CN103368609A - 一种基于耦合电感的功率信号复合传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于耦合电感的功率信号复合传输系统，包括一直流总线和若干功率信号复合传输单元，功率信号复合传输单元的输入端或输出端通过传输电感与直流总线连接。本发明充分利用开关电源自身的特性，将DC-DC变换器在开关动作过程中所天然存在的纹波作为通信载波，通过在变换器中加入耦合电感，将DC-DC变换器中固有的储能电感上的稳定的开关纹波信号耦合至电路的输入端或输出端，从而传送至公共直流总线上，不受DC-DC拓扑形式限制，可以在不额外增加通信线路和调制电路的前提下，通过耦合的方式将稳定的开关信号送至直流总线，从而实现功率信号的复合传输，使变换器实现共享输入或输出直流总线的数据通信。
Description
技术领域
本发明属于电力电子通信技术领域，具体涉及一种基于耦合电感的功率信号复合传输系统。
背景技术
随着我国智能电网和新能源发电系统的不断发展，电力电子设备的应用越来越广泛，如智能抄表技术、新能源发电并网技术等，都属于电力电子领域的热门应用，鉴于此，电力电子设备的智能化水平也迫切地需要得到提高。对于广泛应用的由电力电子设备构成的分布式控制系统而言，要想更好地实现其功能，确保系统稳定、可靠、协调地工作，就必须实现系统的全面的智能化，这就要求各电力电子模块之间能够实现数据通信，实现信息的交互，监听其他模块的工作状态，同时发送相关的通信指令，从而实现系统高效协调地工作。
DC-DC变换技术是电力电子技术的一个重要组成部分，其基本实现原理是利用开关管的高频开关动作实现直流电压的升降，本质上来说相当于一个斩波器结构。高频的PWM信号驱动开关管动作，使开关管交替地导通和关断，由此可以得到一个和开关管开关动作同频率的方波电压，其平均值即为所要得到的直流电压。为了得到直流形式的电压，需要通过电感和电容对其进行滤波处理。因此，在传统DC-DC变换电路中，功率开关管和储能电感都是必要组成的。
在传统的电力电子电路中，开关管在固定频率的PWM驱动信号下完成电压的升降和电能形式的改变，不同的电力电子电路独立工作，无法实现信息的交互，因此也就无法实现互相的监听和智能化的控制。
为了提高电力电子设备的智能化水平，实现分布式系统中各个模块之间的信息交互，从而实现系统内部协调、高效地工作，传统的解决方案一般是采用两套独立的硬件电路，分别处理功率的变换和信号的传输。该方法需要额外铺设通信线路，同时需要一套完整的信号耦合、调制、解调设备，大大增加了系统的体积、功耗和成本，同时增加了系统的复杂程度，维护的难度和成本也大大提高。
目前热门的PLC（电力线载波通信）技术在传统的通信方案上做出了改进，采用一套独立的信号发生电路将通信信号调制到电力线上，功率和信号共用同一根直流总线进行传输。接收端再从电力线上提取并解调出信号，并根据其内容作出相应的应答和控制。PLC技术不需要额外铺设通信线路，将通信线路和功率线路合二为一，从而提高了整个系统的可靠性，相较于传统的解决办法，PLC技术在功耗和成本上有所降低，整个系统的复杂程度有所降低，相应的维护成本和难度也有所减小。但由于通信信号仍需要额外注入，因此该系统仍需要一套额外的用来产生信号并进行耦合、调制、解调的设备，因此仍然增加了系统的功耗、体积和成本。并且，由于在功率线上额外叠加了通信信号，功率总线上传输的能量不受控制。
公开号为CN102624427A的中国专利公开了一种新型的能量与信息同步传输系统，该系统可以实现在不外加通信线和调制设备的情况下实现挂接在同一输入直流总线上的多个Boost电路之间的数据通信。该方法利将Boost电路在开关动作过程中所必然产生的纹波作为通信信号，通过FSK（频移键控）调制方法将所需要传输的“0”、“1”数字信号加载到开关纹波当中。挂接在同一直流总线上的其他Boost变换器对直流总线上的电压纹波进行采样，并通过滤波、放大等环节，得到某一直流偏置和幅值的近似正弦信号，并将其送入控制芯片DSP中，通过采用DFT（离散傅里叶变换）对送入其中的信号进行频率的识别，从而解调出数字信号“0”和“1”，并根据相关的约定做出相应的应答和动作。该方法避免了额外铺设通信线路，将信号和能量在一根直流总线上同步传输。同时，由于通信信号为天然存在的开关纹波，因此不需要额外的信号的产生、耦合、调制设备，大大减小了设备的体功耗、体积和成本，降低了整个分布式控制系统电路的复杂程度，减小了维护的难度，同时降低了维护成本。然而该方法仅仅局限于在输入侧有储能电感的Boost电路的输入端进行能量与信息的同步传输，对于Boost电路的输出端以及其他DC-DC拓扑形式则无能为力，不具有普适性。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于耦合电感的功率信号复合传输系统，能够使DC-DC变换器实现共享输入或输出直流总线的数据通信。
一种基于耦合电感的功率信号复合传输系统，包括：一直流总线和若干功率信号复合传输单元，所述的功率信号复合传输单元的输入端或输出端通过传输电感与直流总线连接；
若功率信号复合传输单元的输入端通过传输电感与直流总线连接，则其输出端接负载；若功率信号复合传输单元的输出端通过传输电感与直流总线连接，则其输入端接直流源。
所述的功率信号复合传输单元包括：
DC-DC变换电路，用于将直流总线上的直流电经电压变换后输送给负载或将直流源输出的直流电经电压变换后注入直流总线，同时产生谐波信号至直流总线上；DC-DC变换电路的输入端和输出端对应为功率信号复合传输单元的输入端和输出端；
采样电路，用于采集DC-DC变换电路的输出电压和输出电流；
载波检测电路，用于从直流总线上接收其他功率信号复合传输单元产生的谐波信号，并对该谐波信号进行滤波放大后输出载波信号；
控制电路，用于对所述的载波信号或所述的输出电压和输出电流进行分析识别，进而根据识别结果构造产生开关控制信号；
驱动电路，用于对所述的开关控制信号进行功率放大，进而利用功率放大后的开关控制信号对DC-DC变换电路进行控制。
若功率信号复合传输单元的输入端通过传输电感与直流总线连接且该单元DC-DC变换电路中的储能电感位于输入侧，则所述的传输电感即为所述的储能电感；
若功率信号复合传输单元的输入端通过传输电感与直流总线连接且该单元DC-DC变换电路中的储能电感位于输出侧，则所述的传输电感与所述的储能电感耦合；
若功率信号复合传输单元的输出端通过传输电感与直流总线连接且该单元DC-DC变换电路中的储能电感位于输出侧，则所述的传输电感即为所述的储能电感；
若功率信号复合传输单元的输出端通过传输电感与直流总线连接且该单元DC-DC变换电路中的储能电感位于输入侧，则所述的传输电感与所述的储能电感耦合。
所述的DC-DC变换电路可以采用Boost电路或Buck电路等DC-DC基本拓扑电路。
所述的控制电路根据识别结果通过对占空比或开关频率进行调整构造开关控制信号：
若功率信号复合传输单元进行能量传输，则使开关控制信号的开关频率恒定，调整开关控制信号的占空比；
若功率信号复合传输单元进行信息传输，则使开关控制信号的占空比恒定，调整开关控制信号在每个码片周期中的开关频率；所述的码片周期为开关周期的整数倍。
所述的控制电路采用DSP。
所述的载波检测电路包括两个二阶滤波器G1～G2和一电压跟随器；其中，二阶滤波器G1、二阶滤波器G2和电压跟随器依次连接。
所述的二阶滤波器包括五个电阻R1～R5、两个电容C1～C2和运算放大器B1；其中，电阻R1的一端为二阶滤波器的输入端，电阻R1的另一端与电阻R2的一端和电容C1的一端相连，电阻R2的另一端与运算放大器B1的正相输入端、电阻R3的一端和电容C2的一端相连，电阻R3的另一端与电容C2的另一端相连并接地，电容C1的另一端与运算放大器B1的输出端和电阻R4的一端相连且为二阶滤波器的输出端，电阻R4的另一端与运算放大器B1的反相输入端和电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端接地。
所述的电压跟随器包括三个电阻R6～R8、两个二极管D1～D2和运算放大器B2；其中，电阻R6的一端接电压Vcc，电阻R6的另一端与电阻R7的一端和运算放大器B2的正相输入端相连且为电压跟随器的输入端，电阻R7的另一端接地，电阻R8的一端与运算放大器B2的反相输入端和输出端相连，电阻R8的另一端与二极管D1的阳极和二极管D2的阴极相连且为电压跟随器的输出端，二极管D1的阴极接电压Vss，二极管D2的阳极接地。
本发明借鉴PLC技术，充分利用开关电源自身的特性，将DC-DC变换器在开关动作过程中所天然存在的纹波作为通信载波，通过在变换器中加入耦合电感，将DC-DC变换器中固有的储能电感上的稳定的开关纹波信号耦合至电路的输入端或输出端，从而传送至公共直流总线上。总线上挂接的其他DC-DC电路通过采样电路采集总线上的纹波信号，通过滤波、放大、解调等环节的处理，最终解调出数字信号，并作出相应的应答和动作。由此，本发明基于耦合电感的功率信号复合传输系统可以在不影响变换器的正常工作的前提下，将必然存在的开关纹波作为通信载波，无需增加额外的通信线路、信号调制等设备，无需额外注入信号，即可实现共享同一直流总线的DC-DC变换器之间的数据通信，即实现了同一直流总线上功率信号的复合传输。该方法减小了系统的体积、功耗和成本，大大提高了电力电子设备的智能化水平和便携性。
本发明主要应用于分布式控制系统，包括新能源发电、并网、LED照明等，不受DC-DC拓扑形式限制，可以在不额外增加通信线路和调制电路的前提下，通过耦合的方式将稳定的开关信号送至直流总线，从而实现功率信号的复合传输，使变换器实现共享输入或输出直流总线的数据通信，且通信信号稳定，不随负载和开关频率的改变而改变，仅与输入电压和输出电压有关。
附图说明
图1为本发明功率信号复合传输系统的结构示意图。
图2为载波检测电路的结构示意图。
图3为二阶滤波器的结构示意图。
图4为电压跟随器的结构示意图。
图5为开关控制信号与谐波信号的波形示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，一种基于耦合电感的功率信号复合传输系统，包括：一直流总线和四个功率信号复合传输单元U1～U4，四个功率信号复合传输单元的输入端或输出端均通过传输电感与直流总线连接；其中：
功率信号复合传输单元U1～U2的输入端通过传输电感与直流总线连接，输出端接LED负载；功率信号复合传输单元U3～U4的输出端通过传输电感与直流总线连接，输入端接直流源。
功率信号复合传输单元包括DC-DC变换电路、采样电路、载波检测电路、控制电路和驱动电路；其中：
DC-DC变换电路用于将直流总线上的直流电经电压变换后输送给负载或将直流源输出的直流电经电压变换后注入直流总线，同时产生谐波信号至直流总线上；DC-DC变换电路的输入端和输出端对应为功率信号复合传输单元的输入端和输出端，本实施方式中，功率信号复合传输单元U1和U3中的DC-DC变换电路采用Buck电路，功率信号复合传输单元U2和U4中的DC-DC变换电路采用Boost电路；Buck电路和Boost电路均由两个功率开关管S1～S2和一储能电感L1构建。
功率信号复合传输单元U1的输入端通过传输电感L2与直流总线连接且该单元DC-DC变换电路为Buck电路，Buck电路中的储能电感L1位于输出侧，则传输电感L2与储能电感L1耦合；功率信号复合传输单元U2的输入端通过传输电感L1与直流总线连接且该单元DC-DC变换电路为Boost电路，Boost电路中的储能电感L1位于输入侧，则传输电感L1即为储能电感L1；功率信号复合传输单元U3的输出端通过传输电感L1与直流总线连接且该单元DC-DC变换电路为Buck电路，Buck电路中的储能电感L1位于输出侧，则传输电感L1即为储能电感L1；功率信号复合传输单元U4的输出端通过传输电感L2与直流总线连接且该单元DC-DC变换电路为Boost电路，Boost电路中的储能电感L1位于输入侧，则传输电感L2与储能电感L1耦合。
采样电路与控制电路和DC-DC变换电路相连，其用于采集DC-DC变换电路的输出电压和输出电流；本实施方式中采样电路即为一电流传感器，电流传感器设于DC-DC变换电路的输出端以采样DC-DC变换电路的输出电流传送给控制电路，电压采样则直接从DC-DC变换电路输出端引线至控制电路。
载波检测电路与直流总线和控制电路相连，其用于从直流总线上接收其他功率信号复合传输单元产生的谐波信号，并对该谐波信号进行滤波放大后输出载波信号；本实施方式中，载波检测电路包括两个二阶滤波器G1～G2和一电压跟随器，如图2所示；其中，二阶滤波器G1、二阶滤波器G2和电压跟随器依次连接，二阶滤波器G1的输入端接直流总线，电压跟随器的输出端与控制电路连接。
如图3所示，二阶滤波器包括五个电阻R1～R5、两个电容C1～C2和运算放大器B1；其中，电阻R1的一端为二阶滤波器的输入端，电阻R1的另一端与电阻R2的一端和电容C1的一端相连，电阻R2的另一端与运算放大器B1的正相输入端、电阻R3的一端和电容C2的一端相连，电阻R3的另一端与电容C2的另一端相连并接地，电容C1的另一端与运算放大器B1的输出端和电阻R4的一端相连且为二阶滤波器的输出端，电阻R4的另一端与运算放大器B1的反相输入端和电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端接地
如图4所示，电压跟随器包括三个电阻R6～R8、两个二极管D1～D2和运算放大器B2；其中，电阻R6的一端接电压Vcc，电阻R6的另一端与电阻R7的一端和运算放大器B2的正相输入端相连且为电压跟随器的输入端，电阻R7的另一端接地，电阻R8的一端与运算放大器B2的反相输入端和输出端相连，电阻R8的另一端与二极管D1的阳极和二极管D2的阴极相连且为电压跟随器的输出端，二极管D1的阴极接电压Vss，二极管D2的阳极接地。
控制电路与驱动电路连接，其用于对载波信号或DC-DC变换电路的输出电压和输出电流进行分析识别，进而根据识别结果构造产生开关控制信号；控制电路根据识别结果通过对占空比或开关频率进行调整构造开关控制信号：若功率信号复合传输单元进行能量传输，则使开关控制信号的开关频率恒定，调整开关控制信号的占空比；若功率信号复合传输单元进行信息传输，则使开关控制信号的占空比恒定，调整开关控制信号在每个码片周期中的开关频率。本实施方式中控制电路采用DSP。
驱动电路与DC-DC变换电路连接，其用于对开关控制信号进行功率放大，进而利用功率放大后的开关控制信号对DC-DC变换电路中的功率开关管进行控制；两个功率开关管S1～S2接收的开关控制信号相位互补。
以功率信号复合传输单元U2为例，电流传感器采集到LED的电流信号（6A），DSP将该电流信号进行模数转换6→110；为了不影响能量传输，DSP使开关控制信号的占空比恒定，如图5所示，110的三个数字量分别对应三个连续的码片周期，DSP通过调整开关控制信号在每个码片周期中的开关频率，其中使前两个码片周期的开关频率均为f1，使最后一个码片周期的开关频率为f2（f2=2f1），构造出对应的开关控制信号用以对Boost电路中的功率开关管进行控制，进而对Boost电路产生的谐波频率进行控制，该谐波可作为通信的载波信号；图中s1为Boost电路中功率开关管S1的开关信号，iL为Boost电路中储能电感L1的电流信号（即Boost电路产生的谐波信号）。
在功率信号复合传输单元U2中，Boost电路作为DC-DC电路进行电能变换传输，为LED供电；同时，Boost电路会在输入端产生一定的谐波，与通信载波类似，该谐波信号能够被同一直流总线下的其他单元检测到；通过控制本单元产生的谐波频谱，同时不影响Boost电路的能量传输，那么该谐波分量就可以作为一种载波进行通信，从而使系统实现能量与信息的同步传输。
Claims (9)
1.一种基于耦合电感的功率信号复合传输系统，包括一直流总线和若干功率信号复合传输单元，其特征在于：所述的功率信号复合传输单元的输入端或输出端通过传输电感与直流总线连接；
若功率信号复合传输单元的输入端通过传输电感与直流总线连接，则其输出端接负载；若功率信号复合传输单元的输出端通过传输电感与直流总线连接，则其输入端接直流源。
2.根据权利要求1所述的功率信号复合传输系统，其特征在于：所述的功率信号复合传输单元包括：
DC-DC变换电路，用于将直流总线上的直流电经电压变换后输送给负载或将直流源输出的直流电经电压变换后注入直流总线，同时产生谐波信号至直流总线上；DC-DC变换电路的输入端和输出端对应为功率信号复合传输单元的输入端和输出端；
采样电路，用于采集DC-DC变换电路的输出电压和输出电流；
载波检测电路，用于从直流总线上接收其他功率信号复合传输单元产生的谐波信号，并对该谐波信号进行滤波放大后输出载波信号；
控制电路，用于对所述的载波信号或所述的输出电压和输出电流进行分析识别，进而根据识别结果构造产生开关控制信号；
驱动电路，用于对所述的开关控制信号进行功率放大，进而利用功率放大后的开关控制信号对DC-DC变换电路进行控制。
3.根据权利要求2所述的功率信号复合传输系统，其特征在于：
若功率信号复合传输单元的输入端通过传输电感与直流总线连接且该单元DC-DC变换电路中的储能电感位于输入侧，则所述的传输电感即为所述的储能电感；
若功率信号复合传输单元的输入端通过传输电感与直流总线连接且该单元DC-DC变换电路中的储能电感位于输出侧，则所述的传输电感与所述的储能电感耦合；
若功率信号复合传输单元的输出端通过传输电感与直流总线连接且该单元DC-DC变换电路中的储能电感位于输出侧，则所述的传输电感即为所述的储能电感；
若功率信号复合传输单元的输出端通过传输电感与直流总线连接且该单元DC-DC变换电路中的储能电感位于输入侧，则所述的传输电感与所述的储能电感耦合。
4.根据权利要求2所述的功率信号复合传输系统，其特征在于：所述的DC-DC变换电路采用Boost电路或Buck电路。
5.根据权利要求2所述的功率信号复合传输系统，其特征在于：所述的控制电路根据识别结果通过对占空比或开关频率进行调整构造开关控制信号：
若功率信号复合传输单元进行能量传输，则使开关控制信号的开关频率恒定，调整开关控制信号的占空比；
若功率信号复合传输单元进行信息传输，则使开关控制信号的占空比恒定，调整开关控制信号在每个码片周期中的开关频率；所述的码片周期为开关周期的整数倍。
6.根据权利要求2所述的功率信号复合传输系统，其特征在于：所述的控制电路采用DSP。
7.根据权利要求2所述的功率信号复合传输系统，其特征在于：所述的载波检测电路包括两个二阶滤波器G1～G2和一电压跟随器；其中，二阶滤波器G1、二阶滤波器G2和电压跟随器依次连接。
8.根据权利要求7所述的功率信号复合传输系统，其特征在于：所述的二阶滤波器包括五个电阻R1～R5、两个电容C1～C2和运算放大器B1；其中，电阻R1的一端为二阶滤波器的输入端，电阻R1的另一端与电阻R2的一端和电容C1的一端相连，电阻R2的另一端与运算放大器B1的正相输入端、电阻R3的一端和电容C2的一端相连，电阻R3的另一端与电容C2的另一端相连并接地，电容C1的另一端与运算放大器B1的输出端和电阻R4的一端相连且为二阶滤波器的输出端，电阻R4的另一端与运算放大器B1的反相输入端和电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端接地。
9.根据权利要求7所述的功率信号复合传输系统，其特征在于：所述的电压跟随器包括三个电阻R6～R8、两个二极管D1～D2和运算放大器B2；其中，电阻R6的一端接电压Vcc，电阻R6的另一端与电阻R7的一端和运算放大器B2的正相输入端相连且为电压跟随器的输入端，电阻R7的另一端接地，电阻R8的一端与运算放大器B2的反相输入端和输出端相连，电阻R8的另一端与二极管D1的阳极和二极管D2的阴极相连且为电压跟随器的输出端，二极管D1的阴极接电压Vss，二极管D2的阳极接地。
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