CN104935156A - 一种动态均流控制方法及电路 - Google Patents

Abstract

一种动态均流控制方法及电路，其中的一种控制电路包括若干个并联的功率模块、总控制板以及与所述功率模块数量相同的子控制板、控制开关；所述总控制板与各功率模块的子控制板通过通讯传递动态均流参考数据；所述各功率模块通过输出端的控制开关实现多路输出和任意数量的功率模块之间并联后的动态均流控制；本发明还包括另外一种控制方法和两种控制电路。采用本发明所提供的控制方法及电路，可以实现多个功率模块在任意组合、随机并联后都能达到均流状态，并进一步保障均流的可靠性。

Description

一种动态均流控制方法及电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是一种动态均流控制方法及电路。

背景技术

采用半导体元件设计的功率模块在并联使用时，通常由于半导体元件特性的差异、外部线路的差异、负载扰动等因数导致并联工作的功率模块的负载无法均衡，进而造成电流或功率不能在并联的功率模块之间平均分配，严重时甚至烧毁功率模块，从而成为工程应用中的一大技术壁垒。

传统的解决方案有多种，例如，加大功率模块的设计裕量，保证即使在不均流的情况下也能正常工作。然而这种解决方案的代价在于：为了加大设计裕量，则需选用超过一倍功率的元件，从而成倍的增加成本、体积和重量，既不利于批量生产，也不适用于对体积、重量、成本要求严格的行业，比如轨道交通车载变流器对体积和重量有着严格的限制。又或者，在多个并联的功率模块中设定输出电流最大的模块自动成为主模块，其余模块为从模块，它们的电压误差依次被整定，以校正负载电流分配的不平衡。然而由于各个功率模块是以“最大电流”为输出电流基值，除实际输出电流为最大值的那个功率模块外，其余功率模块的输出电流都要向上调节，只有输出电流为最大值的那个功率模块的输出电流才会下降，在负载不变的情况下，必然出现多个功率模块输出电流的增加量大于单个功率模块输出电流的减少量，结果导致功率模块输出端电压高于额定电压，产生“过电压”；又或者以“最小电流”为输出电流基值，产生“欠电压”；这两种均会对电源和负载的可靠性、安全性带来不利影响，影响整个系统的动态响应。

另外，由于考虑到多个功率模块在任意组合、随机并联时会带来各路输出之间的电流不均衡，且实现起来较为复杂，相应的成本和电路的体积随之增加，同时整个电路的可靠性降低，因此现有的均流控制电路大多采用单路输出，应用范围窄。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种动态均流控制方法及电路，其可以保证在不增加成本、体积和重量的条件下，实现多个功率模块在任意组合、随机并联后都能达到均流状态，保证均流的可靠性。

实现本发明所提供的控制方法的第一种技术方案如下：

一种动态均流控制方法，包括以下步骤：

（1）由总控制板获取多个并联功率模块各支路上的输出电流i₁, i₂,…,i_k (k≥2)，并对输出电流i₁, i₂,…,i_k (k≥2)进行加运算，得到总输出电流i；再由总控制板计算总输出电流i除以k，得到多个并联功率模块各支路的总限流值i_m；

（2）将输出电流i₁, i₂,…,i_k (k≥2)和总限流值i_m发送到与多个并联功率模块分别相对应的各个子控制板中，由各个子控制板以总限流值i_m为基准来调节多个并联功率模块各支路输出电流i₁, i₂,…,i_k (k≥2)的限流值，使得输出大电流功率模块的输出电流下降，输出小电流功率模块的输出电流上升，直至各支路的输出电流基本相等，达到均流状态；

（3）总控制板通过检测各控制开关的状态获取各功率模块的并联情况，从而将计算出来的均流电流值发送给处于并联状态的功率模块。

进一步，所述多个并联功率模块之间可任意动态组合，随机并联。

进一步，步骤（1）中，由总控制板直接采集或通过通讯获取多个并联功率模块各支路上的输出电流i₁, i₂,…,i_k (k≥2)。

进一步，步骤（2）中，所述输出电流i₁, i₂,…,i_k (k≥2)和总限流值i_m通过光纤通讯或电缆通讯发送到与多个并联功率模块分别相对应的各个子控制板中。

实现本发明所提供的控制方法的第二种技术方案如下：

一种动态均流控制方法，包括以下步骤：

（1）由总控制板获取多个并联功率模块各支路上的输出电流i₁, i₂,…,i_k (k≥2)和干路上的总输出电流i；由总控制板计算总输出电流i除以k，得到多个并联功率模块各支路的总限流值i_m；

（2）将输出电流i₁, i₂,…,i_k (k≥2)和总限流值i_m发送到与多个并联功率模块分别相对应的各个子控制板中，由各个子控制板以总限流值i_m为基准来调节多个并联功率模块各支路输出电流i₁, i₂,…,i_k (k≥2)的限流值，使得输出大电流功率模块的输出电流下降，输出小电流功率模块的输出电流上升，直至各支路的输出电流基本相等，达到均流状态；

（3）总控制板通过检测各控制开关的状态获取各功率模块的并联情况，从而将计算出来的均流电流值发送给处于并联状态的功率模块。

实现本发明所提供的控制电路的第一种技术方案如下：

一种动态均流控制电路，包括多个并联的功率模块、总控制板、以及与所述功率模块数量相同的子控制板和控制开关；

所述子控制板用于控制各自功率模块的电流；

所述总控制板用于快速计算并重新发出功率模块负载电流分配指令，以调整功率模块的限流值；所述总控制板与所述子控制板通讯连接；

所述控制开关用于控制功率模块之间进行任意动态组合，随机并联；控制开关的两端分别连接任意动态组合的功率模块。

进一步，所述子控制板与总控制板通过光纤通讯或电缆通讯连接。

实现本发明所提供的控制电路的第二种技术方案如下：

一种动态均流控制电路，包括多个并联的功率模块、总控制板、以及与所述功率模块数量相同的子控制板和控制开关；

所述子控制板用于控制各自功率模块的电流；

所述总控制板用于快速计算并重新发出功率模块负载电流分配指令，以调整功率模块的限流值；所述总控制板与所述子控制板通讯连接；所述总控制板还连接于任意动态组合的并联的功率模块干路上，用于获取多个并联功率模块干路上的总输出电流；

所述控制开关用于控制功率模块之间进行任意动态组合，随机并联；控制开关的两端分别连接任意动态组合的功率模块。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

（1）采用软件控制和硬件电路相结合以及独特的动态均流系统设计，保证在不增加成本、体积和重量的条件下，实现多个并联功率模块在任意动态组合后都能达到均流状态。

（2）以利用并联功率模块干路负载电流计算得到的总限流值为基准来调节多个并联功率模块各支路输出电流的限流值，使得输出大电流功率模块的输出电流下降，输出小电流功率模块的输出电流上升，直至各支路的输出电流基本相等，解决了现有技术中存在的“过电压”或“欠电压”问题。

（3）控制开关连接任意动态组合的功率模块，使得功率模块之间能够任意动态组合，随机并联实现多路输出，且各路输出都能达到均流状态，各路输出的负载电流相对于单路输出来说大大降低，成本也随之降低；另外多路输出可对不同电流值的负载进行控制，应用范围广，同时电路结构简单，容易实现。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。

实施例1

本实施例以轨道交通车载变流器为例进行说明。如图1所示：机车辅助供电柜中包括四组并联工作的功率模块UP1~UP4，总控制板A1，控制开关KM1~KM6，每个功率模块均自带子控制板；其中，总控制板A1用于采集功率模块UP1~UP4负载电流信号进行快速计算，并重新发出功率模块UP1~UP4负载电流分配指令，以调整功率模块UP1~UP4的限流值；子控制板用于控制各自功率模块UP1~UP4的电流；控制开关KM1~KM6用于控制功率模块UP1~UP4之间进行任意动态组合，随机并联。上述所有器件的连接关系为：功率模块UP1~UP4之间并联连接，控制开关KM1连接于功率模块UP1与UP2的输出端之间，控制开关KM2连接于功率模块UP1与UP3的输出端之间，控制开关KM3连接于功率模块UP2与UP4的输出端之间，控制开关KM4连接于功率模块UP2与UP3的输出端之间，控制开关KM5连接于功率模块UP3与UP4的输出端之间，控制开关KM6连接于功率模块UP1与UP4的输出端之间。总控制板A1则分别与功率模块UP1~UP4各自的子控制板进行光纤通讯，总控制板A1将采集到的电流值进行软件计算。

本实施例中，并联的功率模块UP1、UP2、UP3、UP4之间并不是孤立的，而是通过动态均流系统联系起来。它可以实现系统总输出电流在各并联功率模块中的精确均分，有较好的冗余，不会因为某一功率模块的故障而影响整个系统的运行，且动态均流系统的抗干扰性能较好，因而是一种优良的均流方法。

本实施例中的控制开关可以是KM1闭合后由功率模块UP1、UP2组成并联工作的模块组，也可以是KM1、KM2、KM4闭合后由功率模块UP1、UP2、UP3组成并联工作的模块组，也可以是KM6闭合后由功率模块UP1、UP4组成并联工作的模块组等等，总之可以任意动态组合、随机并联实现多路输出，且各路的输出1~输出4都能达到均流状态，其负载电流相对于单路输出来说大大降低，对于功率模块UP1~UP4上连接的电子器件的成本也随之降低，提高了整个系统的转换效率。另外，不同功率模块之间的组合可得到不同的均流值，从而可对不同电流值的负载进行控制，应用范围广。

本实施例中的控制开关KM1~KM6的参考型号为CL1115/02P 110ET-U2。

本实施例以闭合KM1、KM2、KM4为例来说明上述控制电路的控制方法，包括以下步骤：

（1）控制开关KM1、KM2、KM4闭合后，由总控制板通过光纤通讯获取并联功率模块UP1、UP2、UP3支路上的输出电流i₁, i₂, i₃，并对检测到的输出电流i₁, i₂, i₃进行加运算，得到总输出电流i；再由总控制板计算总输出电流i除以3，得到并联功率模块各支路的总限流值i_m；

（2）总控制板将输出电流i₁, i₂, i₃和总限流值i_m通过光纤通讯发送到与三个并联功率模块UP1~UP3分别相对应的各个子控制板中，由各个子控制板以总限流值i_m为基准来调节三个并联功率模块UP1~UP3各支路输出电流i₁, i₂, i₃的限流值，由于总控制板实时采集各个功率模块负载支路的电流，待检测到不均流时，便会快速进行计算并重新向各个子控制板发出负载电流分配指令，使得输出大电流功率模块的输出电流下降，输出小电流功率模块的输出电流上升，直至各支路的输出电流基本相等，达到均流状态；

（3）总控制板通过检测控制开关KM1~KM6的状态获取到功率模块UP1、UP2、UP3处于并联状态，从而将计算出来的均流电流值发送给处于并联状态的功率模块UP1、UP2、UP3。

本实施例通过采用软件控制和硬件电路相结合以及独特的动态均流系统设计，实现三个并联功率模块在任意动态组合后都能达到均流状态；并且以利用并联功率模块干路负载电流计算得到的总限流值为基准来调节多个并联功率模块各支路输出电流的限流值，使得输出大电流功率模块的输出电流下降，输出小电流功率模块的输出电流上升，直至各支路的输出电流基本相等，这种以平均的限流值为基准并不会出现最大电流值的大幅度下降和最小电流值的大幅度上升，大大降低了调节频率，保障了整个系统的动态响应，解决了现有技术中存在的“过电压”或“欠电压”问题；且硬件电路简单，系统成本、体积和重量大大降低。

实施例2

本实施例以轨道交通车载变流器为例进行说明。如图2所示：机车辅助供电柜中包括四组并联工作的功率模块UP1~UP4，总控制板A1，控制开关KM1~KM6，每个功率模块均自带子控制板；其中，总控制板A1用于采集功率模块UP1~UP4负载电流信号进行快速计算并重新发出功率模块UP1~UP4负载电流分配指令，以调整功率模块UP1~UP4的限流值；总控制板A1还用于获取功率模块UP1~UP4干路上的总输出电流。子控制板用于控制各自功率模块UP1、UP2、UP3、UP4的电流；控制开关KM1~KM6用于控制功率模块UP1~UP4之间进行任意动态组合，随机并联。上述所有器件的连接关系为：功率模块UP1~UP4之间并联连接，控制开关KM1连接于功率模块UP1与UP2的输出端之间，控制开关KM2连接于功率模块UP1与UP3的输出端之间，控制开关KM3连接于功率模块UP2与UP4的输出端之间，控制开关KM4连接于功率模块UP2与UP3的输出端之间，控制开关KM5连接于功率模块UP3与UP4的输出端之间，控制开关KM6连接于功率模块UP1与UP4的输出端之间。总控制板A1则分别与功率模块UP1~UP4各自的子控制板进行光纤通讯，总控制板A1将采集到的电流值进行放大、过滤、A/D转换后进行软件计算；总控制板A1还连接于任意动态组合的功率模块干路上。

本实施例以闭合KM6为例来说明上述控制电路的控制方法，包括以下步骤：

（1）控制开关KM6闭合后，由总控制板通过光纤通讯获取并联功率模块UP1、UP4支路上的输出电流i₁, i₄，另外，总控制板直接采集功率模块UP1、UP4干路上的总输出电流i，由总控制板计算总输出电流i除以2，得到并联功率模块各支路的总限流值i_m；

（2）总控制板将输出电流i₁, i₄和总限流值i_m通过光纤通讯发送到与两个并联功率模块UP1、UP4分别相对应的各个子控制板中，由各个子控制板以总限流值i_m为基准来调节并联功率模块UP1、UP4各支路输出电流i₁, i₄的限流值，由于总控制板实时采集各个功率模块负载支路的电流，待检测到不均流时，便会快速进行计算并重新向各个子控制板发出负载电流分配指令，使得输出大电流功率模块的输出电流下降，输出小电流功率模块的输出电流上升，直至各支路的输出电流基本相等，达到均流状态；

（3）总控制板通过检测控制开关KM1~KM6的状态获取到功率模块UP1、UP4处于并联状态，从而将计算出来的均流电流值发送给处于并联状态的功率模块UP1、UP4。

以上所述仅为本发明的优选实施例，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种动态均流控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）由总控制板获取多个并联功率模块各支路上的输出电流i₁, i₂,…,i_k (k≥2)，并对输出电流i₁, i₂,…,i_k (k≥2)进行加运算，得到总输出电流i；再由总控制板计算总输出电流i除以k，得到多个并联功率模块各支路的总限流值i_m；

（2）将输出电流i₁, i₂,…,i_k (k≥2)和总限流值i_m发送到与多个并联功率模块分别相对应的各个子控制板中，由各个子控制板以总限流值i_m为基准来调节多个并联功率模块各支路输出电流i₁, i₂,…,i_k (k≥2)的限流值，使得输出大电流功率模块的输出电流下降，输出小电流功率模块的输出电流上升，直至各支路的输出电流基本相等，达到均流状态；

（3）总控制板通过检测各控制开关的状态获取各功率模块的并联情况，从而将计算出来的均流电流值发送给处于并联状态的功率模块。

2.根据权利要求1所述的动态均流控制方法，其特征在于：所述多个并联功率模块之间可任意动态组合，随机并联。

3.根据权利要求1或2所述的动态均流控制方法，其特征在于：步骤（1）中，由总控制板直接采集或通过通讯获取多个并联功率模块各支路上的输出电流i₁, i₂,…,i_k (k≥2)。

4.根据权利要求1或2所述的动态均流控制方法，其特征在于：步骤（2）中，所述输出电流i₁, i₂,…,i_k (k≥2)和总限流值i_m通过光纤通讯或电缆通讯发送到与多个并联功率模块分别相对应的各个子控制板中。

5.一种动态均流控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）由总控制板获取多个并联功率模块各支路上的输出电流i₁, i₂,…,i_k (k≥2)和干路上的总输出电流i；由总控制板计算总输出电流i除以k，得到多个并联功率模块各支路的总限流值i_m；

（2）将输出电流i₁, i₂,…,i_k (k≥2)和总限流值i_m发送到与多个并联功率模块分别相对应的各个子控制板中，由各个子控制板以总限流值i_m为基准来调节多个并联功率模块各支路输出电流i₁, i₂,…,i_k (k≥2)的限流值，使得输出大电流功率模块的输出电流下降，输出小电流功率模块的输出电流上升，直至各支路的输出电流基本相等，达到均流状态；

（3）总控制板通过检测各控制开关的状态获取各功率模块的并联情况，从而将计算出来的均流电流值发送给处于并联状态的功率模块。

6.根据权利要求1所述动态均流控制方法的控制电路，其特征在于：包括多个并联的功率模块、总控制板、以及与所述功率模块数量相同的子控制板和控制开关；

所述子控制板用于控制各自功率模块的电流；

所述总控制板用于快速计算并重新发出功率模块负载电流分配指令，以调整功率模块的限流值；所述总控制板与所述子控制板通讯连接；

所述控制开关用于控制功率模块之间进行任意动态组合，随机并联；控制开关的两端分别连接任意动态组合的功率模块。

7.根据权利要求5所述动态均流控制方法的控制电路，其特征在于：包括多个并联的功率模块、总控制板、以及与所述功率模块数量相同的子控制板和控制开关；

所述子控制板用于控制各自功率模块的电流；

所述总控制板用于快速计算并重新发出功率模块负载电流分配指令，以调整功率模块的限流值；所述总控制板与所述子控制板通讯连接；所述总控制板还连接于任意动态组合的并联的功率模块干路上，用于获取多个并联功率模块干路上的总输出电流；

所述控制开关用于控制功率模块之间进行任意动态组合，随机并联；控制开关的两端分别连接任意动态组合的功率模块。