CN107040125B - 一种开关电源系统及其电流控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种开关电源系统及其电流控制方法，属于电源技术领域。该开关电源系统包括多个并联连接的开关电源单体单元，与各开关电源单体单元的母线连接的母线信号采集变送单元，以及与各开关电源单体单元和母线信号采集变送单元均连接的主控单元，以监控各所述开关电源单体单元的工作状态和母线状态，并根据所述工作状态和所述母线状态对各所述开关电源单体单元进行主动配流。该电流控制方法包括：以各开关电源单体单元均流的方式启动开关电源系统；启动后，检测各开关电源单体单元的特性，根据各开关电源单体单元的特性重新动态地主动配置各开关电源单体单元的电流。本发明能够有效提高开关电源系统的寿命和可靠性。

Description

一种开关电源系统及其电流控制方法
技术领域
本发明属于电源技术领域，涉及一种电源系统和控制方法，尤其是一种开关电源系统及其控制方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，单台开关电源无法满足低电压大电流的带负载要求，大功率电源的需求不断提高，应用越来越广泛。并联均流技术可以降低电流应力，提高电源的可靠性，是实现大功率电源的关键和发展趋势，近年来，已成为电力电子研究的热点课题。相对于传统集中式电源系统，分布式并联均流技术具有很多优点，如：系统设计灵活、更高的开关频率、高功率密度、低重量、小体积、单个模块电流应力小、可靠性高、维护方便、易于实现产品标准化等。
在电源系统可并联工作之前，有两个问题有待解决：首先是选择性过压问题。如果运行中的某个电源单体由于故障产生过压，此电源单体必须及时退出分布式并联系统，同时保证系统中的其它的电源单体仍然正常运行。其次是配流问题；即各个电源模块之间合理地分配电流，防止某电源单体运行在极限工作状态。另外，即使是同批次生产的电源单体，它们的特性通常也是不完全相同的，在参数上存在不同程度的差别。假使没有合理有效的配流策略，可能导致单个或多个电源单体承载过大的电流，致使该电源单体的电流热应力增加。一旦电子元器件温度上升过大，其使用寿命必将大大降低，从而导致分布式电源系统的可靠性降低。
并联运行的各模块特性不一致，可能使电压调整率小的模块承担较大的电流甚至过载，热应力大；外特性较差的模块运行于轻载甚至是空载。传统的电源均流策略主要是被动地实现各电源单体的均流，不能根据电源单体间的差异性主动进行合理地配流。被动配流依据既定的准则为有差异性的各个电源模块统一分配电流，如果某个电源模块性能较差，仍与较好性能的电源模块承担一样的电流，一旦长时间运行，性能较差的电源模块往往容易出现故障，降低了整个并联供电系统的可靠性，隐形地增加了系统的维护成本。
电源数字化、模块化、智能化是未来的发展趋势，随着芯片、控制器的飞速发展，其集成化、小体积、高密度、高可靠的优势越来越突出，同时，人们对智能化的高期待，引进数字控制器，实现电源的数字智能控制是必走之路。因此，对并联式开关电源智能化的主动配流技术具有极强的研究意义和巨大的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够有效避免特性较差的电源模块承载过大电流，能够有效实现主动配流的开关电源系统及其电流控制方法。
为了达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种开关电源系统，包括多个并联连接的开关电源单体单元，以提供电源；与各所述开关电源单体单元的母线连接的母线信号采集变送单元，以采集、处理和发送所述开关电源单体单元的母线信息，以及与各所述开关电源单体单元和所述母线信号采集变送单元均连接的主控单元，以监控各所述开关电源单体单元的工作状态和母线状态，并根据所述工作状态和所述母线状态对各所述开关电源单体单元进行主动配流。
各所述开关电源单体单元相同。
所述主动配流的内容包括：对性能越差的所述开关电源单体单元，分配越低的电流。
每个所述开关电源单体单元均包括单体拓扑电路，作为提供电源的来源，以及与所述单体拓扑电路和所述主控单元均连接的单体信号采集变送模块，以采集、放大、变送和跟随处理所述单体拓扑电路的电流信号和电压信号，并将所述单体拓扑电路的电流信号和电压信号反馈至所述主控单元。
每个所述开关电源单体单元还包括单体协控模块，所述单体协控模块与所述单体拓扑电路、所述单体信号采集变送模块和所述主控单元均连接，以将所述单体信号采集变送模块的信息传送给所述主控单元，并接受所述主控单元的主动配流决策参数和基于所述主动配流决策参数控制所述单体拓扑电路的电流；优选的，所述主动配流决策参数包括分配给各开关电源单体单元的工作状态参数；进一步优选的，所述主动配流决策参数包括各开关电源单体单元所承担的配流值。
每个所述开关电源单体单元还包括与所述单体拓扑电路连接的电源保护模块，以实现对所述单体拓扑电路的保护；优选地，所述保护包括过流保护，和/或过压保护，和/或欠压保护。
所述单体拓扑电路包括功率开关器件及功率开关器件驱动电路，所述单体协控模块与所述功率开关器件驱动电路连接，以由所述功率开关器件及所述功率开关器件驱动电路协同配合控制所述单体拓扑电路进行输出。
所述主控单元通过所述单体协控模块和所述母线信号采集变送单元实时监测各所述单体拓扑电路和母线的供电状态参数，监测各所述单体拓扑电路的功率开关器件的高频驱动信号占空比参数，对各所述单体拓扑电路的供电状态参数进行一致性分析，对各所述单体拓扑电路的功率开关器件的高频驱动信号占空比参数进行变化程度分析和饱和度分析，结合所述单体拓扑电路的标准负载性能参考参数和电源母线供电参考参数决策所述开关电源系统的主动配流方案并通过各所述单体协控模块控制实现。
所述开关电源系统包含n个所述开关电源单体单元，且满足：
nPi≥Po
其中，n为不小于2的正整数；
Pi为各所述开关电源单体单元的额定功率；
PO为所述开关电源系统的额定功率。
或者，所述开关电源系统包含(n+m)个开关电源单体，且满足：
nPi≥Po
以及
l(n+m)Pi≥Po
其中，l为单个开关电源单体单元的应力降额使用的分数值，小于1；
n为所述开关电源系统的并联额定数，且为不小于2的正整数；
m为任务可靠性的冗余个数，且为正整数；
Pi为各所述开关电源单体的额定功率；
PO为所述开关电源系统的额定功率。
优选地，所述开关电源系统满足：
优选地，在处于工作状态的所述开关电源单体单元发生故障时，所述主控单元协调控制冗余的开关电源单体单元开始工作，以替代发生故障的开关电源单体单元为负载供电。
一种根据上述开关电源系统的电流控制方法，包括以下步骤：
(1)以各开关电源单体单元均流的方式启动所述开关电源系统；
(2)启动后，检测各所述开关电源单体单元的特性，根据各所述开关电源单体单元的特性重新动态地主动配置各所述开关电源单体单元的电流。
所述步骤(2)包括：
(21)检测各开关电源单体单元的输出电流纹波大小；
(22)根据各开关电源单体单元的输出电流纹波大小，确定待配置给各开关电源单体单元的电流，并主动对所述开关电源单体单元配置所述电流。
所述步骤(22)中，开关电源单体单元的输出电流纹波越大，待配置给所述开关电源单体单元的电流越小。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：本发明开关电源系统在启动后，对各开关电源单体单元进行主动配流，有效避免了由于某些开关电源单体单元的性能较差而导致的整个开关电源系统的可靠性和寿命大大降低的缺陷；同时，本发明还提出了以冗余的方式构件开关电源系统，进一步提高了开关电源系统的寿命和可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例中开关电源系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中开关电源系统的工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
一种开关电源系统，图1所示为其结构示意图。该开关电源系统包括多个并联连接的开关电源单体单元、母线信号采集变送单元和主控单元。其中，并联连接的开关电源单体单元提供电源；母线信号采集变送单元连接这些开关电源单体单元的母线上，以采集、处理和发送这些开关电源单体单元的母线信息，包括母线电压和母线电流；主控单元则与各开关电源单体单元和母线信号采集变送单元均连接，以监控这些开关电源单体单元的工作状态(如以开关电源单体单元的电流和电压体现)和母线状态(如以母线电流和母线电压体现)，并据此对这些开关电源单体单元进行主动配流。该主动配流的主要内容是，对性能越差的开关电源单体单元，分配越低的电流，从而能够对性能较差的开关电源单体单元施加轻载或者空载，有力地保障整个开关电源系统的可靠性。
本实施例中，各开关电源单体单元相同。每个开关电源单体单元均包括单体拓扑电路、信号采集变送模块、电源保护模块和单体协控模块。单体拓扑电路即该开关电源单体中的电源部分，提供电源供应；信号采集变送模块和电源保护模块均与单体拓扑电路通过电流、电压采样电路连接，且均连接单体协控模块。单体拓扑电路包括功率开关器件和功率开关器件驱动电路，单体协控模块还通过单体拓扑电路中的功率开关器件驱动电路与单体拓扑电路连接，以由功率开关器件及功率开关器件驱动电路协同配合控制单体拓扑电路进行恒压输出。信号采集变送模块和电源保护模块通过单体协控制模块的实现类型选择合适的电路接口与单体协控制模块连接，因而信号采集变送模块和电源保护模块将采样结果经各自调理、变送后，能干传送到单体协控模块。
信号采集变送模块采集、放大、变送和跟随处理单体拓扑电路的电流和电压信号，并将该电流和电压信号通过单体协控模块反馈至主控单元，以确保单体拓扑电路具有决策的恒定输出。
电源保护模块对单体拓扑电路进行保护，包括过流保护、过压保护和欠压保护。
本发明中，单体协控模块能够数字化实现，亦能够由模拟元器件组合电路实现。基于数字化实现的单体协控模块，通过通信总线形式与开关电源系统的主控制单元实现双向通信，通信内容包括上行传输(即从单体协控模块到主控单元的传输)的开关电源单体单元的负载状态、工作状态和下行传输(即从主控单元到单体协控模块的传输)的主动配流决策参数。该主动配流决策参数包括分配给各开关电源单体单元的工作状态参数。该主动配流决策参数尤其包括各开关电源单体单元所承担的配流值。基于模拟元器件组合电路实现的单体协控模块，通过模拟数字信号转换接口和开关状态接口与开关电源系统的主控单元实现双向通信，通信内容包括上行传输的开关电源单体的负载状态、工作状态和下行传输的主动配流决策参数。
上述开关电源系统由两个及以上开关电源单体单元并联后共同为负载供电，是能够实现各个开关电源单体单元差异化配流控制的分布式电源系统。
本实施例中，母线信号采集变送单元与单体信号采集变送模块具有相似的电路原理，目的在于采样系统母线的电压、电流，经调理、变送后通过模拟数字信号转换接口与主控制单元连接。
上述主控制单元基于数字化实现，通过合适的信号接口与各开关电源单体单元的单体协控模块和系统的母线信号采集变送单元连接，综合分析各开关电源单体单元和系统母线的电流、电压采样数据，依据主动配流策略实现该类型分布式电源系统的主动配流。
开关电源具有脉宽调制的特征，是一个强非线性离散系统，具有如表1所述的特征。鉴于此，依据主动配流策略，在恒压或恒流并联供电系统中，在保证输出电压或输出电流恒定的情况下，电源控制器根据配流策略对各个电源模块的输出电流进行分配，实现电源系统的最佳综合性能，进行合理地非线性配流。
表1
本实施例的主动配流策略，核心在于实时评估各开关电源单体的负载程度，据此表征各开关电源单体的性能差异。各开关电源单体单元的负载程度表现为其中单体拓扑电路中功率开关器件的高频驱动信号占空比参数特征。该功率开关器件的高频驱动信号具有典型的非线性，其占空比参数特征包括占空比数值和变化程度。而且，在该开关电源单体单元的有效负载范围内，负载越大，占空比数值越大；恒定负载下，占空比数值变化程度可表征输出稳定性程度。
因此，主控单元通过单体协控模块和母线信号采集变送单元实时监测各单体拓扑电路和母线的供电状态参数，通过单体协控模块监测各单体拓扑电路的功率开关器件的高频驱动信号占空比参数，对各单体拓扑电路的供电状态参数进行一致性分析，对各单体拓扑电路的功率开关器件的高频驱动信号占空比参数进行变化程度分析和饱和度分析，结合单体拓扑电路的标准负载性能参考参数和电源母线供电参考参数决策开关电源系统的主动配流方案并通过各单体协控模块控制实现。
图2所示为本实施例中开关电源系统的工作流程图，该开关电源系统在主控单元的协调下以均流模式完成系统启动。如图2所示，在启动完成后，主控制单元通过和各单体协控模块间的通信实时获取各开关电源单体单元的工作状态参数，通过母线信号采集变送单元获取母线状态参数，通过主动配流策略建立主动配流方案，实现开关电源系统的主动配流。
本发明中，可以设置n个相同的开关电源单体进行并联组网，考虑到基于任务可靠性的功率匹配问题，其在功率上需要满足：
nPi≥Po 式(1)
其中，n为不小于2的正整数；
Pi为各开关电源单体的额定功率；
PO为所述开关电源系统的额定功率。
此外，本发明开关电源系统还可以采用并联冗余电源方案，每个开关电源单体单元在低于额定运行状态下工作，利于开关电源单体单元的长时间工作，即使某个开关电源单体单元发生了故障问题而停止向负载供电，冗余设计的开关电源单体单元在主控制单元的协调下，也能够及时承担故障的开关电源单体的负载，而不会导致开关电源系统的工作失常，确保了系统的可靠性。此时，该开关电源系统设置(n+m)个相同的开关电源单体进行并联组网，除了满足式(1)外，还满足：
l(n+m)Pi≥Po
其中，l为单个开关电源单体单元的应力降额使用的分数值，小于1；
n为所述开关电源系统的并联额定数，且为不小于2的正整数；
m为任务可靠性的冗余个数，且为正整数；
Pi为各所述开关电源单体的额定功率；
PO为所述开关电源系统的额定功率。
本发明中，在多开关电源并联主动配流点与系统冗余设计时要考虑如下原则：
若n，m已知，则：
若l，m为已知，则：
若l，n为已知，则：
本发明还提出了一种上述开关电源系统的电流控制方法，该方法包括以下步骤：
(1)以各开关电源单体单元均流的方式启动开关电源系统；
(2)启动后，检测各开关电源单体单元的特性，根据各开关电源单体单元的特性重新动态地主动配置各开关电源单体单元的电流。
上述步骤(2)包括：
(21)检测各开关电源单体单元的输出电流纹波大小；
(22)根据各开关电源单体单元的输出电流纹波大小，确定待配置给各开关电源单体单元的电流，并主动对开关电源单体单元配置该电流；
上述步骤(22)中，开关电源单体单元的输出电流纹波越大，待配置给开关电源单体单元的电流越小。
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 (15)

1.一种开关电源系统，其特征在于：包括多个并联连接的开关电源单体单元，以提供电源；
与各所述开关电源单体单元的母线连接的母线信号采集变送单元，以采集、处理和发送所述开关电源单体单元的母线信息，以及，
与各所述开关电源单体单元和所述母线信号采集变送单元均连接的主控单元，以监控各所述开关电源单体单元的工作状态和母线状态，并根据所述工作状态和所述母线状态对各所述开关电源单体单元进行主动配流；
每个所述开关电源单体单元均包括单体拓扑电路，作为提供电源的来源，以及，
与所述单体拓扑电路和所述主控单元均连接的单体信号采集变送模块，以采集、放大、变送和跟随处理所述单体拓扑电路的电流信号和电压信号，并将所述单体拓扑电路的电流信号和电压信号反馈至所述主控单元；
每个所述开关电源单体单元还包括单体协控模块，所述单体协控模块与所述单体拓扑电路、所述单体信号采集变送模块和所述主控单元均连接，以将所述单体信号采集变送模块的信息传送给所述主控单元，并接受所述主控单元的主动配流决策参数和基于所述主动配流决策参数控制所述单体拓扑电路的电流；
所述主控单元通过所述单体协控模块和所述母线信号采集变送单元实时监测各所述单体拓扑电路和母线的供电状态参数，监测各所述单体拓扑电路的功率开关器件的高频驱动信号占空比参数，对各所述单体拓扑电路的供电状态参数进行一致性分析，对各所述单体拓扑电路的功率开关器件的高频驱动信号占空比参数进行变化程度分析和饱和度分析，结合所述单体拓扑电路的标准负载性能参考参数和电源母线供电参考参数决策所述开关电源系统的主动配流方案并通过各所述单体协控模块控制实现。
2.根据权利要求1所述的开关电源系统，其特征在于：各所述开关电源单体单元相同。
3.根据权利要求1所述的开关电源系统，其特征在于：所述主动配流的内容包括：对性能越差的所述开关电源单体单元，分配越低的电流。
4.根据权利要求1所述的开关电源系统，其特征在于：所述主动配流决策参数包括分配给各开关电源单体单元的工作状态参数。
5.根据权利要求1所述的开关电源系统，其特征在于：所述主动配流决策参数包括各开关电源单体单元所承担的配流值。
6.根据权利要求1所述的开关电源系统，其特征在于：每个所述开关电源单体单元还包括与所述单体拓扑电路连接的电源保护模块，以实现对所述单体拓扑电路的保护。
7.根据权利要求6所述的开关电源系统，其特征在于：所述保护包括过流保护，和/或过压保护，和/或欠压保护。
8.根据权利要求1所述的开关电源系统，其特征在于：所述单体拓扑电路包括功率开关器件及功率开关器件驱动电路，所述单体协控模块与所述功率开关器件驱动电路连接，以由所述功率开关器件及所述功率开关器件驱动电路协同配合控制所述单体拓扑电路进行输出。
9.根据权利要求1所述的开关电源系统，其特征在于：所述开关电源系统包含n个所述开关电源单体单元，且满足：
nPi≥Po
其中，n为不小于2的正整数；
Pi为各所述开关电源单体单元的额定功率；
PO为所述开关电源系统的额定功率。
10.根据权利要求1所述的开关电源系统，其特征在于：所述开关电源系统包含(n+m)个开关电源单体，且满足：
nPi≥Po
以及
l(n+m)Pi≥Po
其中，l为单个开关电源单体单元的应力降额使用的分数值，小于1；
n为所述开关电源系统的并联额定数，且为不小于2的正整数；
m为任务可靠性的冗余个数，且为正整数；
Pi为各所述开关电源单体的额定功率；
PO为所述开关电源系统的额定功率。
11.根据权利要求10所述的开关电源系统，其特征在于：所述开关电源系统满足：
12.根据权利要求10所述的开关电源系统，其特征在于：在处于工作状态的所述开关电源单体单元发生故障时，所述主控单元协调控制冗余的开关电源单体单元开始工作，以替代发生故障的开关电源单体单元为负载供电。
13.一种根据权利要求1-12中任一项所述的开关电源系统的电流控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)以各开关电源单体单元均流的方式启动所述开关电源系统；
(2)启动后，检测各所述开关电源单体单元的特性，根据各所述开关电源单体单元的特性重新动态地主动配置各所述开关电源单体单元的电流。
14.根据权利要求13所述的开关电源系统的电流控制方法，其特征在于：所述步骤(2)包括：
(21)检测各开关电源单体单元的输出电流纹波大小；
(22)根据各开关电源单体单元的输出电流纹波大小，确定待配置给各开关电源单体单元的电流，并主动对所述开关电源单体单元配置所述电流。
15.根据权利要求14所述的开关电源系统的电流控制方法，其特征在于：所述步骤(22)中，开关电源单体单元的输出电流纹波越大，待配置给所述开关电源单体单元的电流越小。
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