CN105406719B - 应用于程控直流电源模块并联均流的装置及其均流方法 - Google Patents

应用于程控直流电源模块并联均流的装置及其均流方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了应用于程控直流电源模块并联均流的装置及其均流方法。并联均流的方法基于应用于程控直流电源模块并联均流的装置。本装置包括多个并联的具有相同规格特性的电源模块、采样电路及CPU处理电路；采样电路实时检测各个电源模块的输出电压和电流参数，并传输给CPU处理电路，经CPU处理电路的CPU处理器处理，输出驱动信号，从而控制各个电源模块电路的输出，最终使各个电源模块输出均衡的电流。本发明具有可编程、控制灵活、通用性强的优点，可以简化硬件电路，解决模拟控制的元器件老化和温漂所带来的问题，增强抗干扰能力，提高控制系统的可靠性。

Description

应用于程控直流电源模块并联均流的装置及其均流方法
技术领域
本发明涉及程控直流电源模块并联输出的技术，尤其是一种应用于程控直流电源模块并联均流的装置及其均流方法。
背景技术
随着科学技术的发展，大功率、高功率密度、高可靠性的电源系统的需求不断提高。如果采用单台电源供电，由于需要处理的功率比较大，给功率器件的选择、开关频率和功率密度的提高带来困难。另外，一旦电源发生故障，将导致整个系统的崩溃。因此，采用多个电源模块并联运行输出大功率是电源技术发展的重要方向。并联系统中，每个变换器只处理较小功率，由于各个并联单元平均承担总的电、热应力，所以单个单元承受的应力被降低，各单元电路中元件的功率级别也可相应降低，变换器的重量与体积减小、功率密度有所提高，还可以应用冗余技术，提高系统可靠性。另外由于功率损耗变小了，降低了热损设计的难度。
一般情况下，不允许将电源模块的输出端直接并联，否则会出现部分并联模块负载不均运行，导致热应力分配不均，降低了系统的可靠性。
目前，一般采用并联均流技术确保每个并联模块均匀分担负载电流。常用的并联均流控制方法有输出阻抗法、主从设置法、平均电流法及最大电流法等。这些都属于模拟控制法，但该控制法存在缺陷，如分立元件多，维护费用高，移植性差。
发明内容
针对现有技术的不足，本提供了应用于程控直流电源模块并联均流的装置及其均流方法，即在多个电源模块并联构成大功率电源时，平均分配每一个电源模块输出电流，使得每个电源模块输出功率一致，避免某个模块因过流或过功率损坏而使供电系统崩溃。
本发明采用如下技术方案：
一种应用于程控直流电源模块并联均流的装置，包括多个并联的具有相同规格特性的电源模块、采样电路及CPU处理电路，所述电源模块均安装在程控直流电源主机中；
所述CPU处理电路为各个电源模块分配单独的处理单元，各个电源模块均包括功率变换电路、整流电路、滤波电路及反馈补偿电路，采样电路均包括电流反馈电路、电压反馈电路；
所述功率变换电路、整流电路、滤波电路依次串联，每个电源模块的电源经功率变换电路调整功率、经整流电路整流、经滤波电路滤除噪声后与其他电源模块并联连接负载；
采样电路实时检测各个电源模块的输出电压和电流参数，并传输给CPU处理电路，CPU处理电路经过差分取样、比较放大后送入模数转换器处理，并将电压和电流参数累加后传输给CPU处理电路的CPU处理器，CPU处理器输出驱动信号，从而控制各个电源模块电路的输出，最终使各个电源模块输出均衡的电流。
优选地，所述滤波电路连接电流反馈电路，电流反馈电路连接CPU处理电路，组成电流环，以电流环为内环；
所述各个电源模块并联后连接电压反馈电路，电压反馈电路连接CPU处理电路，组成电压环，以电压环为外环；
所述CPU处理电路经反馈补偿电路连接驱动电路，驱动电路连接功率变换电路。
优选地，所述功率变换电路为全桥谐振拓扑，全桥谐振拓扑实现开关管零电压导通和零电流关断。
优选地，所述整流电路为二极管组成的全波整流电路。
优选地，所述CPU处理电路还连接有保护电路，保护电路实时监测各电源模块的运行状态，实时监控模块输入/输出电压、电流参数，进行过压、欠压、过流保护；
若某模块发生故障，则发出报警。
优选地，所述各个电源模块还包括电流前馈电路，整流电路连接电流前馈电路，电流前馈电路经反馈补偿电路连接驱动电路，驱动电路连接电流前馈电路，组成电流前馈环路，电流前馈环路对电源模块的电流进行快速调整。
根据上述应用于程控直流电源模块并联均流的装置的均流方法，采用如下步骤：
(1)CPU处理电路根据预先设定的系统参数，计算输出电压和总电流值，各个电源模块自动平均分配电流参数；
(2)电流环实时对各个电源模块输出电流信号进行采集，将采样参数送入CPU进行处理；电压环实时对输出电压信号进行采集，将采样参数送入CPU进行处理；
(3)CPU处理电路对采集的电压和电流参数进行比较和求和，与预先设定的系统参数做比较，CPU处理器根据采集的电流信号发出驱动信号给驱动电路控制功率变换电路改变其输出值；
(4)经过反馈补偿电路同步控制功率变换电路输出相同电流，并使得输出电压跟随系统参数的给定电压，对负载的变化起抗扰动作用，满足并联系统输出电压稳定的要求。
所述步骤(2)中还包括电流前馈过程，各个电源模块获得步骤(1)的电流参数后，电流前馈环路对电源模块的电流进行快速调整。
所述步骤(3)中CPU处理器根据采集的电流信号发出PWM驱动信号给驱动电路控制功率变换电路改变其输出值，通过调制驱动电路的脉冲宽度控制功率变换电路。
采用如上技术方案取得的有益技术效果为：
应用于程控直流电源模块并联均流的方法具有可编程、控制灵活、通用性强的优点，可以简化硬件电路，解决模拟控制的元器件老化和温漂所带来的问题，增强抗干扰能力，提高控制系统的可靠性。
该均流方法易于实现各种先进的控制方法和智能控制策略，使得电源的智能化程度更高，性能更好。
此外，通过软件的升级还可以不断提升系统均流的瞬态响应速度和模块的智能化管理，在并联技术领域中具有很明显的优势，拥有很好的发展前景。
附图说明
图1为多电源模块并联均流电路原理框图。
图2为各个电源模块电路示意图。
具体实施方式
结合附图1至2对本发明的具体实施方式做进一步说明：
一种应用于程控直流电源模块并联均流的装置，包括多个并联的具有相同规格特性的电源模块、采样电路及CPU处理电路，所述电源模块均安装在程控直流电源主机中，如图1所示。采样电路实时检测各个电源模块的输出电压和电流参数，并传输给CPU处理电路，CPU处理电路经过差分取样、比较放大后送入模数转换器处理，并将电压和电流参数累加后传输给CPU处理电路的CPU处理器，CPU处理器输出驱动信号，从而控制各个电源模块电路的输出，最终使各个电源模块输出均衡的电流。
如图2所示，CPU处理电路为各个电源模块分配单独的处理单元，各个电源模块均包括功率变换电路、整流电路、滤波电路及反馈补偿电路，采样电路均包括电流反馈电路、电压反馈电路。
功率变换电路、整流电路、滤波电路依次串联，每个电源模块的电源经功率变换电路调整功率、经整流电路整流、经滤波电路滤除噪声后与其他电源模块并联连接负载。
滤波电路连接电流反馈电路，电流反馈电路连接CPU处理电路，组成电流环，以电流环为内环；各个电源模块并联后连接电压反馈电路，电压反馈电路连接CPU处理电路，组成电压环，以电压环为外环；CPU处理电路经反馈补偿电路连接驱动电路，驱动电路连接功率变换电路。
各个电源模块还包括电流前馈电路，整流电路连接电流前馈电路，电流前馈电路经反馈补偿电路连接驱动电路，驱动电路连接电流前馈电路，组成电流前馈环路，电流前馈电路采用差分取样、比较运算放大后，反馈到反馈补偿电路，起到快速调整作用。
功率变换电路采用不同的电源拓扑结构，一般在大功率应用中，采用全桥谐振拓扑，实现开关管零电压导通和零电流关断，从而减小开关损耗。整流电路一般采用二极管直接整流，为了减小二极管电流应力，可以采用全波整流方式，在低压大电流应用场合一般选择同步整流控制方式实现，减小整流管损耗，从而提高变换器转换和整流效率。滤波电路实现电流平滑，滤除噪声。
各并联模块以均流母线为参考，自动平均分配电流参数，通过反馈补偿电路同步控制功率变换电路输出相同电流，电压参数使得输出电压跟随给定电压，对负载的变化起抗扰动作用，满足并联系统输出电压稳定的要求。
CPU处理电路还连接有保护电路，保护电路实时监测各电源模块的运行状态，实时监控模块输入/输出电压、电流参数，进行过压、欠压、过流保护；若某模块发生故障，则发出报警。
根据上述应用于程控直流电源模块并联均流的装置的均流方法，采用如下步骤：
(1)CPU处理电路根据预先设定的系统参数，计算输出电压和总电流值，各并联模块以均流母线为参考(均流母线为假设的电流参考值)，各个电源模块自动平均分配电流参数；
(2)电流环实时对各个电源模块输出电流信号进行采集，将采样参数送入CPU进行处理；电压环实时对输出电压信号进行采集，将采样参数送入CPU进行处理；
(3)CPU处理电路对采集的电压和电流参数进行比较和求和，与预先设定的系统参数做比较，CPU处理器根据采集的电流信号发出驱动信号给驱动电路控制功率变换电路改变其输出值；
(4)经过反馈补偿电路同步控制功率变换电路输出相同电流，并使得输出电压跟随系统参数的给定电压，对负载的变化起抗扰动作用，满足并联系统输出电压稳定的要求。
所述步骤(2)中还包括电流前馈过程，各个电源模块获得步骤(1)的电流参数后，电流前馈环路对电源模块的电流进行快速调整。
所述步骤(3)中CPU处理器根据采集的电流信号发出PWM驱动信号给驱动电路控制功率变换电路改变其输出值，通过调制驱动电路的脉冲宽度控制功率变换电路。
所有并联电源模块作为一个大功率模块对待，主机只对这一个模块发送控制命令，因此电源编程很容易实现。由于是程控直流电源主机中的固件并联管理，所有特性就像是一个大电源模块，这些特性包括：在并联模块间正确分配编程量值；进行电压和电流测量，并将测量结果相加；设置模块保护特性；监视电源模块工作状态。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (8)

1.一种应用于程控直流电源模块并联均流的装置，其特征在于，包括多个并联的具有相同规格特性的电源模块、采样电路及CPU处理电路，所述电源模块均安装在程控直流电源主机中；
所述CPU处理电路为各个电源模块分配单独的处理单元，各个电源模块均包括功率变换电路、整流电路、滤波电路及反馈补偿电路，采样电路均包括电流反馈电路、电压反馈电路；
所述功率变换电路、整流电路、滤波电路依次串联，每个电源模块的电源经功率变换电路调整功率、经整流电路整流、经滤波电路滤除噪声后与其他电源模块并联连接负载；
采样电路实时检测各个电源模块的输出电压和电流参数，并传输给CPU处理电路，CPU处理电路经过差分取样、比较放大后送入模数转换器处理，并将电压和电流参数累加后传输给CPU处理电路的CPU处理器，CPU处理器输出驱动信号，从而控制各个电源模块电路的输出，最终使各个电源模块输出均衡的电流；
所述滤波电路连接电流反馈电路，电流反馈电路连接CPU处理电路，组成电流环，以电流环为内环；
所述各个电源模块并联后连接电压反馈电路，电压反馈电路连接CPU处理电路，组成电压环，以电压环为外环；
所述CPU处理电路经反馈补偿电路连接驱动电路，驱动电路连接功率变换电路。
2.根据权利要求1所述的一种应用于程控直流电源模块并联均流的装置，其特征在于，所述功率变换电路为全桥谐振拓扑，全桥谐振拓扑实现开关管零电压导通和零电流关断。
3.根据权利要求1所述的一种应用于程控直流电源模块并联均流的装置，其特征在于，所述整流电路为二极管组成的全波整流电路。
4.根据权利要求1所述的一种应用于程控直流电源模块并联均流的装置，其特征在于，所述CPU处理电路还连接有保护电路，保护电路实时监测各电源模块的运行状态，实时监控模块输入/输出电压、电流参数，进行过压、欠压、过流保护；
若某模块发生故障，则发出报警。
5.根据权利要求1所述的一种应用于程控直流电源模块并联均流的装置，其特征在于，所述各个电源模块还包括电流前馈电路，整流电路连接电流前馈电路，电流前馈电路经反馈补偿电路连接驱动电路，驱动电路连接电流前馈电路，组成电流前馈环路，电流前馈环路对电源模块的电流进行快速调整。
6.根据权利要求5所述的一种应用于程控直流电源模块并联均流的装置的均流方法，其特征在于，所述均流方法采用如下步骤：
(1)CPU处理电路根据预先设定的系统参数，计算输出电压和总电流值，各个电源模块自动平均分配电流参数；
(2)电流环实时对各个电源模块输出电流信号进行采集，将采样参数送入CPU进行处理；电压环实时对输出电压信号进行采集，将采样参数送入CPU进行处理；
(3)CPU处理电路对采集的电压和电流参数进行比较和求和，与预先设定的系统参数做比较，CPU处理器根据采集的电流信号发出驱动信号给驱动电路控制功率变换电路改变其输出值；
(4)经过反馈补偿电路同步控制功率变换电路输出相同电流，并使得输出电压跟随系统参数的给定电压，对负载的变化起抗扰动作用，满足并联系统输出电压稳定的要求。
7.根据权利要求6所述的一种应用于程控直流电源模块并联均流的装置的均流方法，其特征在于，所述步骤(2)中还包括电流前馈过程，各个电源模块获得步骤(1)的电流参数后，电流前馈环路对电源模块的电流进行快速调整。
8.根据权利要求6所述的一种应用于程控直流电源模块并联均流的装置的均流方法，其特征在于，所述步骤(3)中CPU处理器根据采集的电流信号发出PWM驱动信号给驱动电路控制功率变换电路改变其输出值，通过调制驱动电路的脉冲宽度控制功率变换电路。
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