CN102696163B - 具有对称的电流通路的冗余模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在一个冗余电源中对短路电流进行去耦的冗余模块。该冗余模块在此包括至少两个电源单元，其中输入端的数量至少与电源单元的数量一致。这些输入端分别经由一个分开的电流通路引导到一个用于提供一个输出电流的输出端的共同的电流节点上。每个电流通路形成一个去耦线路，其中为每个去耦线路配备至少一个用于测量输入电压、输入电流和/或输入功率的测量元件以及一个用于调节的控制元件。

Description

具有对称的电流通路的冗余模块
技术领域
本发明涉及一种用于在一个冗余电源中对短路电流进行去耦的冗余模块。
背景技术
在关于可用性和可靠性对其提出高要求的电气设备、机器和机具中，通过冗余电源提供例如用于控制和安全相关的功能。这种冗余例如通过至少两个耦合的电源单元确保，它们在并联运行中为相应的装置供电。在此，这样测量各个电源单元的输出功率，以致至少在其中一个电源单元故障时通过剩余的电源单元继续提供所需要的电功率。
并联连接的电源单元在输出侧引导到一个共同的电流节点，总的提供的电功率从该电流节点出发被分布到一个设备、一个机器或一个机具的相应的耗能器。为了使该共同的电流节点在其中一个电源单元中出现输出侧短路时可以不通过造成的短路电流加载，这种输出侧的短路可能由于在该电源单元中的一个缺陷而出现，那么对于这种情况需要将各电源单元相互去耦。通常，为此使用一些所谓的冗余模块，这些冗余模块为每个并联接通的电源单元提供一个分开的输入端，其中每个输入端经由一个去耦二极管引导到一个共同的输出端。一个这样的也作为O-环形电路已知的电路将一个短路的电源单元与在冗余模块的输出端的共同的电流节点去耦，所有的并联电源单元在正常运行中将其输出电流供给到该冗余模块。如果例如一个电源单元的输出电压在短路情况下下降到零电位，那么在所属的输入端和在冗余模块的输出端的电流节点之间产生一个负的电压降，从而去耦二极管关断可能的短路电流。
为了使去耦二极管在正常运行中浪费尽可能小的功率损耗，在一个冗余模块中通常使用肖特基二极管，它们的突出之处在于大约400mV大小的小的导通电压。已知相应的冗余模块以所谓的O-环形二极管的形式也作为集成构件。
在已知的冗余模块中不利的是，各并联运行的冗余电源单元在给共同的电流节点供电时被不均匀地强烈加载，由此缩短了各个电源单元的寿命。已知的冗余模块的另一个缺点在于，不能监控去耦二极管的功能作用和冗余的存在。
发明内容
本发明的任务在于提供一种具有至少两个电源单元的冗余电源，利用该冗余电源显著提高设备、机器或机具的可用性并且利用该冗余电源特别是避免了上述的缺点。
为了解决该任务，本发明建议了一种用于在一个具有至少两个电源单元的冗余电源中对短路电流进行去耦的冗余模块。
所述冗余模块具有若干输入端，输入端的数量至少与电源单元的数量一致，其中这些输入端分别经由一个分开的电流通路引导到一个用于提供一个输出电流的输出端的共同的电流节点上，并且每个电流通路都形成一个去耦线路。为每个去耦线路配备至少一个用于测量输入电压、输入电流和/或输入功率的测量元件以及一个用于调节的控制元件。
一种这样的冗余模块能够有利地调节每个去耦线路的通路电流和电压降。
测量元件和控制元件可以与一个控制和调节装置连接，所述控制和调节装置构成为调节电流、电压和/或功率。
利用本发明，提供了一种具有主动(aktiven)去耦线路的冗余模块，利用这些去耦线路，通过在相应数量的输入端之间的电流通路到达在冗余模块的输出端的共同电流节点的电流是可调节的，从而在冗余模块的输出端的总电流对称地按相同大小的通路电流进行分配或可分配成不同的预先确定的通路电流。
所述控制和调节装置可以例如在一个微控器中实现，该微控器包括用于控制控制元件和用于检测测量值的数字-模拟转换器。
所述控制和调节装置可以构成为将输出电流对称地分配到各电流通路上或分配成具有确定的比例的电流。
所述控制元件可以包括一个MOSFET并且测量元件包括一个测量电阻，其中，MOSFET和测量电阻在去耦线路的电流通路中形成一种串联连接。
在一个与在一个去耦线路中的一个MOSFET形成串联连接的测量电阻上，一个去耦线路的流过电流通路的电流经由电压降是可确定的，该电压降用作电流调节的参数。通过一种这样的电流测量可以在电流通路中有利地使用一个低欧姆测量电阻作为测量元件，从而在去耦线路中浪费的功率损耗是小的。
备选于一个欧姆的测量电阻，也可以使用一个与MOSFET串联连接的二极管，用于检测去耦线路中的通路电流。同样，一种感应的电流测量也是可能的。
在本发明的范围中也可以检测在相应控制元件的输出端的电压来代替电流测量，从而该控制元件电压调节地可控制。
原则上，也考虑将其他的可控的半导体构件例如IGBT或双极晶体管作为控制元件。
在该冗余模块中，可以在每个去耦线路的MOSFET并联连接一个二极管，以便对晶体管进行过电流保护，该过电流可能例如通过在冗余模块的输出端的短路引起。
优选的是，可以为每个去耦线路的测量元件配备一个测量放大器。利用该测量放大器可以检测在测量电阻上的最小的电压差并且将其用于为控制和调节装置。这能够实现在一个去耦路段中为进一步减小功率损耗而使用极其低欧姆的测量电阻。
去耦线路可以附加地包括用于监控温度和输入电压的测量元件，所述测量元件与调节装置连接。因此，各去耦线路通过控制和调节装置是可监控的。
冗余模块通过其调节装置构成为在每个去耦线路的输入端检测在电源单元中的故障或短路并且通过将在相应的电流通路中的晶体管关断的方式切断所涉及的电流通路。
利用本发明，通过对输入侧短路的一种这样的主动去耦，可以省去在相应电流通路中的去耦二极管。
自然，此外可以设置一种经由一个肖特基二极管的短路电流去耦来代替主动去耦。
一个冗余模块的控制和调节装置可以包括若干数字和/或模拟接口，这些接口构成为用于诊断、编程和参数化以及用于与一个设备、机器或机具的另一控制和调节装置进行通信。
因此，例如各个冗余的电源单元的故障或一个去耦线路的恐怖的热过载可以被信号化，从而一个设备、机器或机具需要时可以被转到一种安全状态。
一上冗余模块可以将至少一个第二冗余模块并联连接到输出端，其中所述并联连接的冗余模块构成为相互通信并且提供一种用于对称地或确定地将电流分布到所有的去耦线路上的共同的调节。
因此，本发明能够通过到一个共同的母线或供电线路实现一种分散的、冗余设计的馈电，其中通过控制和调节装置的通信，将电流或功率对称地分布到所有的电源单元上是可能的。这特别在附加的电源单元的改进时是有利的。
此外，本发明还包括一种用于提供一个具有至少两个电源单元和一个依据本发明的冗余模块的冗余电源的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)检测施加在各去耦线路上的输入电压；
(b)将在其上没有施加电压的去耦线路中的控制元件去活；
(c)确定在哪个去耦线路上在输入端施加了最小的正输入电压；
(d)将在其上提供最小的正输入电压的去耦线路的电流通路中的控制元件调整到一个最小的电阻值；
(e)检测在所有去耦线路中的通路电流、电压和/或功率的测量值；
(f)调节所述至少一个另外的去耦线路的控制元件，其中通过在其上施加最小输入电压的去耦线路的测量值预先设定作为用于相应调节的额定值。
可以根据流过去耦线路的电流调节控制元件。
由总电流得出用于通过每个被调节的电流通路的电流的绝对值，该总电流通过输出端流向所连接的负载。
在其上确定最小输入电压的去耦线路的电流通路不被调节，从而可以输入相应的通路电流作为参考量，用于所述至少一个另外的电流通路的每次调节的额定值。
备选的是，根据控制元件的输出电压调节控制元件。
利用该方法，可以在冗余模块的各输入端连续地监控各输入电压，从而在一个电源单元故障或短路时，切断配备的去耦线路。因此，这可以从调节得出，从而该设备、机器或机具通过在调节中剩余的电源单元维持供电。
附图说明
下面借助一种示例性的实施形式参照附图对本发明进行详细说明。在附图中：
图1一个具有两个带有可变电阻的去耦线路的冗余模块的工作方式；
图2一个具有两个并联连接的去耦线路的冗余模块的第一种实施形式，两个去耦线路分别包含一个去耦二极管和一个可控的或可调节的MOSFET；
图3一个具有两个去耦线路的冗余模块的第二种实施形式，其中分别有一个二极管与MOSFET并联连接；
图4一个具有两个去耦线路的冗余模块的第三种优选实施形式，该两个去耦线路带有可控的或可调节的MOSFET并且不带有串联连接的去耦二极管。
图5一个具有两个并联工作的去耦线路以及一个控制和调节单元的完整的冗余模块。
具体实施方式
借助图1可以阐明一个具有两个去耦线路的冗余模块的工作方式。两个在图中未示出的电源单元在次级侧与冗余模块的输入端IN1和IN2连接并且在电流通路的输入端提供电压U1和U2。一个同样在图中未示出的要通过冗余模块供电的负载可连接在电路的输出端OUT上。该输出端形成一个用于所有去耦线路的电流通路的输出端的共同的电流节点。参考电位GND与各电源单元的各相应的连接端连接。
二极管D1和D2是去耦二极管，这些去耦二极管在一个输入端短路时应当阻止从冗余模块的输出端OUT到短路的输入端的反向电流。
可变电阻R1和R2示例地表示调节回路的控制元件，利用这些控制元件可以调节在供电的各电源单元的各电流通路之间的电流平衡。分别经由一个测量电阻R1和R2测量各通路电流。
为了调节电流平衡，将在第一电流通路中的可变电阻调整到最小的电阻值，该第一电流通路也就是在其输入端施加较小的输入电压的电流通路。在第二电流通路中的可变电阻是一种调节的主动控制元件、利用电流平衡进行调节，该第二电流通路也就是两个所示的电流通路中的另一个。两个电流通路的测量电流被输送给一个调节装置，其中，具有较小输入电压的通路的电流形成用于调节第二电流通路的额定值。
根据由在第一和第二通路电流之间的差得出的调节误差，改变在第二电流通路中的主动的可变电阻的值，直到两个电流互相匹配。通过该调节过程始终影响两个通路电流，因为两个通路电流的总和由通过电路的输出端的总电流得出，该总电流由连接的负载预先给定并且至少部分地在时间上是恒定的。
本发明还能够实现三个或更多个电源单元的并联运行，其中总是将具有最小输出电压的电源单元与之连接的去耦线路的通路电流确定为用于另外的电流通路的调节回路的额定值。因为通过在输出端的负载的预先确定所有通路电流的总和，所以所有具有对称的电流负荷的电流通路相互平衡。
在图2中示出了两个并联去耦线路的第一种实施形式。二极管D1和D2优选构成为肖特基二极管，其突出之处在于大约400mV的小的导通电压继而相对于硅二极管在电流通路中引起较小的功率损耗。可变电阻表示为MOS晶体管T1和T2，它们在线性运行中工作。利用一个按照显示出的电路，可以补偿在连接的各电源单元的输出电压方面的大的差别。
图3示出了一个具有两个并联连接的去耦线路的冗余模块的另一种实施形式。晶体管T1和T2相对于在图2中的图示分别附加地具有一个并联连接的二极管D11和D21。这些二极管用于过电流保护，例如对于在冗余模块的输出端短路的情况。一旦在MOSFET的漏极和源极之间下降的电压超过一个相应二极管的导通电压，那么这些二极管可以接纳通路电流并且保护晶体管不被击穿。优选的是，使用肖特基二极管用于二极管D11和D21。在这种情况下，在各电源单元中的电压差可以通过调节通路电流被补偿直到400mV。
在图4中示出了两个并联连接的用于一个具有对称可调节的通路电流的冗余模块的去耦线路的一种特别优选的实施形式。在一个依据本发明的冗余模块上的特别的优点在于，理论上可以省去传统冗余模块的去耦二极管。如同此外要描述的那样，一个依据本发明的冗余模块的控制和调节装置设有能够监控各输入电压的装置。当例如在其中一个电源单元中引起输入侧短路时，利用相应的晶体管将配备的电流通路切断，从而输出电流从电流节点的回流被主动地抑制。与MOSFET并联连接的二极管D12和D21能够在调节装置和/或晶体管故障的情况下实现冗余模块的应急运行。
图5示出了一个具有两个并联工作的去耦线路和一个与这些模块保持连接的控制和调节装置的完整的冗余模块。该调节装置例如通过一个微控器组件和所属的外围设备实现，并且除了用于电流通路的电流调节之外还提供大量的输入/输出接口。这些外围设备包括例如用于诊断目的和用于显示运行方式、警告、报警和错误的发光二极管LED、一些例如用于调整一种运行方式的操作元件CNT或一些数字输出端DO，它们用一些继电器触点或一些电子驱动器实现。冗余模块经由接口COMM可以与设备、机具或机器的上一级控制器进行通信。
去耦线路基本上与在图4中已描述的去耦线路一致并且分别包括一个带有并联连接的肖特基二极管D11或D21的MOSFETT1或T2和一个串联连接的低欧姆测量电阻。每个去耦线路配备有一个温度传感器，利用这些温度传感器出于诊断目的可以监控MOSFET。为了放大测量的电压差，测量电阻具有一个并联连接的测量放大器OP1或OP2，所述电压差与通过电阻的相应的通路电流成线性关系。
在输入侧在每个去耦线路上设置一个分压抽头，利用该分压抽头，由调节装置的微控器可检测每个电流通路的输入电压。
冗余模块的输入端和输出端可选地可以与一个包含例如抗干扰滤波器和/或过电压滤波器的保护电路RPOT接线。电流通路的晶体管同样可以与这类保护电路接线。
需要两个输入电压U1和U2，用于初始化用于对称地将电流分布到两个冗余的电源单元上的调节。为此，首先在冗余模块的输入端量取由电源单元提供的电压并将其输送给调节装置。
利用电压U1和U2可以通过调节装置检查连接的电源单元的功能作用。一旦其中一个电压下降到参考电位或至少低于一个确定的阈值，那么可以将在相应的电流通路中配备的晶体管关断。调节装置不把该电流通路评价为具有最小输入电压的通路。通过具有最小有效输入电压的电流通路提供用于调节的参考量。如果仅还有一个电流通路引导总电流，那么切断所有具有故障的输入电压的电流通路并且将引导电流的通路的控制元件调整到一个最小的电阻值。

Claims (14)

1.用于在一个冗余电源中对短路电流进行去耦的冗余模块，所述冗余模块具有：
至少两个电源单元；
若干输入端，输入端的数量至少与电源单元的数量一致；和
一个控制装置，其中
这些输入端分别经由一个分开的电流通路引导到一个用于提供一个输出电流的输出端的共同的电流节点上，
每个电流通路都形成一个去耦线路，其中为每个去耦线路配备至少一个用于测量输入电压、流过电流通路的通路电流和/或输入功率的测量元件以及一个具有一个MOSFET的控制元件，并且
控制装置与每个电流通路的MOSFET连接，用以将具有最小的正输入电压的电流通路的MOSFET调整到一个最小的电阻值，这样所述控制装置将输出电流对称地分配到各电流通路上或分配成具有确定的比例的通路电流。
2.根据权利要求1所述的冗余模块，其特征在于，还具有一个控制装置，所述控制装置构成为控制电流、电压和/或功率并且与所述测量元件和控制元件连接。
3.根据权利要求1所述的冗余模块，其特征在于，所述控制元件包括一个MOSFET并且测量元件包括一个测量电阻，其中，MOSFET和测量电阻在去耦线路的电流通路中形成一种串联连接。
4.根据权利要求3所述的冗余模块，其特征在于，在每个去耦线路的MOSFET上并联连接一个二极管。
5.根据权利要求1所述的冗余模块，其特征在于，为每个去耦线路的测量元件配备一个测量放大器。
6.根据权利要求1所述的冗余模块，其特征在于，每个去耦线路包括一个与相应的控制元件和测量元件串联连接的去耦二极管。
7.根据权利要求2所述的冗余模块，其特征在于，所述去耦线路包括一些与控制装置连接的用于监控温度的测量元件。
8.根据权利要求2所述的冗余模块，其特征在于，所述控制装置构成为在去耦线路的输入端检测在各电源单元中的故障或短路并且切断所涉及的电流通路。
9.根据权利要求2所述的冗余模块，其特征在于，所述控制装置包括若干数字和/或模拟接口，这些接口构成为用于诊断、编程和参数化以及用于与一个设备、机器或机具的另一控制装置进行通信。
10.根据权利要求1所述的冗余模块，其特征在于，至少一个第二冗余模块与输出端并联连接，其中所述并联连接的至少一个第二冗余模块和所述冗余模块构成为相互通信并且提供一种共同的控制，所述共同的控制构成为将输出电流对称地分配到所有去耦线路上或将输出电流分配成具有确定的比例的通路电流。
11.用于提供一个具有至少两个电源单元和一个依据权利要求1至10之一所述的冗余模块的冗余电源的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)检测施加在各去耦线路上的输入电压；
(b)将在其上没有施加输入电压的去耦线路中的控制元件去活；
(c)将在其上提供最小的正输入电压的去耦线路中的控制元件调整到一个最小的电阻值；
(d)检测在所有去耦线路中的电流、输入电压和/或功率的测量值；
(e)控制至少一个另外的去耦线路的控制元件，其中通过在其上施加最小输入电压的去耦线路的测量值预先设定作为用于控制的额定值。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，根据流过去耦线路的电流来对控制元件进行控制。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，根据控制元件的输出电压来对控制元件进行控制。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在冗余模块的各输入端连续地监控输入电压，从而在一个电源单元故障或短路时切断通过配备的去耦线路的电流。
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