CN105827117A - 组合式直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种组合式直流变换器，由启动模块、重构模块、N个容错模块、N个输出并联的直流变换模块依次连接而成。启动模块由电压传感器、辅助电源、微控制器和第一继电器组成，辅助电源用于给电压传感器和微控制器供电。微控制器通过电压传感器检测输入电压来判断是否存在过压或欠压，通过控制第一继电器来闭合或断开重构模块的供电，通过闭合或断开重构模块的若干个第二继电器来改变N个直流变换模块的输入串并联连接方式，通过控制容错模块的串联继电器和并联继电器来隔离发生故障的直流变换模块，本发明能够根据输入电压等级自动重构各个直流变换模块的输入组合结构，并能在运行过程中自动监测和隔离故障的直流变换模块，输入电压范围大、使用灵活且容错能力强、可靠性高。

Description

组合式直流变换器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种组合式直流变换器,尤其是涉及一种具有重构和容错功能的多模块组合式直流变换器。
背景技术
新型的直流分布式电力系统（DirectCurrentDistributedPowerSystem，DCDPS）与传统的集中式电力系统相比，具有能量利用效率高、系统结构灵活可靠、新能源并网较为容易等优点，已越来越广泛地应用于空间站、多电飞机、航母舰船、水下运载器、电力机车、电动汽车和海底观测网等领域。DCDPS的主要特点之一是在负载侧大量采用高频开关直流变换器实现电压转换，这些直流变换器负责将母线上的输电电压高效地转换为负载所需的电压，而该输电电压则根据负荷大小、传输距离和电网结构等而定。由于现有成熟开关器件的性能限制，传统的单模块直流变换器耐压较低、功率较小。随着输电电压和负载功率的不断提高，DCDPS越来越难以通过传统的单模块直流变换器实现电压转换。
组合式直流变换器指选择合适的单模块直流变换器作为电力电子基本模块（PowerElectronicsBuildingBlock，PEBB），通过多个PEBB输入、输出的串联、并联组合，实现所需要的输入、输出的电压、功率规格，具有标准化、通用性和可扩充性的特点，可显著降低研发成本和研发周期。现有组合式直流变换器的缺点是：各个PEBB的输入、输出之间为硬连接，即一旦确定这些PEBB的组合方式后，使用过程中无法根据实际应用需求来自动重构，因此对输入电压等级的适应能力较低，而采用人工现场修改组合方式不但时间长、可靠性低，而且在海底、空中或地下等难以到达或恶劣的环境下难度极大；单个PEBB发生故障后，运行过程中无法自动隔离，易导致整机失效，因此可靠性大大降低。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可靠性高、对输入电压的适应能力强的多模块组合式直流变换器，所述变换器能够针对输入电压等级自动重构模块之间的组合结构，并能在运行过程中自动监测和隔离故障模块。
本发明的技术方案是：
组合式直流变换器，由启动模块、重构模块、N个容错模块（N≥2）和N个直流变换模块（N≥2）依次连接而成，所述容错模块和直流变换模块个数相同，且一一对应，其中：
所述启动模块由电压传感器、辅助电源、微控制器和第一继电器S1组成，辅助电源的输入电压端口a和b连接至供电电源，辅助电源的输出电压端口c连接至电压传感器的供电输入端口a，辅助电源的输出电压端口d连接至微控制器的供电输入端口b；所述电压传感器的被测电压端口e和d连接至供电电源，用于检测供电电源的输入电压，电压传感器的信号输出端口c连接至微控制器的模拟量输入端口c，所述第一继电器S1连接重构模块，用于闭合或断开重构模块；供电电源的输入电压和输出电压分别为U in 和U out ，所述辅助电源用于将输入电压U in 变换为输出电压U aux ，所述电压传感器用于检测输入电压U in ；
所述重构模块由若干个第二继电器组成，所述第二继电器的触点b和c分别连接至某两个容错模块的输入正端或输入负端，其通过闭合或断开改变N个直流变换模块的输入串并联连接方式；
所述每个容错模块由一个串联继电器Ss和一个并联继电器Sp组成，所述并联继电器Sp的触点b连接至对应的直流变换模块的输入端口b，所述并联继电器的触点a连接至所述串联继电器Ss的触点b，所述串联继电器Ss的触点c连接至所述直流变换模块的输入端口a；
所述直流变换模块的输出接口并联后再连接至用电负荷。
本发明中，所述辅助电源为变压器隔离的小功率双管反激开关直流变换器，所述微控制器为低功耗型微控制器，所述电压传感器为霍尔型电压传感器，所述微控制器和电压传感器均为市售产品。
本发明中，所述第一继电器、第二继电器和并联继电器均为常开型的固态继电器，其在所述组合式直流变换器启动前均处于断开状态，所述串联继电器为常闭型的固态继电器，其在所述组合式直流变换器启动前均处于闭合状态，所述微控制器上每一个数字端口信号分别连接相应的第一继电器、第二继电器、并联继电器和串联继电器，以控制第一继电器、第二继电器、并联继电器和串联继电器的闭合和断开。
本发明中，所述N个直流变换模块均为变压器隔离的全桥拓扑、半桥拓扑或双管正激拓扑的高频开关直流变换器，且采用同样的电路和具有相同的参数，其输入电压范围均为[U in_PFBB_min ，U in_PFBB_max ]和输出电压均为恒定U out_PFBB ，所述N个直流变换模块的输出并联，因此所述组合式直流变换器的输出电压U out ＝U out_PEBB 。
本发明中，所述N个直流变换模块的组合方式为N＝a1×b1＝a2×b2＝……＝aM×bM（a1＜a2＜……＜aM，b1＜b2＜……＜bM），即所述N个直流变换器中每a1、a2、……或aM个模块输入串联形成中间模块，且分别将b1、b2、……或bM个中间模块的输入并联，因此所述N个直流变换器共有M种组合方式，所述组合式直流变换器的输入电压范围在上述M种组合方式下分别为[a1×U in_PFBB_min ，a1×U in_PFBB_max ]、[a2×U in_PFBB_min ，a2×U in_PFBB_max ]、……、[aM×U in_PFBB_min ，aM×U in_PFBB_max ]，其中a1＝1、b1＝N和aM＝N、bM＝1分别表示N个直流变换模块输入并联和N个直流变换模块输入串联两种极端情况。
本发明中，所述微控制器通电运行后检测端口c上的电压U m ，从而得到输入电压U in ＝U m ×K：若U in 属于[a1×U in_PFBB_min ，a1×U in_PFBB_max ]、[a2×U in_PFBB_min ，a2×U in_PFBB_max ]、……、[aM×U in_PFBB_min ，aM×U in_PFBB_max ]中某一个区间，则由所述微控制器控制第二继电器按相应的区间重构N个直流变换模块的输入组合方式，若输入电压U in 落入[a1×U in_PFBB_min ，a1×U in_PFBB_max ]、[a2×U in_PFBB_min ，a2×U in_PFBB_max ]、……、[aM×U in_PFBB_min ，aM×U in_PFBB_max ]中某几个区间，则由所述微控制器控制第二继电器按最低电压的区间（即最靠前的区间）重构N个直流变换模块的输入组合方式，同时由所述微控制器控制N个容错模块中所有串联继电器维持闭合状态和所有并联继电器维持断开状态，最后再由所述微控制器控制第一继电器S1从断开状态转为闭合状态，从而供电给所述N个直流变换模块；若U in 不属于[a1×U in_PFBB_min ，a1×U in_PFBB_max ]、[a2×U in_PFBB_min ，a2×U in_PFBB_max ]、……、[aM×U in_PFBB_min ，aM×U in_PFBB_max ]中任何一个区间，说明存在输入过压或输入欠压，则由所述微控制器控制第一继电器S1维持断开状态，实现输入过压保护或输入欠压保护。
本发明中，所述微控制器还在组合式直流变换器运行过程中实时监测N个直流变换模块的输入电压U in1 、U in2 、……、U inN 和输入电流I in1 、I in2 、……、I inN ,若监测到第M（1≤M≤N）个直流变换模块输入电流接近0，则说明第M个直流变换模块发生开路故障，若监测到第M（1≤M≤N）个直流变换模块输入电压接近0，则说明第M个直流变换模块发生短路故障，所述微控制器监测到第M个直流变换模块发生开路故障或短路故障时：若第M个直流变换模块有与其直接并联的其他直流变换模块，则由所述微控制器控制第M个容错模块的并联继电器维持断开状态，并控制第M个容错模块的串联继电器由闭合状态转为断开状态；若第M个直流变换模块有与其直接串联的其他直流变换模块，则由所述微控制器控制第M个容错模块的并联继电器从断开状态转为闭合状态，并控制第M个容错模块的串联继电器由闭合状态转为断开状态。
本发明中，所述组合式直流变换器的最低输入电压U in_min 为所述单个直流变换模块能够运行的最低电压U in_PFBB_min ，所述组合式直流变换器的最高输入电压U in_max 为所述单个直流变换模块能够运行的最高电压U in_PFBB_max 的N倍,即U in_max ＝N×U in_PFBB_max 。
本发明的基本原理是：
本发明所述组合式直流变换器，在启动时先由微控制器检测输入电压值。若输入电压值超过组合式直流变换器允许的输入电压范围，则说明存在输入过压或输入欠压，微控制器维持第一继电器处于断开状态；若输入电压值在组合式直流变换器允许的输入电压范围内，则由微控制器根据所得到的输入电压大小，控制第二继电器实现所需的N个直流变换模块的输入组合方式，使得组合式直流变换器能够适应比单个直流变换模块更大的输入电压范围。在直流变换模块有冗余的情况下，在组合式直流变换器运行过程中，微控制器通过检测N个直流变换模块的输入电压和输入电流，判断N个直流变换模块是否发生短路或断路故障。一旦微控制器监测到某个直流变换模块发生故障，则由微控制器控制相应的串联继电器和并联继电器，将故障模块及时切除，保证组合式直流变换器其余部分仍能正常运行。
本发明的有益效果是：
本发明所述组合式直流变换器能够在启动时判断供电电源是否存在过压或欠压，若输入电压等级在组合式直流变换器允许的输入电压范围内，所述组合式直流变换器能自动重构各个直流变换模块的输入组合结构来更好地适应输入电压等级，因此所述组合式直流变换器的输入电压范围大、使用灵活性强。当所述组合式直流变换器具有一定的冗余直流变换模块时，所述微控制器能在运行过程中自动监测和隔离故障的直流变换模块，保证所述组合式直流变换器其余部分仍能正常运行，因此所述组合式直流变换器的容错能力强、可靠性高。
附图说明
图1为本发明组合式直流变换器的总体框图。
图2为直流变换模块的一种全桥拓扑结构。
图3为直流变换模块的一种双管正激拓扑结构
图4为直流变换模块的一种半桥拓扑结构。
图5为辅助电源的一种双管反激拓扑结构。
图6为固态继电器（包括第一继电器、第二继电器、串联继电器和并联继电器）的原理图。
图7为实施例1：由两个直流变换模块组成的组合式直流变换器原理图（N＝2）。
图8为实施例1的第一种组合方式：输入并联方式的等效电路（N＝1×2）。
图9为实施例1的第二种组合方式：输入串联方式的等效电路（N＝2×1）。
图10为实施例1的第一种组合方式中模块2发生故障被隔离后的等效电路。
图11为实施例1的第二种组合方式中模块2发生故障被隔离后的等效电路。
图12为实施例2：由四个直流变换模块组成的组合式直流变换器原理图（N＝4）。
图13为实施例2的第一种组合方式：输入并联方式的等效电路（N＝1×4）。
图14为实施例2的第二种组合方式：输入并联方式的等效电路（N＝2×2）。
图15为实施例2的第三种组合方式：输入并联方式的等效电路（N＝4×1）。
图16为实施例2的第一种组合方式中模块3发生故障被隔离后的等效电路。
图17为实施例2的第二种组合方式中模块3发生故障被隔离后的等效电路。
图18为实施例2的第三种组合方式中模块3发生故障被隔离后的等效电路。
图中标号：1为启动模块、2为重构模块、3为第一容错模块、4为第一直流变换模块、5为第二容错模块、6为第二直流变换模块、7为第三容错模块、8为第三直流变换模块、9为第四容错模块、10为第四直流变换模块、11为电压传感器、12为辅助电源、13为微控制器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1至图7所示，所述组合式直流变换器由启动模块、重构模块、N个容错模块（N≥2）、N个直流变换模块（N≥2）依次连接而成，容错模块和直流变换模块的个数相同，启动模块的输入接口连接至供电电源，直流变换模块的输出接口并联后再连接至用电负荷。组合式直流变换器的输入电压和输出电压分别为U in 和U out 。启动模块由电压传感器、辅助电源、微控制器和第一继电器S1组成，辅助电源用于将输入电压U in 变换为输出电压U aux ，其输入电压端口a和b连接至供电电源，其输出电压端口c和d连接至电压传感器和微控制器的供电输入端口a和b。电压传感器和微控制器的输入电压为U aux ，均由辅助电源供电。电压传感器用于检测输入电压U in ，其被测电压端口c和d连接至供电电源，其信号输出端口e连接至微控制器的模拟量输入端口c，其信号输出端口e与端口b之间的电压差值为U m （U m ＝U in /K，其中K为常数）。第一继电器S1用于闭合或断开重构模块、容错模块、直流变换模块和用电负荷的供电。重构模块由若干第二继电器组成，第二继电器的触点b和c分别连接至某两个容错模块的输入正端或输入负端，其通过闭合或断开改变N个直流变换模块的输入串并联连接方式。容错模块由一个串联继电器Ss和一个并联继电器Sp组成，并联继电器的触点b连接至对应的直流变换模块的输入端口b，并联继电器的触点a连接至所述串联继电器的触点b，串联继电器的触点c连接至所述直流变换模块的输入端口a。
所述第一继电器、第二继电器和并联继电器均为常开型的固态继电器，其在组合式直流变换器启动前均处于断开状态。串联继电器为常闭型的固态继电器，其在所述组合式直流变换器启动前均处于闭合状态。微控制器上不同的数字端口信号控制第一继电器、第二继电器、并联继电器和串联继电器的闭合和断开。
图2-图4分别为直流变换模块的三种高频开关直流变换拓扑结构。其中，图2为全桥拓扑结构，图3为双管正激拓扑结构，图4为对称半桥拓扑结构。这三种拓扑结构均采用变压器隔离。N个直流变换模块具有相同的电路、结构、控制方式、输入电压和输出电压，均为变压器隔离的大功率全桥、双管正激或半桥拓扑的高频开关直流变换器。N个直流变换模块的输入电压范围均为[U in_PFBB_min ，U in_PFBB_max ]和输出电压均为恒定U out_PFBB ，所述N个直流变换模块的输出并联，因此所述组合式直流变换器的输出电压U out ＝U out_PEBB 。
如图5所示，辅助电源为变压器隔离的小功率双管反激开关直流变换器，微控制器为低功耗型微控制器，电压传感器为霍尔型电压传感器，微控制器和电压传感器均为市售产品。
图6为固态继电器（包括第一继电器、第二继电器、串联继电器和并联继电器）的原理图，其采用绝缘栅双极型晶体管InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT作为半导体开关器件，通过IGBT专用驱动电路驱动。当微控制器通过数字端口发送高电平给固态继电器的端口a时，固态继电器的驱动电路使得IGBT导通，从而闭合固态继电器的端口b和c；当微控制器通过数字端口发送低电平给固态继电器的端口a时，固态继电器的驱动电路使得IGBT截止，从而断开固态继电器的端口b和c。
在本发明中，所述N个直流变换模块的组合方式为N＝a1×b1＝a2×b2＝……＝aM×bM（a1＜a2＜……＜aM，b1＜b2＜……＜bM），即N个直流变换器中每a1、a2、……或aM个模块输入串联形成大模块，且分别将b1、b2、……或bM个大模块的输入并联，因此N个直流变换器共有M种组合方式。组合式直流变换器的输入电压范围在上述M种组合方式下分别为[a1×U in_PFBB_min ，a1×U in_PFBB_max ]、[a2×U in_PFBB_min ，a2×U in_PFBB_max ]、……、[aM×U in_PFBB_min ，aM×U in_PFBB_max ]，其中a1＝1、b1＝N和aM＝N、bM＝1分别表示N个直流变换模块输入并联和N个直流变换模块输入串联两种极端情况。
本发明中，所述微控制器通电运行后检测端口c上的电压U m ，从而得到输入电压U in ＝U m ×K：若U in 属于[a1×U in_PFBB_min ，a1×U in_PFBB_max ]、[a2×U in_PFBB_min ，a2×U in_PFBB_max ]、……、[aM×U in_PFBB_min ，aM×U in_PFBB_max ]中某一个区间，则由微控制器控制第二继电器按相应的区间重构N个直流变换模块的输入组合方式，若输入电压U in 落入[a1×U in_PFBB_min ，a1×U in_PFBB_max ]、[a2×U in_PFBB_min ，a2×U in_PFBB_max ]、……、[aM×U in_PFBB_min ，aM×U in_PFBB_max ]中某几个区间，则由微控制器控制第二继电器按最低电压的区间（即最靠前的区间）重构N个直流变换模块的输入组合方式，同时由微控制器控制N个容错模块中所有串联继电器维持闭合状态和所有并联继电器维持断开状态，最后再由微控制器控制第一继电器S1从断开状态转为闭合状态，从而供电给所述N个直流变换模块；若U in 不属于[a1×U in_PFBB_min ，a1×U in_PFBB_max ]、[a2×U in_PFBB_min ，a2×U in_PFBB_max ]、……、[aM×U in_PFBB_min ，aM×U in_PFBB_max ]中任何一个区间，说明存在输入过压或输入欠压，则由微控制器控制第一继电器S1维持断开状态，从而保护所述组合式变换器。
本发明中，所述组合式直流变换器的最低输入电压U in_min 为单个直流变换模块能够运行的最低电压U in_PFBB_min ，所述组合式直流变换器的最高输入电压U in_max 为单个直流变换模块能够运行的最高电压U in_PFBB_max 的N倍,即U in_max ＝N×U in_PFBB_max 。
本发明中，所述微控制器还在组合式直流变换器运行过程中实时监测N个直流变换模块的输入电压U in1 、U in2 、……、U inN 和输入电流I in1 、I in2 、……、I inN ,若监测到第M（1≤M≤N）个直流变换模块输入电流为0，则说明第M个直流变换模块发生开路故障，若监测到第M（1≤M≤N）个直流变换模块输入电压为0，则说明第M个直流变换模块发生短路故障，所述微控制器监测到第M个直流变换模块发生开路故障或短路故障时：若第M个直流变换模块有与其直接并联的其他直流变换模块，则由所述微控制器控制第M个容错模块的并联继电器维持断开状态，并控制第M个容错模块的串联继电器由闭合状态转为断开状态；若第M个直流变换模块有与其直接串联的其他直流变换模块，则由所述微控制器控制第M个容错模块的并联继电器从断开状态转为闭合状态，并控制第M个容错模块的串联继电器由闭合状态转为断开状态。
图7-图11为实施例1，该实施例中的组合式直流变换器包含两个直流变换模块，即直流变换模块个数N＝2。由于N＝1×2＝2×1，因此组合方式有M＝2种。图8为N＝2×1（即a1＝1、b1＝2）时的组合结构，表示2个直流变换模块直接输入并联的情况，这种情况下组合式直流变换器的输入电压范围为[U in_PFBB_min ，U in_PFBB_max ]。图9为N＝1×2（即a2＝2、b2＝1）时的组合结构，表示2个直流变换模块直接输入串联的情况，这种情况下组合式直流变换器的输入电压范围为[2U in_PFBB_min ，2U in_PFBB_max ]。初始情况下，即组合式直流变换器启动前，微控制器的数字端口d至j、z均处于高阻状态，因此常开型的第一继电器S1、第二继电器S2至S4和并联继电器SP1至SP2均处于断开状态，常闭型的串联继电器SS1至SS2均处于闭合状态。
供电电源上电后，辅助电源运行，给微控制器和电压传感器供电，微控制器和电压传感器启动。微控制器启动后，首先检测端口c上的电压U m ，得到输入电压U in ＝U m ×K。若U in 不属于[U in_PFBB_min ，U in_PFBB_max ]和[2U in_PFBB_min ，2U in_PFBB_max ]中任何一个区间，即U in ≤U in_PFBB_min 或U in ≥2U in_PFBB_max ，说明存在输入电压存在过压或欠压，则微控制器的数字端口z维持高阻状态，使得常开型的第一继电器S1维持断开状态，实现过压保护和欠压保护。若U in 属于区间[U in_PFBB_min ，U in_PFBB_max ]，即U in_PFBB_min ≤U in ≤U in_PFBB_max ，则由微控制器通过端口控制第二继电器按图8这种组合方式重构2个直流变换模块的输入组合方式，即微控制器的数字端口e和f输出高电平、数字端口d输出低电平，实现2个直流变换模块的输入并联。若输入电压U in 属于区间[2U in_PFBB_min ，2U in_PFBB_max ]且不属于区间[U in_PFBB_min ，U in_PFBB_max ]，即2U in_PFBB_min ≤U in ≤2U in_PFBB_max ，则由微控制器通过端口控制第二继电器按图9这种组合方式重构2个直流变换模块的输入组合方式，即微控制器的数字端口e和f输出低电平、数字端口d输出高电平，实现2个直流变换模块的输入串联。若U in 同时属于区间[U in_PFBB_min ，U in_PFBB_max ]和区间[2U in_PFBB_min ，2U in_PFBB_max ]，即2U in_PFBB_min ≤U in ≤U in_PFBB_max ，且U in_PFBB_max ≤2U in_PFBB_min ，则由微控制器控制第二继电器按最低电压的区间（即区间[U in_PFBB_min ，U in_PFBB_max ]）重构2个直流变换模块的输入组合方式，即由微控制器通过端口控制第二继电器按图8这种组合方式重构2个直流变换模块的输入组合方式。同时，由微控制器控制2个容错模块中所有串联继电器维持闭合状态和所有并联继电器维持断开状态，即通过数字接口g和i输出低电平、通过数字接口h和j输出高电平。最后，再由微控制器控制第一继电器S1从断开状态转为闭合状态，即通过数字接口z输出高电平，从而供电给2个直流变换模块。可见，上述组合式直流变换器的最低输入电压U in_min 为单个直流变换模块能够运行的最低电压U in_PFBB_min ，所述组合式直流变换器的最高输入电压U in_max 为单个直流变换模块能够运行的最高电压U in_PFBB_max 的2倍,即U in_max ＝2U in_PFBB_max 。
本实施例中，所述微控制器还在组合式直流变换器运行过程中实时监测2个直流变换模块的输入电压U in1 、U in2 和输入电流I in1 、I in2 ，若监测到第1个或第2个直流变换模块输入电流为0，则说明第1个或第2个直流变换模块发生开路故障，若监测到第1个或第2个直流变换模块输入电压为0，则说明第1个或第2个直流变换模块发生短路故障。微控制器监测到第1个或第2个直流变换模块发生开路故障或短路故障时：若该直流变换模块有与其直接并联的其他直流变换模块，则由微控制器控制与该直流变换模块直接相连的容错模块的并联继电器维持断开状态，并控制该容错模块的串联继电器由闭合状态转为断开状态；若该直流变换模块有与其直接串联的其他直流变换模块，则由所述微控制器控制与该直流变换模块直接相连的容错模块的并联继电器从断开状态转为闭合状态，并控制该容错模块的串联继电器由闭合状态转为断开状态。以第2个直流变换模块发生开路故障或短路故障为例：若发生故障时组合式直流变换器为图8中的组合结构，即两个直流变换模块输入并联，则微控制器通过数字端口i和j输出低电平，断开并联继电器SP2和串联继电器SS2，隔离发生故障的第2个直流变换器，故障隔离后的等效电路见图10；若发生故障时组合式直流变换器为图9中的组合结构，即两个直流变换模块输入串联，则微控制器通过数字端口i输出高电平和通过数字端口j输出低电平，闭合并联继电器SP2且断开串联继电器SS2，隔离发生故障的第2个直流变换器，故障隔离后的等效电路见图11。当2个直流变换模块为“1+1”冗余时，微控制器能在运行过程中自动监测和隔离故障的直流变换模块，保证所述其余部分仍能正常运行，实现容错功能。
图12-图18为实施例2，该实施例中的组合式直流变换器包含四个直流变换模块，即直流变换模块个数N＝4。由于N＝1×4＝2×2＝4×1，因此组合方式有M＝3种。图13为N＝1×4（即a1＝1、b1＝4）时的组合结构，表示4个直流变换模块直接输入并联的情况，这种情况下组合式直流变换器的输入电压范围为[U in_PFBB_min ，U in_PFBB_max ]。图14为N＝2×2（即a2＝2、b2＝1）时的组合结构，表示每2个直流变换模块输入串联，这样4个直流变换模块组合两个大模块，这两个大模块的输入并联，这种情况下组合式直流变换器的输入电压范围为[2U in_PFBB_min ，2U in_PFBB_max ]。图15为N＝4×1（即a1＝4、b1＝1）时的组合结构，表示4个直流变换模块直接输入串联的情况，这种情况下组合式直流变换器的输入电压范围为[4U in_PFBB_min ，4U in_PFBB_max ]。初始情况下，即组合式直流变换器启动前，微控制器的数字端口d至v以及z均处于高阻状态，因此常开型的第一继电器S1、第二继电器S2至S12和并联继电器SP1至SP4均处于断开状态，常闭型的串联继电器SS1至SS4均处于闭合状态。
供电电源上电后，辅助电源运行，给微控制器和电压传感器供电，微控制器和电压传感器启动。微控制器启动后，首先检测端口c上的电压U m ，得到输入电压U in ＝U m ×K。若U in 不属于[U in_PFBB_min ，U in_PFBB_max ]、[2U in_PFBB_min ，2U in_PFBB_max ]和[4U in_PFBB_min ，4U in_PFBB_max ]中任何一个区间，即U in ≤U in_PFBB_min 或U in ≥4U in_PFBB_max ，说明存在输入电压存在过压或欠压，则微控制器的数字端口z维持高阻状态，使得常开型的第一继电器S1维持断开状态，实现过压保护和欠压保护。若U in 属于区间[U in_PFBB_min ，U in_PFBB_max ]，即U in_PFBB_min ≤U in ≤U in_PFBB_max ，则由微控制器通过数字端口控制第二继电器按图13这种组合方式重构4个直流变换模块的输入组合方式，即S7至S12六个继电器均闭合，实现4个直流变换模块的输入并联。若输入电压U in 属于区间[2U in_PFBB_min ，2U in_PFBB_max ]且不属于区间[U in_PFBB_min ，U in_PFBB_max ]，则由微控制器通过端口控制第二继电器按图14这种组合方式重构4个直流变换模块的输入组合方式，即S2、S4、S5和S6四个继电器均闭合，实现：第1个和第2个直流变换模块的输入串联形成大模块1，第3个和第4个直流变换模块的输入串联形成大模块2，并将两个大模块的输入并联。若U in 仅属于区间[4U in_PFBB_min ，4U in_PFBB_max ]，则由微控制器控制第二继电器按区间[4U in_PFBB_min ，4U in_PFBB_max ]）重构4个直流变换模块的输入组合方式，即由微控制器通过端口控制第二继电器按图15这种组合方式重构4个直流变换模块的输入组合方式，即S2至S4三个继电器均闭合，实现4个直流变换模块的输入串联。同时，由微控制器控制4个容错模块中所有串联继电器维持闭合状态和所有并联继电器维持断开状态。最后，再由微控制器控制第一继电器S1从断开状态转为闭合状态，即通过数字接口z输出高电平，从而供电给4个直流变换模块。可见，上述组合式直流变换器的最低输入电压U in_min 为单个直流变换模块能够运行的最低电压U in_PFBB_min ，所述组合式直流变换器的最高输入电压U in_max 为单个直流变换模块能够运行的最高电压U in_PFBB_max 的4倍,即U in_max ＝4U in_PFBB_max 。
本实施例中，所述微控制器还在组合式直流变换器运行过程中实时监测2个直流变换模块的输入电压U in1 、U in2 、U in3 、U in4 和输入电流I in1 、I in2 、I in3 、I in4 ，若监测到某一个直流变换模块输入电流为0，则说明该直流变换模块发生开路故障，若监测到某一个直流变换模块输入电压为0，则说明该直流变换模块发生短路故障。微控制器监测到某一个直流变换模块发生开路故障或短路故障时：若该直流变换模块有与其直接并联的其他直流变换模块，则由微控制器控制与该直流变换模块直接相连的容错模块的并联继电器维持断开状态，并控制该容错模块的串联继电器由闭合状态转为断开状态；若该直流变换模块有与其直接串联的其他直流变换模块，则由所述微控制器控制与该直流变换模块直接相连的容错模块的并联继电器从断开状态转为闭合状态，并控制该容错模块的串联继电器由闭合状态转为断开状态。以第3个直流变换模块发生开路故障或短路故障为例：若发生故障时，组合式直流变换器为图13中的组合结构，即4个直流变换模块输入并联，则微控制器通过数字端口断开并联继电器Sp3和串联继电器Ss3，隔离发生故障的第2个直流变换器，故障隔离后的等效电路见图16；若发生故障时，组合式直流变换器为图14或图15中的组合结构，即第3个直流变换模块有与其输入串联的其他直流变换模块，则微控制器控制闭合并联继电器Sp3且断开串联继电器SS3，隔离发生故障的第3个直流变换器，故障隔离后的等效电路分别见图17和图18。当4个直流变换模块为具有冗余备份时，微控制器能在运行过程中自动监测和隔离故障的直流变换模块，保证所述其余部分仍能正常运行，实现容错功能。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.组合式直流变换器，其特征在于由启动模块、重构模块、N个容错模块（N≥2）和N个直流变换模块（N≥2）依次连接而成，所述容错模块和直流变换模块个数相同，且一一对应，其中：
所述启动模块由电压传感器、辅助电源、微控制器和第一继电器S1组成，辅助电源的输入电压端口a和b连接至供电电源，辅助电源的输出电压端口c连接至电压传感器的供电输入端口a，辅助电源的输出电压端口d连接至微控制器的供电输入端口b；所述电压传感器的被测电压端口e和d连接至供电电源，用于检测供电电源的输入电压，电压传感器的信号输出端口c连接至微控制器的模拟量输入端口c，所述第一继电器S1连接重构模块，用于闭合或断开重构模块；供电电源的输入电压和输出电压分别为U in 和U out ，所述辅助电源用于将输入电压U in 变换为输出电压U aux ，所述电压传感器用于检测输入电压U in ；
所述重构模块由若干个第二继电器组成，所述第二继电器的触点b和c分别连接至某两个容错模块的输入正端或输入负端，其通过闭合或断开改变N个直流变换模块的输入串并联连接方式；
所述每个容错模块由一个串联继电器Ss和一个并联继电器Sp组成，所述并联继电器Sp的触点b连接至对应的直流变换模块的输入端口b，所述并联继电器的触点a连接至所述串联继电器Ss的触点b，所述串联继电器Ss的触点c连接至所述直流变换模块的输入端口a；
所述直流变换模块的输出接口并联后再连接至用电负荷。
2.根据权利要求１所述组合式直流变换器，其特征在于所述第一继电器、第二继电器和并联继电器均为常开型的固态继电器，其在所述组合式直流变换器启动前均处于断开状态，所述串联继电器为常闭型的固态继电器，其在所述组合式直流变换器启动前均处于闭合状态，所述微控制器上每一个数字端口信号分别连接相应的第一继电器、第二继电器、并联继电器和串联继电器，以控制第一继电器、第二继电器、并联继电器和串联继电器的闭合和断开。
3.根据权利要求１所述组合式直流变换器，其特征在于所述N个直流变换模块均为变压器隔离的全桥拓扑、半桥拓扑或双管正激拓扑的高频开关直流变换器，且采用同样的电路和具有相同的参数，其输入电压范围均为[U in_PFBB_min ，U in_PFBB_max ]和输出电压均为恒定U out_PFBB ，所述N个直流变换模块的输出并联，所述组合式直流变换器的输出电压U out ＝U out_PEBB 。
4.根据权利要求１所述组合式直流变换器，其特征在于所述辅助电源为变压器隔离的小功率双管反激开关直流变换器，所述微控制器为低功耗型微控制器，所述电压传感器为霍尔型电压传感器。
5.根据权利要求１所述组合式直流变换器，其特征在于所述N个直流变换模块的组合方式为N＝a1×b1＝a2×b2＝……＝aM×bM（a1＜a2＜……＜aM，b1＜b2＜……＜bM），即所述N个直流变换器中每a1、a2、……或aM个模块输入串联形成中间模块，且分别将b1、b2、……或bM个中间模块的输入并联，因此所述N个直流变换器共有M种组合方式，所述组合式直流变换器的输入电压范围在上述M种组合方式下分别为[a1×U in_PFBB_min ，a1×U in_PFBB_max ]、[a2×U in_PFBB_min ，a2×U in_PFBB_max ]、……、[aM×U in_PFBB_min ，aM×U in_PFBB_max ]，其中a1＝1、b1＝N和aM＝N、bM＝1分别表示N个直流变换模块输入并联和N个直流变换模块输入串联两种极端情况，所述微控制器通电运行后检测端口c上的电压U m ，从而得到输入电压U in ＝U m ×K：若U in 属于[a1×U in_PFBB_min ，a1×U in_PFBB_max ]、[a2×U in_PFBB_min ，a2×U in_PFBB_max ]、……、[aM×U in_PFBB_min ，aM×U in_PFBB_max ]中某一个区间，则由所述微控制器控制第二继电器按相应的区间重构N个直流变换模块的输入组合方式，若输入电压U in 落入[a1×U in_PFBB_min ，a1×U in_PFBB_max ]、[a2×U in_PFBB_min ，a2×U in_PFBB_max ]、……、[aM×U in_PFBB_min ，aM×U in_PFBB_max ]中某几个区间，则由所述微控制器控制第二继电器按最低电压的区间（即最靠前的区间）重构N个直流变换模块的输入组合方式，同时由所述微控制器控制N个容错模块中所有串联继电器维持闭合状态和所有并联继电器维持断开状态，最后再由所述微控制器控制第一继电器S1从断开状态转为闭合状态，从而供电给所述N个直流变换模块；若U in 不属于[a1×U in_PFBB_min ，a1×U in_PFBB_max ]、[a2×U in_PFBB_min ，a2×U in_PFBB_max ]、……、[aM×U in_PFBB_min ，aM×U in_PFBB_max ]中任何一个区间，说明存在输入过压或输入欠压，则由所述微控制器控制第一继电器S1维持断开状态，实现输入过压保护或输入欠压保护。
6.根据权利要求１所述组合式直流变换器，其特征在于所述微控制器还在组合式直流变换器运行过程中实时监测N个直流变换模块的输入电压U in1 、U in2 、……、U inN 和输入电流I in1 、I in2 、……、I inN ,若监测到第M（1≤M≤N）个直流变换模块输入电流接近0，则说明第M个直流变换模块发生开路故障，若监测到第M（1≤M≤N）个直流变换模块输入电压接近0，则说明第M个直流变换模块发生短路故障，所述微控制器监测到第M个直流变换模块发生开路故障或短路故障时：若第M个直流变换模块有与其直接并联的其他直流变换模块，则由所述微控制器控制第M个容错模块的并联继电器维持断开状态，并控制第M个容错模块的串联继电器由闭合状态转为断开状态；若第M个直流变换模块有与其直接串联的其他直流变换模块，则由所述微控制器控制第M个容错模块的并联继电器从断开状态转为闭合状态，并控制第M个容错模块的串联继电器由闭合状态转为断开状态。
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