CN107222090B - 一种捕获导通时间的并联供电输出功率均衡控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种捕获导通时间的并联供电输出功率均衡控制系统，其包括基于PWM信号和PWM信号PWMmax生成PWM信号的生成电路与生成电路连接的电源控制模块、设置在电源控制模块输出端的电流检测单元以及电压检测单元、获取同步信号Syn的同步触发单元以及PWM驱动电路，本发明无需通信总线即可实现并联供电系统电源模块输出功率均衡控制，具有结构简单，实用性好，将输出功率标幺值的差值转换为两路占空比分别为和的PWM信号的导通时间差值该方案避免了模拟信号受高频开关信号的干扰。

Description

一种捕获导通时间的并联供电输出功率均衡控制系统
技术领域
本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种捕获导通时间的并联供电输出功率均衡控制系统。
背景技术
通信设备需要并联开关电源供电系统为其设备提供电力供应，这是基于并联供电系统为多电源模块并联输出结构，具备兼容性强、可N+m冗余备份、可靠性强、性价比高、设计难度较低、易于管理等一系列优势，成为解决通信电源设计的首选方案之一。现有通信设备的供电电源采用的是多个同型号电源模块并联供电，这将导致系统某些电源模块损坏之后，不能使用具有相同输出电压的其他型号的电源模块进行替换。为保证系统稳定运行，往往需要储备大量的电源模块备用，显然提高了成本，不利于并联供电系统的柔性控制。当采用具有相同输出电压不同功率容量的电源模块并联供电时，如何均衡控制每个电源模块输出功率大小一个挑战。
不同功率大小的电源模块的并联运行，除了要保证每个模块的输出电压相同之外，还应确保每个电源模块输出功率相对均衡分配。由于电源模块的额定功率大小不同，因而额定功率大的电源模块输出的功率相应较大，而额定功率小的电源模块输出功率则相应较小。那么就自然而然地引出了一个并联供电系统需要解决的问题——输出功率如何定量分配问题。
在电力系统供电领域，为解决上述问题，提出了标幺值定义，即用实际值除以基准值，得到一个无纲量的相对值，该相对值大于0而小于1。借用电力系统中标幺值定义，在并联供电系统中，我们可以对电源模块输出功率标幺值进行均衡控制。其物理意义是：每个电源模块以自身额定输出功率为基准，那么具有相同的输出功率标幺值的电源模块则意味着电源模块具有相同的输出功率能力，从而确保每个电源模块的相对负荷处于相同状态，提高电源模块的运行性能和寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，提供了一种电路结构简单、实用性好、抗干扰能力强的并联供电系统输出功率均衡控制系统，可实现并联供电系统的电源模块输出功率标幺值的均衡控制。
本发明提供一种捕获导通时间的并联供电输出功率均衡控制系统，其包括基于PWM信号和PWM信号PWMmax生成PWM信号的生成电路、与生成电路连接的电源控制模块、设置在电源控制模块输出端的电流检测单元以及电压检测单元、获取同步信号Syn的同步触发单元以及PWM驱动电路，所述电源控制模块的控制步骤如下：
(1)捕获的导通时间得到输出功率标幺值偏差量执行输出功率均衡控制补偿算法得到补偿量up(t)；
(2)通过电压检测单元采样输出电压vk(t)，得到偏差量ek(t)＝Vset+up(t)-vk(t)，执行电压控制算法，得到控制量uk(t)；
(3)基于同步信号Syn，将输出功率pk(t)调制为周期为T，占空比为导通时间为的PWM信号
(4)输出控制量uk(t)到PWM驱动电路实现输出电压控制和输出功率均衡控制。
所述生成电路包括：
PWMmax获取电路，获取占空比为导通时间为的PWM信号PWMmax；
信号获取电路，获取占空比为导通时间为的PWM信号信号。
所述生成电路包括异或门，所述异或门的一个输入端与所述电源控制模块的PWM调制端连接，另一个输入端获取占空比为导通时间为的PWM信号PWMmax，两个输入端之间并联二极管D，所述异或门的输出端与所述电源控制模块的捕获端连接，并输出占空比为导通时间为的PWM信号信号。
在所述PWM驱动电路与输出端之间设有功率变换器主电路。
所述同步触发单元可内置或可外接。
所述生成电路的一个输入端接用于接收/输出最大输出功率标幺值对应的PWM信号PWMmax的接线端子J1。
所述同步同步触发单元与用于输出/接收同步信号Syn的接线端子J2连接。
本发明具有以下优势：
本发明无需通信总线即可实现并联供电系统电源模块输出功率均衡控制，具有结构简单，实用性好。
本发明将输出功率标幺值的差值转换为两路占空比分别为和的PWM信号的导通时间差值该方案避免了模拟信号受高频开关信号的干扰。
本发明提出的输出功率均衡控制方案动态响应速度快；当电源模块进行热插拔时，只需一个同步信号Syn的周期即可获得均功率控制偏差量较现有通信总线均流方案动态响应指标优越。
本发明提出的均功率控制系统能在电源模块出现故障时，系统能实现快速动态响应；而采用通信总线方式实现均功率控制方案在电源模块出现故障时，系统需通过复杂的通信算法确定故障模块，确保系统正常工作。
本发明对开关电源模块控制芯片要求很低，可以使用单片机等低成本控制芯片作为开关电源主控芯片，降低了系统成本。
本发明提供的输出功率均衡控制系统具有结构简单、成本低、可靠性高，实用性强等特点，为电力电子设备并联控制提供了一种新的方案。
附图说明
图1为并联供电系统输出功率均衡控制系统功能结构图。
图2为电源模块控制算法框图。
图3为生成电路图。
图4为输出功率pk(t)的PWM调制原理图。
图5为PWMmax信号获取电路。
图6为信号获取电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：
图1为并联供电系统输出功率均衡控制系统功能结构图，该功能结构图总体上说明了并联供电系统电源模块内部组成部分、电源模块间连接方式和用电设备，下面以序号为k(1≤k≤N)的电源模块进行介绍。
本发明提供一种捕获导通时间的并联供电输出功率均衡控制系统，其包括基于PWM信号和PWM信号PWMmax生成PWM信号的生成电路、与生成电路连接的电源控制模块、设置在电源控制模块输出端的电流检测单元以及电压检测单元、获取同步信号Syn的同步触发单元以及PWM驱动电路，所述电源控制模块的控制步骤如下：
(1)捕获的导通时间得到输出功率标幺值偏差量执行输出功率均衡控制补偿算法得到补偿量up(t)；
(2)通过电压检测单元采样输出电压vk(t)，得到偏差量ek(t)＝Vset+up(t)-vk(t)，执行电压控制算法，得到控制量uk(t)；
(3)基于同步信号Syn，将输出功率pk(t)调制为周期为T，占空比为导通时间为的PWM信号
(4)输出控制量uk(t)到PWM驱动电路实现输出电压控制和输出功率均衡控制。
所述生成电路包括：
PWMmax获取电路，获取占空比为导通时间为的PWM信号PWMmax；
信号获取电路，获取占空比为导通时间为的PWM信号信号。
所述生成电路包括异或门，所述异或门的一个输入端与所述电源控制模块的PWM调制端连接，另一个输入端获取占空比为导通时间为的PWM信号PWMmax，两个输入端之间并联二极管D，所述异或门的输出端与所述电源控制模块的捕获端连接，并输出占空比为导通时间为的PWM信号信号。
在所述PWM驱动电路与输出端之间设有功率变换器主电路。
所述同步触发单元可内置或可外接。
所述生成电路的一个输入端接用于接收/输出最大输出功率标幺值对应的PWM信号PWMmax的接线端子J1。
所述同步同步触发单元与用于输出/接收同步信号Syn的接线端子J2连接。
生成电路主要实现二个功能：㈠获取最大导通时间为的PWM信号PWMmax；㈡获取导通时间差为的PWM信号该信号为与PWMmax的异或运算。PWM调制单元用于将输出功率pk(t)调制为周期为T、占空比为导通时间为的PWM信号
同步触发单元用于接收/输出同步时钟信号Syn。Syn实现具有相同的上升沿时刻，也就是同步；电源控制模块用于执行电压控制算法和输出功率均衡控制算法；PWM驱动电路用于对控制信号uk(t)进行隔离、放大，从而驱动MOSFET、IGBT功率管；功率变换器主电路主要包括功率管、滤波电容、滤波电感等原件，用于实现电能变换；电压检测单元用于对输出电压vk(t)进行信号调理、滤波等，将其调理为合适的电压进入电压采样端口；电流检测单元将输出电流ik(t)转换为电压信号，并进行信号调理、滤波等，将其调理为合适的电压进入电流采样端口；接线端口J1主要是输出/接收PWMmax信号；接线端口J2主要是输出/接收Syn信号；
图2为电源控制模块控制算法框图，包含电压控制算法、计算模型、输出功率均衡控制算法，其执行流程为：(1)捕获的导通时间计算输出功率标幺值偏差量执行输出功率均衡控制补偿算法得到补偿量up(t)；(2)采样输出电压vk(t)，计算偏差量ek(t)＝Vset+up(t)-vk(t)，执行电压控制算法，得到控制量uk(t)；(3)基于同步信号Syn，将输出功率pk(t)调制为周期为T，占空比为导通时间为的PWM信号(4)输出控制量uk(t)到PWM驱动电路实现输出电压控制和输出功率均衡控制。
图3为生成电路图，电路由二极管D、电阻R、异或门组成。其中二极管D、电阻R用于获取占空比为导通时间为的PWM信号PWMmax；异或门用于实现导通时间为的PWM信号的获得；
图4为输出功率pk(t)的PWM调制原理图，其将pk(t)信号调制为周期为T，占空比为导通时间为的PWM信号由PWM调制原理、几何相似三角形和标幺值知识可得：
pk(t)＝vk(t)×ik(t) (1)
其中：vk(t)为模块输出电压；ik(t)为模块输出电流；pk(t)、和分别为模块的输出功率、额定输出功率和输出功率标幺值；T为PWM信号的周期；为导通时间；
图5为PWMmax信号获取电路，因(1≤k≤N)具有相同的周期T并且同步，所以上升沿出现在同一时刻。由《电工电子学》知识可知，图5所示电路用于获得导通时间最长的PWM信号，令其为PWMmax，其导通时间满足：
其中：为的导通时间；联立方程(1)，(2)，(3)，(4)可得：
其中：
图6为信号获取电路。由逻辑代数可知，两个数字信号异或运算法则是：两个信号相同输出为0，不同输出为1。从图中可以看出对同步的信号和PWMmax进行异或运算，即可获得导通时间为的PWM信号图6中异或门的输出信号逻辑关系上满足：
的导通时间满足：
所以有：
联立方程(2)、(3)、(5)、(8)可得：
其中：为输出功率标幺值偏差量。令c＝T，则：
由公式(10)可知，与输出功率标幺值偏差量平均值为线性关系，因而可以通过来求取进而实现并联供电系统输出功率均衡控制。
实施例不应视为对本发明的限制，任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种捕获导通时间的并联供电输出功率均衡控制系统，其特征在于：其包括基于PWM信号和PWM信号PWMmax生成PWM信号的生成电路、与生成电路连接的电源控制模块、设置在电源控制模块输出端的电流检测单元以及电压检测单元、获取同步信号Syn的同步触发单元以及PWM驱动电路，所述电源控制模块的控制步骤如下：
(1)捕获的导通时间得到输出功率标幺值偏差量执行输出功率均衡控制补偿算法得到补偿量up(t)；
(2)通过电压检测单元采样输出电压vk(t)，得到偏差量ek(t)＝Vset+up(t)-vk(t)，执行电压控制算法，得到控制量uk(t)；
(3)基于同步信号Syn，将输出功率pk(t)调制为周期为T，占空比为导通时间为的PWM信号
(4)输出控制量uk(t)到PWM驱动电路实现输出电压控制和输出功率均衡控制。
2.根据权利要求1所述的一种捕获导通时间的并联供电输出功率均衡控制系统，其特征在于，所述生成电路包括：
PWMmax获取电路，获取占空比为导通时间为的PWM信号PWMmax；
信号获取电路，获取占空比为导通时间为的PWM信号信号。
3.根据权利要求1或2所述的一种捕获导通时间的并联供电输出功率均衡控制系统，其特征在于，所述生成电路包括异或门，所述异或门的一个输入端与所述电源控制模块的PWM调制端连接，另一个输入端获取占空比为导通时间为的PWM信号PWMmax，两个输入端之间并联二极管D，所述异或门的输出端与所述电源控制模块的捕获端连接，并输出占空比为导通时间为的PWM信号信号。
4.根据权利要求1所述的一种捕获导通时间的并联供电输出功率均衡控制系统，其特征在于，在所述PWM驱动电路与输出端之间设有功率变换器主电路。
5.根据权利要求1所述的一种捕获导通时间的并联供电输出功率均衡控制系统，其特征在于，所述同步触发单元可内置或可外接。
6.根据权利要求1所述的一种捕获导通时间的并联供电输出功率均衡控制系统，其特征在于，所述生成电路的一个输入端接用于接收/输出最大输出功率标幺值对应的PWM信号PWMmax的接线端子J1。
7.根据权利要求1所述的一种捕获导通时间的并联供电输出功率均衡控制系统，其特征在于，所述同步触发单元与用于输出/接收同步信号Syn的接线端子J2连接。
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