CN104081614B - 具有可并联输出端的模块化冗余直流/直流电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于给负载（3）冗余供电的电源，其具有第一供电单元和第二供电单元，其中这两个供电单元连接在一起。在此该电源作为具有第一和一个第二直流‑直流变换器（41，42）的设备来构造，其中给该第一直流‑直流变换器（41）后接第一输出开关调节器（71），并且其中给该第二直流‑直流变换器（42）后接第二输出开关调节器（72），并且其中输出开关调节器（71，72）的输出端连接在一起。根据本发明的冗余电源作为具有两个并联路径的设备来构造，其中每个路径都包含有两个变换器级。由此不需要借助冗余电路来对输出端进行去耦。

Description

具有可并联输出端的模块化冗余直流/直流电源装置

技术领域

本发明涉及用于给负载进行冗余供电的一种电源，该电源具有第一供电单元和第二供电单元，其中这两个供电单元连接在一起。

背景技术

电气设备通常具有特殊的安全要求或需要高可用性。这种设备的重要部分被冗余地实施，以在发生故障时防止设备失效。这也涉及电源。

按照现有技术，冗余电源由两个单独的供电单元组成，这些供电单元的输出端通过冗余电路而连接在一起。在此每个供电单元都针对要连接的负载来加以设计。

该冗余电路在最简单的情况下由二极管组成，该二极管为了去耦而布置在该供电单元的输出端上（图1）。每个供电单元单独地调节输出电压，其中这强制地导致在由供电单元所输出的功率之间的不对称。因此在无故障运行时一个供电单元也提供明显更大的功率。结果使得这两个供电单元不均匀地损耗，由此能够认定这两个单元之一仅具有更短的寿命。

在较高功率情况下，二极管导致高的损耗。因此也使用继电器或半导体开关来进行去耦（图2）。在此这两个供电单元的损耗也是不均匀的，因为在正常运行时仅加载通过该开关而与负载相连的供电单元。另外在故障情况下在切换过程期间导致短时的供电中断。

发明内容

本发明所基于的任务是，针对开头所述种类的一种电源说明相对于现有技术的改善。

根据本发明，该任务通过根据权利要求1所述的一种电源而得到解决。改进方案在从属权利要求中加以说明。

因此该电源作为具有第一和第二直流-直流变换器的一种设备来构造，其中该第一直流-直流变换器后接了第一输出开关调节器，并且其中该第二直流-直流变换器后接了第二输出开关调节器，并且其中输出开关调节器的输出端连接在一起。

根据本发明的冗余电源作为具有两个并联路径的一种设备来构造，其中每个路径都包含有两个变换器级。由此不需要借助冗余电路来对输出端去耦。另外在同时最小化构造尺寸以及所产生的损耗的情况下还给出有利的元件承载。相对于已知的解决方案还降低了布线耗费。

每个路径都被针对要供电的负载的全部功率来设计。在此存在这两个路径在内部交替地分开使得通过这两个路径之一来交替进行负载的供电的可能性。尤其在吸取小功率的运行状态下，仅仅用一个路径进行供电才是有意义的，以便尽可能降低损耗。替换于此的，两个路径承载一半的负载，由此如同在交替运行时一样所有设备部分都进行均匀的磨损。

如果设置上级控制装置来用于给该输出开关调节器进行预先给定的功率分配，那么这是符合目的的。在所连接的输出端上所输出的全部功率于是就借助该控制装置按照预先设定而被划分到这两个输出开关调节器上。

在一个有利的变化方案中，该上级控制装置被设置用于使输出开关调节器的功率平衡。每个路径在此都拥有借助上级控制装置进行共同的电压控制的自身的电流调节。

替换于此的，给该控制装置输送至少一个运行参数，其中该控制装置被设置用于根据该运行参数来影响该直流-直流变换器以及输出开关调节器的运行。所述至少一个运行参数例如是重要部件（晶体管等）的温度或由运行引起的电压承载。根据所述一个或多个运行参数，借助该上级控制装置有目的地调节这两个路径的非对称功率分配。这例如在导致不同的冷却比的情况下是有利的。如果例如直接在设备侧旁边放置直接连接的组件，那么这就妨碍了在该侧的冷却。通过按照温度来分配持续功率，可以平衡这两个变换器或开关调节器的老化并从而平衡它们的寿命。

一种有利的扩展方案规定，给每个直流-直流变换器后接至少两个输出开关调节器。因此在给多个负载供电时提高了灵活性。另外还没必要针对更大的负载来设置功率更大的并从而更昂贵的部件。可以以简单的方式通过把一个路径的多个输出开关调节器连接在一起来实现更高的输出功率。

为了将开关损耗保持得很低，直流-直流变换器优选地作为谐振变换器来构造。

在另一变化方案中规定，给每个直流-直流变换器前接自身的保护单元，该保护单元在预先给定过载时把相应的直流-直流变换器与其余的设备开关回路分开。每个变换器单元从而都具有设备内部的保护。在具有共同的电网整流器和共同的无线电干扰滤波器的装置中，例如在该滤波器之后在每个变换器供电线路中都设置保险装置。在一个变换器中存在部件故障的情况下，其他每个变换器可以继续运行。作为保护单元例如使用熔融保险装置、机械保护开关或快速开关的半导体开关，该半导体开关能够近似无反作用地断开故障的支路。

在本发明的一种实施方案中，给每个直流-直流变换器前接自身的中间回路，该中间回路可以通过整流单元而连接到供电电网上。所述冗余在此情况下也涵盖了整流部件以及中间回路部件。

在此如果可以借助开关在供电电网与供电单元之间切换至少一个中间回路的连接，那么这是有利的。

在该供电电网失效的情况下，该中间回路被连接到该供电单元。该供电单元例如是用于维持缓冲运行的蓄电池。

在一个替换实施方案中规定，两个直流-直流变换器连接到共同的中间回路上，该中间回路可以通过整流单元而连接到供电电网上。在此也能够有利地切换到另一供电单元以进行缓冲运行。共同利用该整流器部件和中间回路部件对于许多应用是足够的，因为这些部件的失效风险应分级为小于变换器部件的失效风险。

为了避免在供电电网中的高次谐波，有利的是相应的整流单元可以通过无源滤波器而连接到供电电网上。

为了覆盖更高的输出电压，可以把输出开关调节器的输出端串联在一起。

如果第一和第二输出开关调节器的输出端相互并联在一起以给负载冗余供电，并且如果该第一直流-直流变换器后接了另外的第一输出开关调节器，并且如果该第二直流-直流变换器后接了另外的第二输出开关调节器，那么就给出了具有特别灵活的应用可能性的设备。另外的输出开关调节器可以用于给另外的负载供电，或者提高供电的失效安全性。

为了提高失效安全性而规定，该第一直流-直流变换器的输出端和该第一输出开关调节器的输入端以及所述另外的第一输出开关调节器的输出端都被引导至该设备的第一切换单元，并且借助该第一切换单元可以把该第一输出开关调节器的输入端在该第一直流-直流变换器的输出端与所述另外的第一输出开关调节器的输出端之间进行切换，另外该第二直流-直流变换器的输出端与该第二输出开关调节器的输入端以及所述另外的第二输出开关调节器的输出端都被引导至该设备的第二切换单元，并且借助该第二切换单元可以把该第二输出开关调节器的输入端在该第二直流-直流变换器的输出端与所述另外的第二输出开关调节器的输出端之间进行切换。

在此为了提高该输出开关调节器和所述另外的输出开关调节器的安全性而串联了一个路径。分别后接的输出开关调节器在此情况下承担了安全开关的功能，其中该安全开关在危险情况下把故障的供电路径从输出端脱离。如果前接的输出开关调节器的故障将导致在输出端上的短路，那么该措施是尤其有利的。

有利地把每个输出开关调节器作为下行开关调节器来构造。被整流的供电电网电压然后借助直流-直流变换器而被变换为低电压。该低电压是用于借助下行开关调节器来形成更低输出电压的水平。该低电压能够无危险地接通外部供电单元以进行缓冲运行，或者接通另外的下行开关调节器以给额外的负载供电。于是不用进一步的安全预防措施就可以通过操作人员来执行电源的配置变化。另外从而为下行开关调节器提供了小的输出水平，由此该下行开关调节器实现了非常良好的效率。因为可以采用在小电压下出于制造技术原因而具有微小损耗的元件、尤其半导体。

如果另外还需要更高的输出电压，那么设置上行开关调节器是有意义的。在此该上行开关调节器有利地形成多级电源的倒数第二级。

根据本发明的用于利用切换单元来进行前述供电的一种方法规定，把输出开关调节器的输入端与另外的输出开关调节器的输出端借助切换单元所执行的连接发信号通知给控制装置，并且从而把后接的输出开关调节器作为去耦二极管来加以控制。

在此有利的是，给作为去耦二极管受操控的每个输出开关调节器预先给定电流限制，该电流限制设定得比前接输出开关调节器的电流限制至少高调节公差和所期待的老化漂移，其中该前接输出开关调节器在输出端上对电压进行调节或者把电流限制为所调节的值。于是该后接输出开关调节器的电流限制在正常运行时不发挥作用。

同样有意义的是，在每个作为去耦二极管受操控的输出开关调节器中电压调节被调节为一个值，该值设置得比该前接输出开关调节器的最大调节的输出电压至少高调节公差和所期待的老化漂移。

另外有利的是，在去耦控制期间在两个路径的每一个中都对电流流动方向进行监控，并且在电流从相应输出开关调节器的输出端流向输入端时就断开电流流动。

在一种改善的方法中规定，给作为去耦二极管而受操控的各个输出开关调节器的电压调节预先给定最大允许输出电压。该最大允许输出电压在此对应于针对要供电的负载而允许的任何电压。从而提供了有效的过压保护。

在此有利的是，一旦探测到电流流动方向从相应输出开关调节器的输出端流向输入端，和/或达到所调节的最大电流，和/或在过压保护运行中达到最大允许输出电压，那么就在去耦模式中生成报警信号。操作人员通过这种方式就迅速意识到存在故障。

附图说明

下面本发明示例地参照附图来加以解释。其中：

图1示意示出了根据现有技术的具有两个二极管的冗余电源，

图2示意示出了根据现有技术的具有切换开关的冗余电源，

图3示意示出了具有两个并联路径的电源，

图4示意示出了具有两个并联路径并能够切换到附加的供电单元的电源，

图5示意示出了具有中间回路的电源，

图6示意示出了具有串联输出端的电源，

图7示意示出了具有可切换输出端的电源，

图8示意示出了下行开关调节器。

具体实施方式

图1和2示出了根据现有技术的冗余电源。在此设置了冗余电路1，其中借助该冗余电路把负载3连接到两个单独的供电单元21、22上。每个供电单元21、22都是自身的电源设备。

相反，根据本发明而规定，将用于给负载冗余地供电的电源构造为在一个机壳中的唯一的设备，其中不是安全重要的部件仅设置一次。

例如根据图3的该实施方案仅包含有一个无源滤波器8，其中两个路径通过该无源滤波器而连接到供电电网上。每个路径都包含有整流单元51或52、具有电容器的中间回路61或62、直流-直流变换器41或42以及至少一个输出开关调节器71或72。在每个直流-直流变换器41或42上也可以连接更多的输出开关调节器71、7m或72、7n。

在滤波器8与直流-直流变换器41或42之间可选地分别设置保护单元91或92。保护单元91或92作为保险装置或电子限流元件来构造。在故障情况下流过故障路径的电流被限制，或者该路径被完全与其余的设备电路分离。相应的保护单元91或92或者布置在位于同一电流路径中的整流器单元51或52之前，如在图3中虚线所示，或者位于其之后。

每个路径都具有自身的调节装置。对于共同的电压调节设置了未示出的上级控制装置。该上级控制装置例如用于平衡，也即均匀地把功率分配到两个路径上。共同的控制装置也可以用于这两个路径的交替运行，尤其在所连接的负载功率消耗少的情况下。另一种可能性是，给该上级控制装置输送能够对重要电路元件的承载进行声明的那些运行参数。例如根据重要元件的温度借助控制装置如此把功率分配到这两个路径上，使得得到均匀的热承载。

在一个扩展变化方案中，借助上级控制装置来进行各个变换器41、42和输出开关调节器71、7m、72、7n的时钟频率的同步。这种同步有利地以如下方式来进行，即时钟频率相同或者相互成可预先给定的比例。由此避免了在可听范围内的声学噪声，其中该声学噪声可以通过时钟频率的累加以及通过差频而得出。

另外还可以借助上级控制装置在同步运行中对变换器41、42的时钟频率强制进行可预先给定的相位偏移，由此降低了电容器的电流承载，其中这两个路径从所述电容器中获取它们的输入能量和/或向所述电容器输出其能量。

当前的电源设备尤其对于总和为500W的输出功率是有利的。从大于该功率开始，把多个较小的元件并联以代替一个昂贵的大功率元件是有意义的。于是唯一的设备构造就可以用作具有高输出功率的电源或者用作冗余的电源。在这两种情况下，多个变换器的输出端相并联，其中在使用两个路径冗余运行时仅利用了一半的总设备功率。

这种设备形式允许以简单的方式在所属的整流器单元51或52之前或之后来对直流-直流变换器41或42进行去耦。在图4中，可以将下部示出的路径在整流器单元52之前与电网供电去耦。这借助受控的开关15来进行，其中该开关在电网失效时切换到另一供电单元10。这种完全的冗余使得能够将第二交流电压或直流电压用于缓冲运行。

在安全性要求低的情况下，直流-直流变换器41、42连接到共同的中间回路6。该中间回路可以通过整流器单元5并通过共同的滤波器8而连接到供电电网，如图5中所示。

一种附加的可能性在电气隔离地实施这两个路径的情况下给出。通过把输出开关调节器71、72的输出端相串联（图6），这种装置可以用于使输出电压加倍。

在图7中示出了具有完全冗余以及对输出开关调节器7n或7m的短路故障具有可管理性的一种装置。在上部所示的路径中，第一直流-直流变换器41的输出端和第一输出开关调节器71的输入端被引导至该设备的第一切换单元13。在该第一切换单元13上还连接有另外的第一输出开关调节器7m的输出端。该切换单元13例如由机械开关或由可更换的插头接触部11、12（插头桥）组成。在正常运行时，该第一切换单元13把该第一直流-直流变换器41的输出端与该第一输出开关调节器71的输入端相连接。所述另外的第一输出开关调节器7m的输出端可以有另外的用途。

在更高的安全性运行时，在第一直流-直流变换器41与第一输出开关变换器71之间的连接被断开。取而代之地该第一切换单元13把所述另外的第一输出开关调节器7m的输出端与该第一输出开关变换器71的输入端相连接。

类似地该第二直流-直流变换器42和该第二输出开关变换器72以及另外的第二输出开关变换器7n可以借助第二切换单元14来被切换。

输出开关变换器71、72、7m、7n作为下行开关调节器7来构造，如在图8中所示。于是在更高的安全性运行时，后接的下行开关调节器71或72的开关16就作为有源去耦二极管来工作。一旦在一个路径中发生了短路，那么该路径就借助该开关16而被断开。

有利的是，该机械切换单元13或14如此来构造，使得在安全性要求提高时生成一个信号，该信号分别向后接的输出开关调节器71或72的控制装置传输针对作为去耦组件的运行模式的指令。在作为去耦二极管的运行模式（去耦模式）中，相应的控制装置具有的任务是，如此控制在输出开关调节器71的输入端和输出端之间最直接的电流路径中的那些半导体开关，使得不能在任何时候进行从相应输出开关调节器71和72的输出端到输入端的电流流动。在此该控制装置被设置用于在该电流路径中如此来操控半导体，使得所述半导体在电流导通时具有最小可能的损耗。

另外还符合目的地停用作为去耦组件而设置的相应输出开关调节器71或72的电流限制，并仅在识别到电流方向反转时才进行断开。替换于此地该电流限制调节为一个值，该值设置得至少比前接的输出开关调节器7m或7n的电流限制高调节公差和所期待的老化偏移，其中该输出开关调节器7m或7n执行输出电压的调节以及所述电流限制。同样符合目的地断开用作去耦二极管的输出开关调节器71或72的电压调节器，或者如上所述来进行设定，使得该电压调节器在正常运行中不发挥作用。

在更高的安全性要求的情况下，去耦组件的电压调节器可以被用作过压保护元件，其方式是把该电压调节器调节为一个值，该值对应于所要连接的负载的电压敏感度公差范围的上限。

在故障情况下，如果采取了上述安全措施之一，那么该设备就有利地输出报警信号。

通过在电流和电压上以双倍的安全性来进行实施，也能够满足特殊的安全标准的要求，例如UL Class 2，其中一个主要的要求是对在输出端上所能吸取的功率的限制。

本发明并不局限于具有两个并联路径的设备。根据本发明的设备也可以具有三个或更多并联的支路，其中这增加了失效安全性。

Claims (18)

1.用于给负载（3）冗余供电的电源，该电源具有第一供电单元和第二供电单元，其中这两个供电单元的输出端连接在一起，其中该电源作为具有第一直流-直流变换器（41）和第二直流-直流变换器（42）的设备来构造，其中给每个直流-直流变换器（41，42）后接至少两个输出开关调节器（71，7m，72，7n），其中给该第一直流-直流变换器（41）后接第一输出开关调节器（71），并给该第二直流-直流变换器（42）后接第二输出开关调节器（72），并且第一输出开关调节器（71）和第二输出开关调节器（72）的输出端连接在一起，其特征在于，给该第一直流-直流变换器（41）后接另外的第一输出开关调节器（7m），并且给该第二直流-直流变换器（42）后接另外的第二输出开关调节器（7n），该第一直流-直流变换器（41）的输出端和该第一输出开关调节器（71）的输入端以及所述另外的第一输出开关调节器（7m）的输出端被引导至该设备的第一切换单元（13），并且该第一输出开关调节器（71）的输入端借助该第一切换单元（13）能够在该第一直流-直流变换器（41）的输出端与所述另外的第一输出开关调节器（7m）的输出端之间进行切换，此外该第二直流-直流变换器（42）的输出端和该第二输出开关调节器（72）的输入端以及所述另外的第二输出开关调节器（7n）的输出端被引导至该设备的第二切换单元（14），并且该第二输出开关调节器（72）的输入端借助该第二切换单元（14）能够在该第二直流-直流变换器（42）的输出端与所述另外的第二输出开关调节器（7n）的输出端之间进行切换。

2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，设置了上级控制装置，以对第一输出开关调节器（71）和第二输出开关调节器（72）进行可预先给定的功率分配。

3.根据权利要求2所述的电源，其特征在于，该上级控制装置被设置用于对第一输出开关调节器（71）和第二输出开关调节器（72）进行功率平衡。

4.根据权利要求2所述的电源，其特征在于，给该上级控制装置输送至少一个运行参数，并且该上级控制装置被设置用于根据该运行参数来影响第一直流-直流变换器（41）和第二直流-直流变换器（42）以及第一输出开关调节器（71）和第二输出开关调节器（72）的运行。

5.根据权利要求1至4之一所述的电源，其特征在于，每个直流-直流变换器（41，42）都作为谐振变换器来构造。

6.根据权利要求1至4之一所述的电源，其特征在于，给每个直流-直流变换器（41，42）都前接自身的保护单元，其中该保护单元在预先给定的过载时把相应的直流-直流变换器与所述电源分离。

7.根据权利要求1至4之一所述的电源，其特征在于，给每个直流-直流变换器（41，42）都前接自身的中间回路（61，62），该中间回路能够通过相应的或共同的整流器单元（5，51，52）连接到供电电网。

8.根据权利要求7所述的电源，其特征在于，能够借助开关（15）在供电电网与供电单元（10）之间切换至少一个中间回路（62）的连接。

9.根据权利要求1至4之一所述的电源，其特征在于，两个直流-直流变换器（41，42）连接到共同的中间回路（6），该共同的中间回路能够通过整流器单元（5）连接到供电电网。

10.根据权利要求8所述的电源，其特征在于，相应的或共同的整流器单元（5，51，52）能够通过共同的无源滤波器（8）连接到供电电网。

11.根据权利要求1至4之一所述的电源，其特征在于，第一输出开关调节器（71）和第二输出开关调节器（72）的输出端串联连接在一起。

12.根据权利要求1至4之一所述的电源，其特征在于，每个输出开关调节器（71，7m，72，7n）都作为降压开关调节器来构造。

13.用于运行根据权利要求1至12之一所述的电源的方法，其特征在于，把借助第一切换单元（13）执行的第一输出开关调节器（71）的输入端与另外的第一输出开关调节器（7m）的输出端的连接发信号通知给上级控制装置，并由此把后接的第一输出开关调节器（71）作为去耦二极管来操控，以及

此外把借助第二切换单元（14）执行的第二输出开关调节器（72）的输入端与另外的第二输出开关调节器（7n）的输出端的连接发信号通知给该上级控制装置，并由此把后接的第二输出开关调节器（72）作为去耦二极管来操控。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，给作为去耦二极管所操控的第一输出开关调节器（71）预先给定电流限制，其中该电流限制设置得比前接的另外的第一输出开关调节器（7m）的电流限制至少高调节公差和期待的老化漂移，以及

此外给作为去耦二极管所操控的第二输出开关调节器（72）预先给定电流限制，其中该电流限制设置得比前接的另外的第二输出开关调节器（7n）的电流限制至少高调节公差和期待的老化漂移。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，在作为去耦二极管所操控的第一输出开关调节器（71）中电压调节被调节为一个值，该值设置得比前接的另外的第一输出开关调节器（7m）的最大调节输出电压至少高调节公差和期待的老化漂移，以及

此外在作为去耦二极管所操控的第二输出开关调节器（72）中电压调节被调节为一个值，该值设置得比前接的另外的第二输出开关调节器（7n）的最大调节输出电压至少高调节公差和期待的老化漂移。

16.根据权利要求13至14之一所述的方法，其特征在于，在去耦模式中对电流流动方向进行监控，并且在从另外的第一输出开关调节器（7m）或另外的第二输出开关调节器（7n）的输出端向输入端进行电流流动时该电流流动被中断。

17.根据权利要求13至14之一所述的方法，其特征在于，分别给作为去耦二极管而操控的第一输出开关调节器（71）和第二输出开关调节器（72）的电压调节预先给定最大允许输出电压。

18.根据权利要求13至14之一所述的方法，其特征在于，在去耦模式中，如果探测到电流流动方向从另外的第一输出开关调节器（7m）或另外的第二输出开关调节器（7n）的输出端到输入端，和/或在第一输出开关调节器或第二输出开关调节器中达到所调节的最大电流，和/或在过压保护运行中在第一输出开关调节器或第二输出开关调节器中达到最大允许输出电压，那么就生成报警信号。