CN104600978A - 一种无均流母线的并联均流装置和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无均流母线的并联均流装置和控制方法，用于实现多个功率变换子模块直流输出并联均流，包括电压控制模块和多个功率变换子模块，电压控制模块与并联输出的多个功率变换子模块构成电压外环；各个功率变换子模块包括自身的电流内环且采样自身的电流反馈信号生成电流内环控制信号与所述电压外环控制信号叠加控制各个功率变换子模块的输出；无需单独电流母线，只需要一条单向的控制电压外环，在实现传统装置相同功能的同时使装置电路的设计、生产、调试更加简单和简洁，进而实现多机并联动态响应快，消除地线环流提高了装置抗干扰能力，且非常容易实现模拟控制或数字控制的开关电源、线性电源的多模块并联均流。

Description

一种无均流母线的并联均流装置和控制方法
技术领域
本发明涉及电源控制系统，尤其涉及用于多模块无均流母线的并联均流装置和控制方法。
背景技术
    传统大功率开关电源并联均流控制方法，如主从法、平均值法、最大电流法，主要通过电流母线反馈最大电流或者平均电流和自身电流形成误差来调整模块电压基准从而实现均流，如图1所示。这些均流方法需要将多个控制环串联，导致系统响应变慢，尤其是多台电源并联。
这些传统均流方法需要使用电流母线，要求模块电流信号能够并入母线，同时母线信号又能够传输到各个模块与模块电流反馈信号进行误差放大，也就是说电流母线信号传输是双向的。在电磁干扰严重的场合下，希望使用差分传输来获得很高的共模抑制比，而差分传输需要两套收发装置才能使信号双向传输，这无疑增加了采用电流母线实现均流的成本，设计和生产的复杂度。
为了提高输出电压的负载调整率和精度，通常需要在并联系统的外部放置一个电压控制模块，如图2所示，把设定参考和并联电压输出终端反馈信号进行误差放大产生总控制信号，该总控信号是单向的，可通过一套差分装置传输给各个子模块作为控制参考。如果采用上述传统均流控制方法，系统则需要使用两条控制母线才能够实现电压远程补偿和模块电流均衡，这无疑增加了系统复杂度以及故障率。
一般情况下模块电流信号是通过二极管或者电阻并入电流母线，电流母线信号直接传输到模块误差放大器输入端，模块之间存在多个共地点，这可能产生地线环流，导致均流环路、甚至系统极易受到干扰，从而使系统的稳定性变差。
很多的控制系统希望均流控制方法既能够通过模拟电路实现，也能够通过数字方式实现，既能够应用到开关电源，也能够应用到线性电源，这就要求均流控制方法实现应非常简洁，才具有很高的灵活性。而传统的均流方法相对复杂。
上述传统均流控制方法及装置由于系统响应慢，需要多条控制母线，不利于信号差分传输，易产生环流，抗干扰能力差，电路设计、生产、装配、调试复杂，且不能够灵活的应用于其他类型控制系统，从而使其应用范围受到限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种无均流母线的并联均流装置和控制方法，解决传统并联均流装置设置有单独电流母线，电压外环和电压内环双环电路复杂，多机并联动态响应慢，地线环流抗干扰能力差，设计、生产、调试复杂等问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种无均流母线的并联均流控制方法，用于实现多个功率变换子模块直流输出并联均流，包括电压控制模块和多个功率变换子模块，电压控制模块与并联输出的多个功率变换子模块构成电压外环，电压控制模块采样功率变换子模块并联输出的终端电压信号，输出电压外环控制信号至各个功率变换子模块，各个功率变换子模块接收电压外环控制信号；各个功率变换子模块包括自身的电流内环且采样自身的电流反馈信号生成电流内环控制信号与所述电压外环控制信号叠加控制各个功率变换子模块的输出。
终端电压信号与电压设定参考比较进行电压误差放大产生电压外环控制信号；电压外环控制信号一路作为本功率变换子模块的电流误差放大参考，与本功率变换子模块自身输出的电流反馈信号比较进行电流误差放大产生电流内环控制信号，另一路则与本功率变换子模块产生的电流内环控制信号叠加产生本功率变换子模块的叠加控制信号，叠加控制信号依次经过本功率变换子模块的驱动部分和功率变换部分，控制各个功率变换子模块的输出稳压均流。
终端电压信号和电压外环控制信号的传输是单方向，且采用差分方式传输。
电流内环带宽小于电压外环带宽，电流内环和电压外环的控制环响应速度不同。
功率变换子模块为开关电源或线性电源，电压外环和电流内环的信号传输采用模拟信号控制或数字信号控制。
本发明还提供一种无均流母线的并联均流控制装置，用于实现多个功率变换子模块直流输出并联均流，包括电压控制模块和多个功率变换子模块，多个功率变换子模块并联，电压控制模块与并联输出的多个功率变换子模块并联构成电压外环，电压控制模块采样多个功率变换子模块并联输出的终端电压信号，输出电压外环控制信号至各个功率变换子模块，各个功率变换子模块接收电压外环控制信号；每个功率变换子模块包括一个电流内环，多个电流内环之间无电流母线连接，各个电流内环分别采集其对应的功率变换子模块独立输出的电流反馈信号，生成电流内环控制信号，电流内环控制信号与所述电压外环控制信号叠加控制各个功率变换子模块的输出。
所述电压控制模块包括第一差分放大器、电压误差放大器和差分驱动器，第一差分放大器采样多个功率变换子模块并联输出的终端电压信号，按一定比例缩放连接到电压误差放大器“-”输入端，电压设定参考连接到电压误差放大器“+”输入端，输出误差放大信号，经差分驱动器差分输出到各个功率变换子模块作为电压外环控制信号。
电流内环包括电流放大器、电流误差放大器、第二差分放大器和加法器，第二差分放大器采样提取电压外环控制信号输出，其中一路输出连接到电流误差放大器“+”输入端，作为其参考，另一路输出连接到加法器；通过电流放大器采样功率变换子模块的电流经过比例缩放后连接到电流误差放大器“-”输入端，电流误差放大器输出误差放大信号连接到加法器与另一路输出信号求和输出叠加控制信号控制功率变换子模块。
电压控制模块以差分方式采样多个功率变换子模块并联输出的终端电压信号，输出电压外环控制信号以差分方式单向输入给第二差分放大器。
本发明将单独电流母线与电压母线合成为一条电压外环控制母线，且控制母线是单向的，非常适合差分方式传送，使得系统具有出色的干扰抑制能力；且功率变换子模块内部无电压内环，电压控制模块直接控制各功率变换子模块输出，从而使系统动态响应很快；功率变换子模块内的电流内环强迫使正负输入引脚相等，间接调整电压外环输出，使得各功率变换子模块均流；应用中可将电流内环带宽取小，而电压外环带宽取高，从而实现动态响应获得电压外环的速度，稳态下获得电流内环的均流。
本发明的有益效果是无需单独电流母线，只需要一条单向的控制电压外环，在实现传统装置相同功能的同时使装置电路的设计、生产、调试更加简单和简洁，进而实现多机并联动态响应快，消除地线环流提高了装置抗干扰能力，且非常容易实现模拟控制或数字控制的开关电源、线性电源的多模块并联均流。
附图说明
图1为现有技术最大电流法需单独电流母线的控制框图；
图2为本发明实施例无单独电流母线的多模块并联均流连接框图；
图3为本发明实施例无单独电流母线的单模块并联均流控制框图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例一，如图2和图3所示，本实施例提供一种无均流母线的并联均流控制装置，包括一个电压控制模块10和三个功率变换子模块20，电压控制模块10包括第一差分放大器101、电压误差放大器和差分驱动器104，电压误差放大器包括电压减法器102和PID调节器103。并联的三个功率变换子模块总输出的终端电压信号通过第一差分放大器101采样，按一定比例缩放连接到电压外环的电压减法器102的“-”输入，电压设定参考连接到电压减法器102的“+”，误差信号经过PID调节器103放大后，通过差分驱动器104输出分别连接到三个功率变换子模块，作为一个电压外环控制信号，电压外环控制信号的输入和输出均采用差分传输，使得电压外环具有非常高的共模抑制比，能够有效抑制噪声。
    每个功率变换子模块20包括电流放大器201、电流误差放大器、第二差分放大器204、加法器205、驱动信号转换模块206和功率变换模块207，所述电流误差放大器包括电流减法器202和PI调节器203，通过第二差分放大器204采样提取电压外环控制信号，该电压外环控制信号一路连接到电流减法器202的输入“+”，作为其参考，另一路连接到加法器205；功率变换子模块20的输出电流Io通过电流放大器201比例缩放后连接到电流减法器202的输入“-”，误差信号经过PI调节器203放大输出信号连接到加法器205与电压外环控制信号叠加求和，再通过驱动信号转换模块206输出驱动信号，驱动功率变换模块207进行输出控制。
叠加求和信号通过驱动信号转换模块206产生驱动信号，该驱动信号转换模块206根据电源类型进行选择，如果是开关电源，则通过与三角波比较电路产生PWM驱动信号；如果是线性电源，则按照一定比例缩放线性的控制功率开关器件，本实施例可应用于多模块并联的开关电源或线性电源，实现模块均流。
本实施例还提供一种无均流母线的并联均流控制方法，用于实现多个功率变换子模块直流输出并联均流，包括一个电压控制模块和三个功率变换子模块，电压控制模块与并联输出的三个功率变换子模块构成电压外环，电压控制模块采样功率变换子模块并联输出的终端电压信号，输出电压外环控制信号至各个功率变换子模块，各个功率变换子模块接收电压外环控制信号；各个功率变换子模块包括自身的电流内环且采样自身的电流反馈信号生成电流内环控制信号与所述电压外环控制信号叠加控制各个功率变换子模块的输出。
终端电压信号与电压设定参考比较进行电压误差放大产生电压外环控制信号；电压外环控制信号一路作为本功率变换子模块的电流误差放大参考，与本功率变换子模块自身输出的电流反馈信号比较进行电流误差放大产生电流内环控制信号，另一路则与本功率变换子模块产生的电流内环控制信号叠加产生本功率变换子模块的叠加控制信号，叠加控制信号依次经过本功率变换子模块的驱动部分和功率变换部分，控制各个功率变换子模块的输出稳压均流。
终端电压信号和电压外环控制信号的传输是单方向，且采用差分方式传输。
电流内环带宽小于电压外环带宽，电流内环和电压外环的控制环响应速度不同。
本实施例的工作原理为，当其中一个功率变换子模块电流大，另一个功率变换子模块电流小时，其参考信号相同，电流大的模块电流误差信号小，其电流环产生的控制量小，电流小的模块则反之。假定此时电流参考信号均大于这两个模块的电流反馈信号，且输出电压已经稳定，因为电流误差都为正，那么电流误差输出为正，并叠加到电压外环控制量，使输出电压增大。电压外环检测到输出电压升高，不断减小控制量，当电压外环控制量等于或略小于电流大的模块反馈电流，但大于电流小的模块时，电流大的模块控制量开始减小，其模块电流也开始减小，电流小的模块电流控制量依然增大，其电流也增大。外环输出电压反馈仍然大于电压设定参考，电压外环仍然减小控制量，电流大的模块电流仍然减小，而电流下的模块电流逐渐增大。当电流小的模块电流误差放大器输入信号相等时，此时电流大的模块电流误差放大器输入信号也相等，从而获得模块间的均流。假设某一条件破坏当前平衡，比如其中一个模块输入电压突然减小，这将导致该模块输出电流变小，输出电压也相对减小，为了达到设定电压，电压外环控制量增大，因为电压外环的速度更快，很快使输出稳定。电流环参考信号增大，意味着每个模块电流误差增大，电流控制量增大，如上述，电压外环减小控制量，电流大的模块减小电流控制量，电流小的模块增大电流控制量，直至所有电流环输入相等，最终恢复电流均衡。
本实施例使用差分方式传输信号的优点，一是实现输入与输出的高阻隔离，使模块并联后不存在地线环流，解决环流导致的信号干扰，控制不稳定。二是输出电压采样可能需要放在远端来补偿线路阻抗对输出电压的损失，采样信号线必然很长，这将导致信号线极易受到干扰；而差分采样具有出色的共模抑制能力，可以有效的抑制噪声。
而现有技术均流控制，如最大电流法，如图1所示，其电流信号通过电流放大器201缩放后，一路输入到电流误差放大器的输入“-”，另一路通过二极管210并入电流母线，当本模块电流Ui1大于I-Bus电压时，二极管210导通，该模块开始控制电流母线；当本模块电流Ui1小于I-Bus电压时，二极管210不导通，电流误差放大器输出信号为正，叠加到电压误差放大器“+” 输入，其中，电压误差放大器包括减法器208及PID调节器209，增大参考信号，从而使本模块电流增大。其电流母线是双向的，模块既要能够把信号传送至电流母线，又要能够输入电流母线信号，这导致传统需电流母线均流控制方法使用差分传输信号相对困难。而本实施例只有一条电压母线，且是单向的，使得系统非常方便使用差分方式传输信号，从而提高系统的抗干扰能力。
实施例二，如图3所示，本实施例为包括一个电压控制模块和一个功率变换子模块，其余技术方案如实施例一。
本实施例的工作原理为当一个模块运行，假定输出电压为零，输出电流为零，当电压控制模块设定参考后，因为此时误差很大，电压外环产生一个很大的控制量传输给功率变换子模块20，因为电流内环相对较慢，对其参考变化并不敏感，此时主要起控制作用的是电压外环，其促使输出电压快速上升，使输出电压稳定到设定电压。电压外环的控制量同时也作为电流内环的参考，电流内环误差为正，其通过PI运算产生一个正的控制信号叠加到电压外环上。对于已经稳定的输出电压，增大控制量必然导致输出电压升高。当电压外环检测到输出电压大于设定值，其会减小控制量使输出电压减小，等效作用于电流环的参考信号减小。但此时电流环误差仍然为正，输出电流进一步增大，而电压外环控制量在逐渐减小，使得电流环的误差信号和控制量逐渐变小，最终使电压外环的控制量等于电流内环的反馈电流，也就是电压外环控制信号在稳态下等于模块电流信号。当某一条件破坏当前平衡后，比如负载突然减小，此时电流减小，电压相对升高，电压外环迅速减小控制量，来减小输出电压，假定此时电流误差放大器参考信号仍大于电流反馈信号，那么电流误差放大器仍会增大其输出，电流输出增大，这导致输出电压仍然很高，那么电压外环不得不再减小控制量，直至使电流误差放大器输入信号相等重新建立平衡。

Claims (9)

1.一种无均流母线的并联均流控制方法，用于实现多个功率变换子模块直流输出并联均流，包括电压控制模块和多个功率变换子模块，其特征在于：电压控制模块与并联输出的多个功率变换子模块构成电压外环，电压控制模块采样功率变换子模块并联输出的终端电压信号，输出电压外环控制信号至各个功率变换子模块，各个功率变换子模块接收电压外环控制信号；各个功率变换子模块包括自身的电流内环且采样自身的电流反馈信号生成电流内环控制信号与所述电压外环控制信号叠加控制各个功率变换子模块的输出。
2.如权利要求1所述的一种无均流母线的并联均流控制方法，其特征在于：终端电压信号与电压设定参考比较进行电压误差放大产生电压外环控制信号；电压外环控制信号一路作为本功率变换子模块的电流误差放大参考，与本功率变换子模块自身输出的电流反馈信号比较进行电流误差放大产生电流内环控制信号，另一路则与本功率变换子模块产生的电流内环控制信号叠加产生本功率变换子模块的叠加控制信号，叠加控制信号依次经过本功率变换子模块的驱动部分和功率变换部分，控制各个功率变换子模块的输出稳压均流。
3.如权利要求1或2所述的一种无均流母线的并联均流控制方法，其特征在于：终端电压信号和电压外环控制信号的传输是单方向，且采用差分方式传输。
4.如权利要求3所述的一种无均流母线的并联均流控制方法，其特征在于：电流内环带宽小于电压外环带宽，电流内环和电压外环的控制环响应速度不同。
5.如权利要求1所述的一种无均流母线的并联均流控制方法，其特征在于：功率变换子模块为开关电源或线性电源，电压外环和电流内环的信号传输采用模拟信号控制或数字信号控制。
6.一种无均流母线的并联均流控制装置，用于实现多个功率变换子模块直流输出并联均流，包括电压控制模块和多个功率变换子模块，其特征在于：多个功率变换子模块并联，电压控制模块与并联输出的多个功率变换子模块并联构成电压外环，电压控制模块采样多个功率变换子模块并联输出的终端电压信号，输出电压外环控制信号至各个功率变换子模块，各个功率变换子模块接收电压外环控制信号；每个功率变换子模块包括一个电流内环，多个电流内环之间无电流母线连接，各个电流内环分别采集其对应的功率变换子模块独立输出的电流反馈信号，生成电流内环控制信号，电流内环控制信号与所述电压外环控制信号叠加控制各个功率变换子模块的输出。
7.如权利要求6所述的一种无均流母线的并联均流装置，其特征在于：所述电压控制模块包括第一差分放大器、电压误差放大器和差分驱动器，第一差分放大器采样多个功率变换子模块并联输出的终端电压信号，按一定比例缩放连接到电压误差放大器“-”输入端，电压设定参考连接到电压误差放大器“+”输入端，输出误差放大信号，经差分驱动器差分输出到各个功率变换子模块作为电压外环控制信号。
8.如权利要求6或7所述的一种无均流母线的并联均流装置，其特征在于：电流内环包括电流放大器、电流误差放大器、第二差分放大器和加法器，第二差分放大器采样提取电压外环控制信号输出，其中一路输出连接到电流误差放大器“+”输入端，作为其参考，另一路输出连接到加法器；通过电流放大器采样功率变换子模块的电流经过比例缩放后连接到电流误差放大器“-”输入端，电流误差放大器输出误差放大信号连接到加法器与另一路输出信号求和输出叠加控制信号控制功率变换子模块。
9.如权利要求6所述的一种无均流母线的并联均流装置，其特征在于：电压控制模块以差分方式采样多个功率变换子模块并联输出的终端电压信号，输出电压外环控制信号以差分方式单向输入给第二差分放大器。
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