如果Xn≥X≥Xm，则为中载，直流电压Vbus为设定值Vb，Va＜Vb；

如果X＞Xn，则为重载，直流电压Vbus为额定电压Vc，Va＜Vb＜Vc；

Xn、Xm为系统内指定的数值。

空载时，开关电源模块输出输出电流I和输出功率P均等于0，直流母线电压(即电容电压)Vbus设定在一个较低的电压值上，例如380V。由于开关电源模块输出电流和输出功率为0(或者很小)，消耗直流母线存储能量的能力很低，完全可以达到持续供电能力的技术指标；

当负载持续增加时，根据开关电源模块输出输出电流I和输出功率P的值，按照一定的数学关系将直流母线电压(即电容电压)Vbus设定在一个较高的电压值上；

当负载增加到额定值时，直流母线电压(即电容电压)Vbus设定在可靠性允许的最高电压值上，例如420V。

本发明的有益效果是：

(1)、在达到持续供电能力的技术指标的前提下减少对电解电容容量的要求。

由电解电容组成的直流母线的储存能量的能力P与电解电容的容量C和电压Vbus有如下关系：P＝C*Udc2/2。在相同的储存能量的能力P前提下，适当提高电容电压Vbus可以显著降低对电容容量的要求。例如：电容电压Vbus上升10％，则电容容量的要求降低17.4％。如果将母线电压从380V上升为420V，则电容容量降低18.1％。

设开关电源模块额定输出功率P＝1800W，按照铁标要求持续供电时间T＝0.1s，且设DC/DC功率变换单元的效率η＝1，再根据DC/DC功率变换单元的电路原理，计算出维持持续供电的最低母线电压Vbus_min＝300V。设选用的单个电容容量为470微法，且设其容量误差系数为0.85。

则在不同母线电压值下可以得出下表：

显然，适当提高母线电压值可以显著减少对电解电容的需求。

(2)、在非额定满载情况下降低母线电压值，降低开关电源模块内部器件的工作应力，减少损耗，提高效率和提高产品可靠性。

下表为不同负载情况下为了达到持续供电能力的技术指标所需要的母线电压值：

可见，在不同负载情况下，母线电压可以显著下降，同时也能达到持续供电能力的技术指标。

由于开关电源模块输入功率因素校正功能的要求，同时为了保证开关电源模块在突加负载时有足够的维持输出电压稳定的能力，实际应用中母线电压值与输出功率的关系如下表：

Claims (1)

1.一种直流母线电压可调节的铁路信号电源模块的供电方法，包括两级功率变换单元，分别为第一级AC/DC单元和第二级DC/DC单元，经过第二级DC/DC单元变换后的电压输出给负载，

将交流电压Vin转换为较高的但电压可调的直流母线电压Vbus(X)，把能量存储在由电解电容组成的直流母线上，直流母线电压Vbus(X)是输出功率、输出电流及其它反映开关电源模块负载特征的参数X的函数，其判定方法是：

将交流电压Vin转换为较高的但电压可调的直流母线电压Vbus(X)，之后检测输出功率、输出电流及其它反映开关电源模块负载特征的参数X的值并进行计算和判断，得到直流母线电压Vbus(X)的实际设定值，

如果X＜Xm，则为轻载，直流母线电压Vbus(X)为设定值Va，Va为远小于额定电压Vc的低值；

如果Xn≥X≥Xm，则为中载，直流母线电压Vbus(X)为设定值Vb，Va＜Vb；

如果X＞Xn，则为重载，直流母线电压Vbus(X)为额定电压Vc，Va＜Vb＜Vc；

Xn、Xm为系统内指定的数值。

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