CN108206627A - 直流-直流变换设备 - Google Patents

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薛济萍
陈燕虎
杨华勇
谢书鸿
张锋
杜宗印
郭朝阳
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Abstract

本发明提供一种直流‑直流变换设备，包括：一变换控制单元，包括控制总线端口和通信接口；以及电能变换模块，包括若干个电能变换子模块，其中，这些电能变换子模块的输入端正极串联一个保险丝后连接到所述直流‑直流变换设备的输入电压正极端，输入端负极与所述直流‑直流变换设备的输入电压接地端互联，输出端正极连接到所述直流‑直流变换设备的输出电压正极端，输出端负极直接连接到所述直流‑直流变换设备的输出电压接地端，使能端与所述变换控制单元的控制总线端口相连；所述变换控制单元通过所述通信接口与一外部远程控制端交互。本发明提供的直流‑直流变换设备可实现中压直流电向低压直流电的转换，具有极高的冗余性和容错能力。

Description

直流-直流变换设备
技术领域
本发明涉及一种直流-直流变换设备，尤其涉及一种将较大功率的中等电压级别的直流电降低到低等电压级别的直流电的直流-直流变换设备。
背景技术
传统的中压直流电变换为低压直流电采用的方法是单一拓扑结构的电能变换器，对于超大功率的直流电能变换，单一拓扑结构电路的任何一部分出现故障后即导致失效，不具备容错能力，可靠性不够高。在一些特定的应用场合，如水下直流微型供电网，需实现超大功率的中压到低压的电能变换，由于水下应用环境设备维护困难，要求变换器具有极高的可靠性，当其中一部分出现故障后，能够容错运行；而且水下密闭腔体空间有限，散热条件恶劣，要求受电端在低功耗下仍能够具有较高的转换效率。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种可容错地实现中压电能到低压电能的电能变换的直流-直流变换设备。
本发明提供一种直流-直流变换设备，所述设备包括：
一变换控制单元，包括控制总线端口和通信接口；以及
电能变换模块，所述电能变换模块包括若干个电能变换子模块，其中，这些电能变换子模块的输入端正极串联一个保险丝后连接到所述直流-直流变换设备的输入电压正极端，输入端负极与所述直流-直流变换设备的输入电压接地端互联，输出端正极连接到所述直流-直流变换设备的输出电压正极端，输出端负极直接连接到所述直流-直流变换设备的输出电压接地端，使能端与所述变换控制单元的控制总线端口相连；所述变换控制单元通过所述通信接口与一外部远程控制端交互。
作为一种优选方案，所有的电能变换子模块采用相同规格的小型电源模块。
作为一种优选方案，每一所述电能变换子模块还包括一输出电压检测端，所述输出电压检测端与其所在的电能变换子模块的输出端正极相连。
作为一种优选方案，每一所述电能变换子模块的输出端正极与所述直流-直流变换设备的输出电压正极端间还串联有一采样电阻及二极管。
作为一种优选方案，所述保险丝为一高电压等级的熔断式保险丝，当所述保险丝所在的电能变换子模块输入短路或长期过载时保险丝熔断。
作为一种优选方案，所述电能变换子模块之间的连接线长度小于或等于500毫米。
作为一种优选方案，所述变换控制单元采用基于单片机或ARM系统的控制单元。
作为一种优选方案，所述变换控制单元的控制总线端口包括多个输出模拟控制口，每一电能变换子模块的使能端连接一所述输出模拟控制口。
作为一种优选方案，所述变换控制单元根据所述外部远程控制端的控制信息，选择性的激活全部使能端或部分使能端。
作为一种优选方案，连接所述若干电能变换子模块的使能端与所述变换控制单元的控制总线端口的总线为带屏蔽层的双绞线。
作为一种优选方案，所述直流-直流变换设备的每一电能变换子模块的输入端用于接收电压范围为300伏至500伏的输入电压，每一电能变换子模块的输出端用于输出72伏或72伏以下的输出电压。
本发明提供的直流-直流变换设备采用多个电能变换子模块并联的方式，可实现大功率的中压输入和低压输出的直流电能变换，整体的最高转换效率等同于单一电能变换子模块的转换效率。本发明提供的直流-直流变换设备的外观具有可调整性从而可实现紧凑结构的特点，同时多模块并联组合的方式具有极高的冗余性和容错能力，每个模块均可独立控制，故而具有较灵活的在线配置能力。
附图说明
下面将结合说明书附图及实施例对本发明作进一步说明。
图1示出本发明实施方式的直流-直流变换设备的总体功能框图。主要元件符号说明
直流-直流变换设备 100
电能变换模块 20
电能变换子模块 M1-MN
输入端正极 IP
输入端负极 IG
输出端正极 OP
输出端负极 OG
使能端 En
输出电压检测端 IS
变换控制单元 30
控制总线端口 Ctrl
通信端口 RS232
保险丝 40
采样电阻 50
整流二极管 60
输入电压正极端 A
输出电压正极端 B
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。可以理解，附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的尺寸仅仅是为便于清晰描述，而并不限定比例关系。
需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
请参考图1，图1示出本发明实施方式的直流-直流变换设备100的总体功能框图，直流-直流变换设备100用于将较大功率的中压直流电变换为低压直流电。在本实施例中，所述较大功率的中压直流电的范围可在300伏到500伏之间，如300伏、400伏、500伏等。经变换后的所述低压直流电可为72伏或72伏以下。
直流-直流变换设备100包括电能变换模块20及变换控制单元30。在本实施例中，电能变换模块20包括N个电能变换子模块M1-MN，所述电能变换子模块M1-MN能够实现将中等级别的电压转换为低等级别的电压，其中N为大于1的整数。电能变换子模块M1-MN通过并联连接的方式组合，并受变换控制单元30控制。在本实施例中，N个电能变换子模块的大小规格和功能结构相一致。
在本实施例中，N个电能变换子模块M1-MN均为小型的电源模块，能够将中压直流电变成低压直流电，包括输入端口、输出端口、使能端En及输出电压检测端IS，其中输入端口与输出端口电气隔离。所述电能变换子模块能够接受的输入电压在300伏至500伏之间，即处于中压直流电输入范围，其输出电压为低电压级别如100伏以下，且输出值固定。所述电能变换子模块的最大功率在600瓦以内，如600瓦、500瓦、400瓦、300瓦等。由于每一电能变换子模块具有小型化体积，高效率等特征，故将N个电能变换子模块并联连接时，整体的外观具有可调整性从而能够实现紧凑的结构，如当N个电能变换子模块按照同心圆布设多圈时整体的外观呈圆柱状，当N个电能变换子模块呈多行多列整齐排列时直流-直流变换设备100整体的外观可以呈正方体或长方体状。直流-直流变换设备100中并联连接的N个电能变换子模块的总功率为每一电能变换子模块的功率之和，即直流-直流变换设备100的最大功率不受限制。
如图1所示，直流-直流变换设备100还包括保险丝40、采样电阻50和整流二极管60。在直流-直流变换设备100中，N个电能变换子模块的连接方式大致相同。在电能变换子模块中，所述输入端口包括输入端正极IP、输入端负极IG，所述输出端口包括输出端正极OP、输出端负极OG。每一电能变换子模块的输入端正极IP串联一保险丝40后连接至直流-直流变换设备100的输入电压正极端A；每一电能变换子模块的输入端负极IG与直流-直流变换设备100的输入电压接地端连接；每一电能变换子模块的输出端正极OP串联一采样电阻50和一整流二极管60后连接至直流-直流变换设备100的输出电压正极端B；每一电能变换子模块的输出端负极OG与直流-直流变换设备100的输出电压接地端连接；每一电能变换子模块的输出电压检测端I S与其所在的电能变换子模块中的输出端正极OP相连接。在本发明的实施例中，对每一电能变换子模块的输出端正极OP与输出电压正极端B间串联的采样电阻50和整流二极管60的连接顺序不做限定，即输出端正极OP可依次串联采样电阻50和整流二极管60，或输出端正极OP可依次串联整流二极管60和采样电阻50。
在本实施例中，每一电能变换子模块的输入端正极IP串联的保险丝40采用高电压等级的熔断式保险丝，当保险丝40所在的电能变换子模块输入短路或长期过载时保险丝40熔断，可实现硬件间的隔离，而其他正常工作的电能变换子模块的工作不受影响，使得直流-直流变换设备100可以容错运行。每一电能变换子模块的输出端正极OP串联的采样电阻50可选取阻值在10至100毫欧之间的电阻，如10毫欧、20毫欧、30毫欧、40毫欧、50毫欧、60毫欧、70毫欧、80毫欧、90毫欧、100毫欧等，具体可根据每一电能变换子模块的输出电流范围和电能变换模块20的均流误差要求选取。
在本实施例中，电能变换子模块之间的连接线长度不超过500毫米，如可以为450毫米、400毫米、350毫米、300毫米、200毫米、100毫米等。
变换控制单元30可选用基于单片机或ARM系统的控制单元，使直流-直流变换设备整体为一个稳定的控制系统。变换控制单元30包括控制总线端口Ctrl和通信接口RS232。控制总线端口Ctrl包括足够数量的模拟控制口，如大于等于N个。在本实施方式中，对应N个电能变换子模块选用N个模拟控制口，此时，N个模拟控制口的每一模拟控制口通过总线连接一个电能变换子模块的使能端En，所述总线采用带屏蔽层的双绞线。
变换控制单元30通过通信接口RS232完成与一外部远程控制端的交互，以此可通过所述远程控制端控制变换控制单元30的控制总线端口Ctrl中相应的输出模拟控制口，以选择性地激活电能变换模块20中的全部使能端En或部分使能端En，以实现N个电能变换子模块的在线通断，从而实现电能变换模块20中工作的电能变换子模块数量的在线调整。变换控制单元30通过一独立的外部电源为其供电。在本实施例中，所述外部电源的供电电压为24伏。在本发明的其他实施方式中，变换控制单元30的通信接口不限于RS232，也可为RS232-C或RS485等。
本发明提供的直流-直流变换设备具有如下特点：
1.所有电能变换子模块采用相同规格的电源模块，且其数量不受限制，通过多个子模块并联组合的方式形成大功率的电能转换模块，实现中压直流电变换成低压直流电的功能。
2.所有的电能变换子模块可通过一远程控制端控制变换控制单元的控制总线端口，以选择性地激活全部或部分使能端，即可实现各个电能变换子模块的在线通断，从而实现电能变换模块中并联子模块数量的在线调整。
3.每一电能变换子模块输入端串联的保险丝采用高电压等级的熔断式保险丝，当电能变换子模块输入短路或长期过载时所述保险丝熔断，以实现硬件隔离，即直流-直流变换设备可以容错运行。
本发明提供的直流-直流变换设备可实现中压直流电输入、低压直流电输出的电能变换功能。本发明提供的直流-直流变换设备的电能变换模块采用多个小型的电源模块作为电能变换子模块进行并联连接组合，整体结构紧凑，满足水下直流微型供电网等对空间要求高的场合；由于电能变换子模块的数量不受限制，而直流-直流变换设备的总功率等于各个电能变换子模块的功率之和，故直流-直流变换设备的最大功率不受限制；直流-直流变换设备中多模块并联并受一变换控制单元控制，及保险丝的设置可使得直流-直流变换设备具有极高的冗余性和容错能力，各个电能变换子模块均可独立控制故而具有较灵活的在线配置能力。本发明提供的直流-直流变换设备具有极广的应用范围，如可应用于水下直流微型供电网、陆上小型直流配电系统和光伏发电功能系统内等。
在本说明书的描述中，术语“本实施方式”、“其他实施方式”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种直流-直流变换设备，包括：
一变换控制单元，包括控制总线端口和通信接口；以及
电能变换模块，所述电能变换模块包括若干个电能变换子模块，其中，这些电能变换子模块的输入端正极串联一个保险丝后连接到所述直流-直流变换设备的输入电压正极端，输入端负极与所述直流-直流变换设备的输入电压接地端互联，输出端正极连接到所述直流-直流变换设备的输出电压正极端，输出端负极直接连接到所述直流-直流变换设备的输出电压接地端，使能端与所述变换控制单元的控制总线端口相连；所述变换控制单元通过所述通信接口与一外部远程控制端交互。
2.如权利要求1所述的直流-直流变换设备，其特征在于，所有的电能变换子模块采用相同规格的小型电源模块。
3.如权利要求1所述的直流-直流变换设备，其特征在于，每一所述电能变换子模块还包括一输出电压检测端，所述输出电压检测端与其所在的电能变换子模块的输出端正极相连。
4.如权利要求1所述的直流-直流变换设备，其特征在于，每一所述电能变换子模块的输出端正极与所述直流-直流变换设备的输出电压正极端间还串联有一采样电阻及二极管。
5.如权利要求4所述的直流-直流变换设备，其特征在于，所述保险丝为一高电压等级的熔断式保险丝，当所述保险丝所在的电能变换子模块输入短路或长期过载时保险丝熔断。
6.如权利要求1所述的直流-直流变换设备，其特征在于，所述电能变换子模块之间的连接线长度小于或等于500毫米。
7.如权利要求1所述的直流-直流变换设备，其特征在于，所述变换控制单元采用基于单片机或ARM系统的控制单元。
8.如权利要求7所述的直流-直流变换设备，其特征在于，所述变换控制单元的控制总线端口包括多个输出模拟控制口，每一电能变换子模块的使能端连接一所述输出模拟控制口。
9.如权利要求8所述的直流-直流变换设备，其特征在于，所述变换控制单元根据所述外部远程控制端的控制信息，选择性的激活全部使能端或部分使能端。
10.如权利要求9所述的直流-直流变换设备，其特征在于，连接所述若干电能变换子模块的使能端与所述变换控制单元的控制总线端口的总线为带屏蔽层的双绞线。
11.如权利要求1所述的直流-直流变换设备，其特征在于，所述直流-直流变换设备的每一电能变换子模块的输入端口用于接收电压范围为300伏至500伏的输入电压，每一电能变换子模块的输出端口用于输出72伏或72伏以下的输出电压。
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