CN103455070A - 一种电源均压均流装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种电源均压均流装置及方法，使用外部控制器组建总线通讯网络，电源整机主要由多个功率模块串联或并联组成，其各个功率模块均与总线通讯网络连接，由外部控制器广播下发指令，各个功率模块按照指令中的各参数值调整各自电压反馈环路和电流反馈环路的电压基准，使得电源在满足稳压精度和稳流精度的基础上各个功率模块实现较好的均压度或均流度，各个功率模块可以上报本模块的状态信息，在外部控制器的控制下可以方便地实现模块冗余控制和热插拔。

Description

一种电源均压均流装置及方法

技术领域

本发明涉及电源控制领域，具体涉及一种电源均压均流装置，还涉及一种电源均压均流方法。

背景技术

在大功率电源中，为了获得大功率，特别是为了得到大电压或大电流输出时，经常采用多个功率模块串联或并联的方法。多个功率模块串并联能实现模块标准化，每个功率模块只输出较小功率，不但可以降低功率器件的选型难度，还可以应用冗余技术，实现热插拔，提高系统可靠性。然而在多个功率模块串联或并联中遇到的主要问题就是各个功率模块电压或电流不均的问题，特别在重载时，电压或电流不均会引起电源烧毁等严重后果。

现有的并联均流和串联均压方案主要可以分为两类，一类是外加控制器法，另外一类是均流或均压母线法。现有的均压或均流母线法实现均压或均流方案不能实现热插拔和冗余技术，并且无法应用在需要上下级通讯的场合（如充电机）；而现有的外加控制器法实现均压或均流是由外加控制器调节各个功率模块的输出电压和电流，如申请号为201120120243.0的“逆变器DC-DC并联模块数字化均流装置”就属于外加控制器法均流，这类由外部控制器调节各个功率模块的输出电压和电流的方案存在模拟电平在多个模块间交互连接的问题，使得各个功率模块之间耦合较多，电压环路和电流环路易受到干扰，均压或均流精度难以保证，并且很难实现热插拔和冗余技术。

发明内容

本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种电源均压均流装置，还提供一种电源均压均流方法。

一种电源均压均流装置，包括接线端子、外部控制器和若干个功率模块，各个功率模块的输入端分别与输入电源连接，各个功率模块的输出端分别与接线端子连接并通过接线端子进行输出的串联或并联，外部控制器分别与接线端子的输出和各个功率模块连接；

所述的功率模块包括依次连接的输入整流模块、PFC模块、逆变模块、隔离变压器、输出整流模块和控制板；

控制板包括PFC驱动模块、逆变驱动模块、用于对PFC模块的输入进行采样的输入采样模块、用于对输出整流模块的输出进行采样的输出采样模块、用于与外部控制器通信的总线模块、用于根据外部控制器输出的控制信息生成电压基准信号Vref和电流基准信号Iref的处理器；

PFC驱动模块根据输入采样模块的输入电压和输入电流信号对PFC模块进行驱动控制，逆变驱动模块根据输出采样模块采集到的信号对逆变模块进行驱动控制。

如上所述的逆变驱动模块包括电压控制环路和电流控制环路，电压控制环路将电压基准信号Vref与输出采样模块采集的电压信号通过运算放大器获得电压误差信号，电流控制环路将电流基准信号Iref与输出采样模块采集的电流信号通过运算放大器获得电流误差信号，电压误差信号与电流误差信号取较低电平后经过线性光耦生成逆变驱动模块的反馈电压，驱动逆变模块。

如上所述的功率模块可通过接收外部控制器的指令停止输出，实现热插拔。

如上所述的功率模块对自身输入电压、输入电流、输出电压、输出电流进行采样，与各保护阈值比较，若采样值超过保护阈值则拉低逆变驱动模块内驱动芯片反馈端电压，截断输出，实现硬件保护，同时对上述采样信号进行处理，可以进行软件保护和信息上报到外部控制器。

如上所述的外部控制器和功率模块之间通讯的有效数据包括工作模式、均流/均压度、稳压精度、稳流精度、工作模块指示、故障指示、设定电压、设定电流、实际电压、实际电流。

如上所述的功率模块的输入端通过输入保护模块与输入电源连接；所述的接线端子的输出端通过输出保护模块进行输出。

如上所述的功率模块包括以下工作模式：

并联恒压限流工作模式，各个功率模块的输出通过接线端子并联，Iref设定为限流值对应的电压值不变，此时电流反馈环路只实现过流限流功能；设定Vref为恒压值对应的电压，若实际输出电流比均流度要求的输出电流大，则减小Vref，其减小的幅度需要满足稳压精度的要求，使得功率模块实际输出电流减小；若实际输出电流比设定均流度要求的输出电流小，则增加Vref，增加的幅度需要满足稳压精度的要求，使得功率模块实际输出电流增加；

并联恒流限压工作模式，各个功率模块的输出通过接线端子并联，设定Vref为限压值对应的电压值不变，此时电压反馈环路只实现过压限压功能；设定Iref为恒流值对应的电压值，若实际输出电流比设定均流度要求的输出电流大，则减小Iref，减小的幅度需要满足稳流精度的要求，使得功率模块输出电流下降；若实际输出电流比设定均流度要求的输出电流小，则增加Iref，增加的幅度需要满足稳流精度的要求，使得功率模块输出电流上升； 

串联恒压限流工作模式，各个功率模块的输出通过接线端子串联，设定Iref为限流值对应的电压值不变，此时电流反馈环路只实现过流限流功能；设定Vref为恒压值对应的电压值，若实际输出电压比设定均压度要求的输出电压大，则减小Vref，减小的幅度需要满足稳压精度的要求，使得功率模块输出电压减小；若实际输出电压比设定均压度要求的输出电压小，则增加Vref，增加的幅度需要满足稳压精度的要求，使得功率模块实际输出电压上升； 

串联恒流限压工作模式，各个功率模块的输出通过接线端子串联，设定Vref为限压值对应的电压值不变，此时电压反馈环路只实现过压限压功能；设定Iref为设定输出电压对应的电压值，若模块输出电压比均压度要求的输出电压大，则减小Iref，减小的幅度需要满足稳流精度的要求，使得功率模块输出电压减小；若实际输出电压比设定均压度要求的输出电压小，则增加Iref，增加的幅度需要满足稳流精度的要求，使得功率模块输出电压上升。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1.本发明中电源外部控制器通过总线型通讯网络向各个功率模块下达各个参数，各个功率模块通过调节电压环路和电流环路的参考基准来满足稳压精度或稳流精度以及均压度或均流度的要求，电源内的各个功率模块之间没有模拟量的耦合，可以避免相互干扰对均压度或均流度的影响；

2.本发明的电源内各个功率模块之间耦合少，便于实现模块热插拔和冗余控制；

3.各个功率模块内部使用电压环路和电流环路，把电源工作模式分为四种，对应四种环路参考电压的调节方式，可以灵活方便地软件实现调节算法，在硬件上电压环路和电流环路均通过运算放大器进行PID计算，这样软件调节算法和环路硬件PID综合的方式，提高了系统的鲁棒性和响应效果。

附图说明

图1是本发明一种电源均压均流方法的总体结构图；

图2-1是外部控制器发给各个功率模块的有效数据；

图2-2是各个功率模块发给外部控制器的有效数据；

图3是本发明中各个功率模块的结构框图；

图4是本发明中各个功率模块的电压环路和电流环路控制框图。

图中：1-输入保护模块；2-功率模块；3-总线网络；4-接线端子；5-外部控制器；6-显示操作接口；7-输出保护模块；201-输入整流模块；202-PFC模块；203-逆变模块；204-隔离变压器；205-输出整流模块；206-控制器。

具体实施方式

如图1所示，整个电源对外有四个接口，分别为电源输入、电源输出、显示操作接口和与外部监控系统通讯接口。电源输入后经过输入保护模块1，进行EMC处理及防雷、过流等保护，之后给各个功率模块2供电，各个功率模块2和外部控制器5通过总线网络3互连，各个功率模块2的输出经过接线端子4进行连接汇总，经过输出保护模块7后为整个电源的输出，接线端子4的接法决定各个功率模块是并联输出还是串联输出，外部控制器对整个电源的输出电压和输出电流进行采样，并与显示操作接口6和外部监控系统进行通讯。

各个功率模块2对自身输入电压、输入电流、输出电压、输出电流进行采样，与各保护阈值比较，若采样值超过保护阈值则拉低逆变驱动模块中的驱动芯片反馈端电压，截断输出，实现硬件保护，同时处理器对采样信号进行处理，可以进行软件保护和信息上报；外部控制器5通过对整机的输出电压、输出电流和温度进行采样，与各保护阈值比较进行软件保护并将信息上报给外部监控系统。

如图2-1和图2-2所示，外部控制器和各个功率模块之间通讯的有效数据包括工作模式、均流/均压度、稳压精度、稳流精度、工作模块指示、故障指示、设定电压、设定电流、实际电压、实际电流；以上参数中的工作模式分为四种，占用两个位，分别为并联恒压限流、并联恒流限压、串联恒压限流和串联恒流限压四种工作模式；在模式参数后面表示的是均流度或均压度，都分为四挡，占用两个位，在并联时指的是均流度，在串联时指的是均压度；稳压精度和稳流精度分别占用两个位，分为四挡；模块指示占用三个字节，可以表示24个模块是否处于工作状态；故障指示占用三个字节，可以表示各个功率模块的24个状态，包括过温、输入过压、输入欠压、输入过流、输出过压、输出欠压、输出过流、短路、继电器故障等状态；设定电压、设定电流、实际电压和实际电流都占用一个字节，其值与电源整机的设定输出电压、设定输出电流、实际输出电压和实际输出电流值线性对应。

如图3所示，各个功率模块的结构是一致的，其内部结构总体都可分为主板和控制板206，其中主板包括输入整流部分201、PFC模块202、逆变模块203、隔离变压器204和输出整流模块205，控制板206实现输入电压和电流采样、输出电压和电流采样、PFC和逆变驱动以及和外部控制器通讯的总线接口等功能。

各个功率模块的电源经过输入过、欠压等保护之后整流为直流，再经过PFC模块升压并调节功率因数减少对电网的谐波污染，再经过逆变和隔离变压器实现隔离可调电压输出，最后整流为直流电压输出；在此过程中控制板实现各种采样保护、与外部控制器的通讯以及PFC和逆变部分的驱动等功能。

各个功率模块可以通过接收外部控制器的指令拉低PFC驱动模块和逆变驱动模块内芯片的反馈端电压，使PFC模块和逆变模块停止输出，该模块停止工作，而其他功率模块仍然正常输出，电源整机仍然正常工作，此时该功率模块与外部连接的输入插销和输出插销没有电流，其输入插销、输出插销和通信插销可以被安全拔下，该功率模块呈抽屉式被拔出，从而实现热插拔。

各个功率模块控制板中的处理器接收并解析外部控制器信息，产生并调节Vref和Iref（此处Vref和Iref为两路模拟电压，由各个功率模块控制板中处理器中的DAC模块产生，如稳压精度为1%，当前设定输出电压为400V，则输出稳压范围为398V~402V，若Vref的0~5V对应输出0~500V，则在模块没有检测到保护信号的情况下Vref调节范围为3.98~4.02V，后面提到的Vref增、减幅度满足稳压精度和Iref增、减幅度满足稳流精度的计算原理与此类同），使输出电压和输出电流满足稳压精度或稳流精度以及满足均压度或均流度的要求。如图4所示，该图为各个功率模块控制板中逆变部分的反馈控制原理框图，逆变驱动芯片的反馈电压越低则驱动芯片输出的占空比越小，功率级的导通时间越少；各个功率模块都有电压和电流两个反馈控制环路，其中Vref为电压环路的基准电压，其与输出电压采样滤波后的电压值、运算放大器U1、二极管D1、线性光耦U3和电阻R1组成电压反馈环路；Iref为电流环路的基准电压，其与输出电流采样滤波后的电压值、运算放大器U2、二极管D2、线性光耦U3和电阻R1组成电流反馈环路；电压反馈环路和电流反馈环路为竞争关系，即无论是U1还是U2的输出电压减小时，A点的电压都会减小，使得线性光耦原边电流增大，拉低逆变驱动模块中的驱动芯片反馈电压，从而减小功率级驱动占空比，使得实际输出的电压和输出电流均不会超过Vref和Iref对应的设置输出电压和设置输出电流。

各个功率模块的电压环路和电流环路的运算放大器均通过其外围电阻电容实现硬件PID运算，使功率模块不至于响应太快导致输出电流波动较大，或响应太慢导致负载响应太慢使得带载能力降低，合适的PID参数可以优化环路响应；同时，电压环路和电流环路的基准电压Vref和Iref均由功率模块的处理器产生并调节，两路基准电压的增大或减小幅度由软件PID运算产生，可以实现软启动，并能对环路响应进行优化，加快环路收敛到稳态。

在并联恒压限流工作模式下，模块处理器将Iref设定为限流值对应的电压值不变，此时电流反馈环路只实现过流限流功能；设定Vref为恒压值对应的电压，若实际输出电流比均流度要求的输出电流大，则减小Vref，其减小的幅度需要满足稳压精度的要求，此时U1的输出电压减小，线性光耦原边的电流增大，线性光耦副边到逆变驱动模块中的驱动芯片反馈电压减小，使得逆变模块的功率管开通时间减少，则电源实际输出电流减小；若实际输出电流比设定均流度要求的输出电流小，则增加Vref（增加的幅度需要满足稳压精度的要求），此时U1的输出电压升高，线性光耦原边的电流减小，线性光耦副边到逆变驱动模块中的驱动芯片反馈电压增大，使得功率管开通时间增加，则实际输出电流上升；使得模块的输出电压满足稳压精度的要求，并且输出电流满足均流度要求。

在并联恒流限压工作模式下，模块设定Vref为限压值对应的电压值不变，此时电压反馈环路只实现过压限压功能；设定Iref为恒流值对应的电压值，若实际输出电流比设定均流度要求的输出电流大，则减小Iref（减小的幅度需要满足稳流精度的要求），此时U2的输出电压减小，线性光耦原边的电流增大，线性光耦副边到逆变驱动模块中的驱动芯片反馈电压减小，使得功率管开通时间减少，则实际输出电流下降；若实际输出电流比设定均流度要求的输出电流小，则增加Iref（增加的幅度需要满足稳流精度的要求），此时U2的输出电压升高，线性光耦原边的电流减小，线性光耦副边到逆变驱动模块中的驱动芯片反馈电压增大，使得功率管开通时间增加，则实际输出电流上升；使得模块输出电流满足稳流精度和均流度的要求。

在串联恒压限流工作模式下，Iref设定为限流值对应的电压值不变，此时电流反馈环路只实现过流限流功能；设定Vref为恒压值对应的电压值，若实际输出电压比设定均压度要求的输出电压大，则减小Vref（减小的幅度需要满足稳压精度的要求），此时U1的输出电压减小，线性光耦原边的电流增大，线性光耦副边到逆变驱动模块中的驱动芯片反馈电压减小，使得功率管开通时间减少，则实际输出电压减小；若实际输出电压比设定均压度要求的输出电压小，则增加Vref（增加的幅度需要满足稳压精度的要求），此时U1的输出电压升高，线性光耦原边的电流减小，线性光耦副边到逆变驱动模块中的驱动芯片反馈电压增大，使得功率管开通时间增加，则实际输出电压上升；使得模块的输出电压满足稳压精度和均压度的要求。

在串联恒流限压工作模式下，Vref设定为限压值对应的电压值不变，此时电压反馈环路只实现过压限压功能；设定Iref为设定输出电压对应的电压值，若模块输出电压比均压度要求的输出电压大，则减小Iref（减小的幅度需要满足稳流精度的要求），此时U2的输出电压减小，线性光耦原边的电流增大，线性光耦副边到逆变驱动模块中的驱动芯片反馈电压减小，使得功率管开通的时间减少，实际输出电压减小；若实际输出电压比设定均压度要求的输出电压小，在增加Iref（增加的幅度需要满足稳流精度的要求），此时U2的输出电压升高，线性光耦原边的电流减小，线性光耦副边到逆变驱动模块中的驱动芯片反馈电压增大，使得功率管开通时间增加，则实际输出电压上升；使得模块的输出电流满足稳流精度的要求，并且输出电压满足均压度的要求。

如上所述，一种电源均压均流方法充分利用总线通讯网络自动配置、部署简单、可以避免多个模块间模拟量交叉耦合等特点，可以很好的解决传统的多个模块并联或串联耦合多，接线复杂，均压度或均流度不好保证等问题。

凡依据本发明的技术本质对以上实施例所做的简单修改、等同变化或修饰，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种电源均压均流装置，其特征在于：包括接线端子、外部控制器和若干个功率模块，各个功率模块的输入端分别与输入电源连接，各个功率模块的输出端分别与接线端子连接并通过接线端子进行输出的串联或并联，外部控制器分别与接线端子的输出和各个功率模块连接；

所述的功率模块包括依次连接的输入整流模块、PFC模块、逆变模块、隔离变压器、输出整流模块和控制板；

控制板包括PFC驱动模块、逆变驱动模块、用于对PFC模块的输入进行采样的输入采样模块、用于对输出整流模块的输出进行采样的输出采样模块、用于与外部控制器通信的总线模块、用于根据外部控制器输出的控制信息生成电压基准信号Vref和电流基准信号Iref的处理器；

PFC驱动模块根据输入采样模块的输入电压和输入电流信号对PFC模块进行驱动控制，逆变驱动模块根据输出采样模块采集到的信号对逆变模块进行驱动控制。

2.根据权利要求1所述的一种电源均压均流装置，其特征在于，所述的逆变驱动模块包括电压控制环路和电流控制环路，电压控制环路将电压基准信号Vref与输出采样模块采集的电压信号通过运算放大器获得电压误差信号，电流控制环路将电流基准信号Iref与输出采样模块采集的电流信号通过运算放大器获得电流误差信号，电压误差信号与电流误差信号取较低电平后经过线性光耦生成逆变驱动模块的反馈电压，驱动逆变模块。

3.根据权利要求2所述的一种电源均压均流装置，其特征在于，所述的功率模块可通过接收外部控制器的指令停止输出，实现热插拔。

4.根据权利要求2所述的一种电源均压均流装置，其特征在于，所述的功率模块对自身输入电压、输入电流、输出电压、输出电流进行采样，与各保护阈值比较，若采样值超过保护阈值则拉低逆变驱动模块内驱动芯片反馈端电压，截断输出，实现硬件保护，同时对上述采样信号进行处理，可以进行软件保护和信息上报到外部控制器。

5.根据权利要求2所述的一种电源均压均流装置，其特征在于，所述的外部控制器和功率模块之间通讯的有效数据包括工作模式、均流/均压度、稳压精度、稳流精度、工作模块指示、故障指示、设定电压、设定电流、实际电压、实际电流。

6.根据权利要求2所述的一种电流均压均流装置，其特征在于，所述的功率模块的输入端通过输入保护模块与输入电源连接；所述的接线端子的输出端通过输出保护模块进行输出。

7.一种利用权利要求2所述装置进行电源均压均流方法，其特征在于，所述的功率模块包括以下工作模式：

并联恒压限流工作模式，各个功率模块的输出通过接线端子并联，Iref设定为限流值对应的电压值不变，此时电流反馈环路只实现过流限流功能；设定Vref为恒压值对应的电压，若实际输出电流比均流度要求的输出电流大，则减小Vref，其减小的幅度需要满足稳压精度的要求，使得功率模块实际输出电流减小；若实际输出电流比设定均流度要求的输出电流小，则增加Vref，增加的幅度需要满足稳压精度的要求，使得功率模块实际输出电流增加；

并联恒流限压工作模式，各个功率模块的输出通过接线端子并联，设定Vref为限压值对应的电压值不变，此时电压反馈环路只实现过压限压功能；设定Iref为恒流值对应的电压值，若实际输出电流比设定均流度要求的输出电流大，则减小Iref，减小的幅度需要满足稳流精度的要求，使得功率模块输出电流下降；若实际输出电流比设定均流度要求的输出电流小，则增加Iref，增加的幅度需要满足稳流精度的要求，使得功率模块输出电流上升； 

串联恒压限流工作模式，各个功率模块的输出通过接线端子串联，设定Iref为限流值对应的电压值不变，此时电流反馈环路只实现过流限流功能；设定Vref为恒压值对应的电压值，若实际输出电压比设定均压度要求的输出电压大，则减小Vref，减小的幅度需要满足稳压精度的要求，使得功率模块输出电压减小；若实际输出电压比设定均压度要求的输出电压小，则增加Vref，增加的幅度需要满足稳压精度的要求，使得功率模块实际输出电压上升； 

串联恒流限压工作模式，各个功率模块的输出通过接线端子串联，设定Vref为限压值对应的电压值不变，此时电压反馈环路只实现过压限压功能；设定Iref为设定输出电压对应的电压值，若模块输出电压比均压度要求的输出电压大，则减小Iref，减小的幅度需要满足稳流精度的要求，使得功率模块输出电压减小；若实际输出电压比设定均压度要求的输出电压小，则增加Iref，增加的幅度需要满足稳流精度的要求，使得功率模块输出电压上升。

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