CN105633943A - 积木式开关电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了积木式开关电源系统，该系统包括开关电源电路和上位机，两个以上开关电源电路并联；每个开关电源电路包括依次连接的整流电路、功率因数校正电路、电压变换电路、均流控制电路；上位机连接每个开关电源电路中的均流控制电路，交流电从整流电路输入、直流电从电压变换电路输出。在上位机的控制下，本发明可采用积木式拼装组合的方式，将多个开关电源电路并联后均流，上位机分别控制每个开关电源电路，提高均流精度和系统合成效率，进而提高积木式开关电源系统的工作的频率和功率，增强积木式开关电源系统的可靠性，平均故障间隔时间大于两万小时，便于积木式开关电源系统的维护，降低积木式开关电源系统成本。

Description

积木式开关电源系统

技术领域

本发明涉及电源技术领域，更为具体来说，本发明将电能质量较差的原生态电源转换成设备要求质量较高的直流电源，是积木式开关电源系统。

背景技术

在新能源领域中，开关电源是其重要的组成部分之一，开关电源甚至可能成为决定新能源是否被市场接受的重要因素。随着新能源技术的蓬勃发展，开关电源也在快速的发展和推广。

但是，现有的大功率开关电源往往存在转换效率低、可靠性差、故障率高、成本高等问题，特别地，对于应用于汽车充电系统上的开关电源，问题更加严重，导致现有充电汽车充电难、成本高。普通充电使用电多为交流电，对于容量不大于5kW的交流充电机，输入为额定电压220V、50Hz的单向交流电，对于容量大于5kW的交流充电机，输入为额定电压为380V、50Hz的三相交流电。将交流插口直接插在电动汽车充电接口，充电时间一般为4至8小时。以一辆大型锂电池动力的大巴为例，电池容量为700AH,最大充电电流为210A，最高充电电压为700V，以现在的充电技术水平，至少需要4小时才能将其充满。因此，充电时间长、充电困难是电动汽车推广的一个瓶颈。

综上所述，获得一种大功率、高可靠性、便于维护、成本低的开关电源成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

为克服现有开关电源存在的功率小、可靠性低、维护困难等缺陷，本发明公开了积木式开关电源系统，通过上位机控制多个开关电源，提高均流精度和系统合成效率，进而提高积木式开关电源系统工作频率和功率，增强积木式开关电源系统的可靠性。

为实现上述目的，本发明公开了积木式开关电源系统，该系统包括开关电源电路和上位机，两个以上开关电源电路并联；每个开关电源电路包括依次连接的整流电路、功率因数校正电路、电压变换电路、均流控制电路；上位机连接每个开关电源电路中的均流控制电路，交流电从整流电路输入、直流电从电压变换电路输出。

本发明通过上位机对整个系统进行控制，实时采样所有开关电源电路输出电压、电流，然后根据输出情况及时调整开关电源输出情况，提高均流精度和系统合成效率，提高电能利用率。

进一步地，均流控制电路包括数字信号处理芯片、编码电路，编码电路与数字信号处理芯片连接，数字信号处理芯片连接电压变换电路、获取电压变换电路输出端的电流值和电压值，数字信号处理芯片与电压变换电路之间设有电流运放电路、电压运放电路；数字信号处理芯片通过光耦隔离电路连接电压变换电路和功率因数校正电路；数字信号处理芯片具有通讯接口，通讯接口与上位机连接。

进一步地，电压变换电路包括开关管、变压器、整流二极管、滤波电容、DC-DC变换器，变压器初级通过开关管连接功率因数校正电路，变压器次级串联整流二极管、与滤波电容连接，DC-DC变换器控制开关管，DC-DC变换器通过光耦隔离电路连接数字信号处理芯片。

进一步地，功率因数校正电路包括开关管、储能电感、整流二极管、滤波电容、PFC驱动芯片，滤波电容与整流电路输出端之间连接有开关管、储能电感，PFC驱动芯片控制开关管，滤波电容与电压变换电路开关管连接。

进一步地，整流电路包括整流桥，整流桥输出端连接PFC驱动芯片。

进一步地，该系统还包括故障指示灯电路，故障指示灯电路包括与整流电路输入端连接的故障指示灯，故障指示灯还与数字信号处理芯片连接。

进一步地，故障指示灯与数字信号处理芯片之间连接有光耦开关。

进一步地，电压变换电路的两个输出端之间串联两个电阻，两个电阻之间的节点分别连接数字信号处理芯片、电压运放电路，电压运放电路与光耦隔离电路连接；电压变换电路的一个输出端串联一个电阻，该电阻与输出端之间的节点分别连接两个电流运放电路，一个电流运放电路连接数字信号处理芯片，另一个电流运放电路连接光耦隔离电路；还包括分别与数字信号处理芯片、光耦隔离电路连接的均流信号控制运放电路。

进一步地，电压变换电路包括至少一个开关管，开关管分别连接功率因数校正电路输出端、变压器初级及DC-DC变换器,变压器次级串联整流二极管、并联滤波电容。

进一步地，储能电感与整流二极管串联。

本发明的有益效果为：在上位机对整个积木式开关电源系统的控制下，本发明可采用积木式拼装组合的方式，将多个开关电源电路并联后均流，上位机分别控制每个开关电源电路，提高均流精度和系统合成效率，进而提高积木式开关电源系统的工作的频率和功率，增强积木式开关电源系统的可靠性，平均故障间隔时间大于两万小时，便于积木式开关电源系统的维护，降低积木式开关电源系统成本。

附图说明

图1为积木式开关电源系统组成示意图。

图2为开关电源电路组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构进行详细解释说明。

本发明的创新点在于：在上位机的控制下，多个小功率开关电源并联后输出，小功率开关电源个数可为几十个、几百个甚至几千个，根据需要可选择小功率开关电源数量，用于对不同设备进行供电，单个开关电源的故障不会影响整个电源系统，上位机可检测出是哪个开关电源有问题。当上位机接收到外部电压、外部电流、功率等指令时，自动计算并下发指令分配各个小功率开关电源输出的电压、电流、功率，对各个小功率开关电源输出电压、电流等进行监控，根据监控内容进行实时调整输出。本发明提高了开关电源频率，可使开关频率达到500至1000KHz，平均故障间隔时间大于两万小时，本发明可应用于电动汽车充电站、太阳能逆变器、无线通讯站等。

具体来说，如图1、2所示，本发明公开了积木式开关电源系统，该系统包括开关电源电路和上位机，两个以上开关电源电路并联；开关电源电路包括依次连接的整流电路、功率因数校正电路、电压变换电路、均流控制电路，均流控制电路还与功率因数校正电路连接，上位机与均流控制电路连接，交流电从整流电路输入、直流电从电压变换电路输出。本发明的上位机可采用计算机、微处理器等可实现本发明目的的相关控制系统。

本实施例中，如图2所示，整流电路包括整流桥BRG1，整流桥输出端连接储能电感L1、保护二极管D1、PFC驱动芯片U1。功率因数校正电路包括开关管Q1、储能电感L1、整流二极管D2和滤波电容C2、PFC驱动芯片U1，滤波电容C2与整流电路输出端之间连接有开关管、储能电感、整流二极管，开关管受PFC驱动芯片控制，滤波电容与电压变换电路开关管连接。交流电压经过整流桥BRG1后变为直流电压，开关管Q1导通时，储能电感L1储存能量；开关管截止时，储能电感L1能感应出左正右负的电压，将导通时储存的能量经过整流二极管D1和D2整流、经过滤波电容C2滤波后输出稳定直流电压给电压变换电路，电容C1具有高频滤波的作用。本发明的DC-DC变换器是一种电压转换电路，用作直流转直流，当然，在本发明的技术启示下，也可采用交流转直流。

如图2所示，电压变换电路包括变压器T1、整流二极管D3和D4、滤波电容C4，变压器T1初级通过开关管、DC-DC变换器U2连接功率因数校正电路，变压器T1次级两个端子分别串联整流二极管D3和D4，滤波电容C4与整流二极管D3和D4连接，变压器次级串联整流二极管D3和D4、并联滤波电容C4，DC-DC变换器U2通过光耦隔离电路连接数字信号处理芯片U3。电压变换电路还包括至少两个开关管，本实施例为两个开关管Q2和Q3，开关管Q2和Q3分别连接功率因数校正电路、变压器T1及DC-DC变换器U2.当开关管Q2或者Q3导通时，高频变压器T1次级感应出的电压经过整流管D3、D4整流，并经过滤波电容C4滤波，输出可控稳定直流电压。

如图2所示，均流控制电路包括数字信号处理芯片U3、编码电路，编码电路与数字信号处理芯片连接，数字信号处理芯片连接电压变换电路、获取电压变换电路输出端的电流值和电压值，数字信号处理芯片与电压变换电路之间设有电流运放电路OP1B和OP1D、电压运放电路OP1A；数字信号处理芯片U3通过光耦隔离电路OPT1连接电压变换电路；数字信号处理芯片U3具有通讯接口，通讯接口与上位机连接。电压变换电路具有V+和V-两个输出端，两个输出端之间串联电阻R2、R3，电阻R2、R3之间的节点为电压采样点，从该点引出的连接线分别与电压运放电路OP1A、数字信号处理芯片U3连接，电压运放电路OP1A与光耦隔离电路OPT1连接；V-输出端串联电阻R1，V-输出端与电阻R1之间的节点引出的连接线分别与电流运放电路OP1B、OP1D连接，电流运放电路OP1D与数字信号处理芯片U3连接，电流运放电路OP1B与光耦隔离电路OPT1连接；还包括均流信号控制运放电路OP1C，均流信号控制运放电路OP1C分别与数字信号处理芯片U3、光耦隔离电路OPT1连接。数字信号处理芯片U3采样电压变换电路的输出值，经过预设算法计算后输出控制信号，控制信号经过均流信号控制运放电路OP1C、光耦隔离电路OPT1后发送至DC-DC变换器，DC-DC变换器控制开关管Q2或者Q3开关与否及开关频率，进而控制电压变换电路的开关频率和占空比，从而实现高精度的均流效果。本发明的编码器用于对本开关电源的数字信号处理芯片U3进行编码，以方便上位机对数字信号处理芯片U3进行搜索和握手连接，并在小功率开关电源发生问题时，上位机能够精准判断先维修那个小功率开关电源更方便对于整机的维护。本发明的数字信号处理芯片U3可选用ARM板开发的控制芯片或其它单片机。

如图2所示，该系统还包括故障指示灯电路，故障指示灯电路包括与电源输入端连接的故障指示灯LAMP1，故障指示灯还与数字信号处理芯片U1连接,故障指示灯LAMP1与数字信号处理芯片U1之间连接有光耦开关OP2。当单个小功率开关电源正常工作时，数字信号处理芯片U3输出高电平至光耦开关OP2，光耦开关OP2将故障指示灯LAMP1短路，故障指示灯LAMP1不亮；当单个小功率开关电源处于非正常工作状态时，数字信号处理芯片U3无信号输出至光耦开关OP2，则故障指示灯LAMP1得到输入交流电供电，故障指示灯LAMP1点亮。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.积木式开关电源系统，其特征在于：该系统包括开关电源电路和上位机，两个以上开关电源电路并联；每个开关电源电路包括依次连接的整流电路、功率因数校正电路、电压变换电路、均流控制电路；上位机连接每个开关电源电路中的均流控制电路，交流电从整流电路输入、直流电从电压变换电路输出。

2.根据权利要求1所述的积木式开关电源系统，其特征在于：均流控制电路包括数字信号处理芯片、编码电路，编码电路与数字信号处理芯片连接，数字信号处理芯片连接电压变换电路、获取电压变换电路输出端的电流值和电压值，数字信号处理芯片与电压变换电路之间设有电流运放电路、电压运放电路；数字信号处理芯片通过光耦隔离电路连接电压变换电路和功率因数校正电路；数字信号处理芯片具有通讯接口，通讯接口与上位机连接。

3.根据权利要求2所述的积木式开关电源系统，其特征在于：电压变换电路包括开关管、变压器、整流二极管、滤波电容、DC-DC变换器，变压器初级通过开关管连接功率因数校正电路，变压器次级串联整流二极管、与滤波电容连接，DC-DC变换器控制开关管，DC-DC变换器通过光耦隔离电路连接数字信号处理芯片。

4.根据权利要求3所述的积木式开关电源系统，其特征在于：功率因数校正电路包括开关管、储能电感、整流二极管、滤波电容、PFC驱动芯片，滤波电容与整流电路输出端之间连接有开关管、储能电感，PFC驱动芯片控制开关管，滤波电容与电压变换电路开关管连接。

5.根据权利要求4所述的积木式开关电源系统，其特征在于：整流电路包括整流桥，整流桥输出端连接PFC驱动芯片。

6.根据权利要求2或5所述的积木式开关电源系统，其特征在于：该系统还包括故障指示灯电路，故障指示灯电路包括与整流电路输入端连接的故障指示灯，故障指示灯还与数字信号处理芯片连接。

7.根据权利要求6所述的积木式开关电源系统，其特征在于：故障指示灯与数字信号处理芯片之间连接有光耦开关。

8.根据权利要求2所述的积木式开关电源系统，其特征在于：电压变换电路的两个输出端之间串联两个电阻，两个电阻之间的节点分别连接数字信号处理芯片、电压运放电路，电压运放电路与光耦隔离电路连接；电压变换电路的一个输出端串联一个电阻，该电阻与输出端之间的节点分别连接两个电流运放电路，一个电流运放电路连接数字信号处理芯片，另一个电流运放电路连接光耦隔离电路；还包括分别与数字信号处理芯片、光耦隔离电路连接的均流信号控制运放电路。

9.根据权利要求3所述的积木式开关电源系统，其特征在于：电压变换电路包括至少一个开关管，开关管分别连接功率因数校正电路输出端、变压器初级及DC-DC变换器,变压器次级串联整流二极管、并联滤波电容。

10.根据权利要求4所述的积木式开关电源系统，其特征在于：储能电感与整流二极管串联。