CN109842108B - 一种多路大电流电源并网防反灌配电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路大电流电源并网防反灌配电装置，包括至少两个供电模块、汇流条和至少两个配电模块；供电模块和配电模块内部电路结构均相同，包括MOS管和MOS管控制器；MOS管源极和漏极之间并联有二极管，二极管负极朝向漏极；MOS管控制器还包括开关控制模块和防反灌控制模块，防反灌控制模块包括比较器和恒压源。利用比较器对通路的上游组与下游组的电压进行比较，当下游电压超出上游电压一定范围时，比较器翻转，此翻转信号接到通路下游组MOS管栅极，将通路下游组MOS管关断，通路下游组MOS管的二极管处于反偏状态，即MOS管及其体二极管均处于关断状态，实现防反灌的目的。

Description

一种多路大电流电源并网防反灌配电装置

技术领域

本发明属于供配电领域，涉及一种多路大电流电源并网防反灌配电装置。

背景技术

在一些直流低电压供电的小型设备上，要求多路大电流电源并网供电，并网要求无缝切换，无缝切换的优点在于供电通路无需储能电容，实现难点在于因各电源处于工作状态，需要各电源供电通路具有防反灌能力，否则会造成对电源的反灌，各电源输出端接到一起，各电源均处于工作状态，电压最高的电源输出电流，其它电源因其供电通路输出端电压高于其电源自身电压，其供电通路处于关断状态，只有当此路电源电压高于其供电通路输出端电压时，此路电源通路才能自动接通。

实现无缝切换，需要考虑防反灌的问题，如果采用二极管防反灌，缺点是二极管需串联在供电路径上，热损耗非常大，热损功率与电流的平方成正比。随之会出现严重的散热问题，并且降低了至负载端电压值。同时，大电流的供电通路控制，如果采用断路器，缺点是体积大，会产生电弧。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种多路大电流电源并网防反灌配电装置，解决了多路大电流并网供配电的情况下，防反灌功耗大的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种多路大电流电源并网防反灌配电装置，包括至少两个供电模块、汇流条和至少两个配电模块；

每个供电模块的输出端均与汇流条连接，每个配电模块的输入端均与汇流条连接；

供电模块和配电模块内部电路结构均相同，包括模块输入端001、通路上游组、通路下游组、模块输出端002和N沟道MOS管控制器；通路上游组输入端连接模块输入端001，输出端连接通路下游组输入端，通路下游组输出端连接模块输入端002；

通路上游组和通路下游组均各包括至少一个N沟道的MOS管，且MOS管数量相同，MOS管源极和漏极之间并联有二极管，二极管负极朝向漏极；通路上游组的MOS管漏极为输入端，且与N沟道MOS管控制器的VCC引脚连接，源极为输出端，且与N沟道MOS管控制器的SOURCE引脚连接，栅极与N沟道MOS管控制器的HGATE引脚连接；通路下游组的MOS管源极为输入端，且与N沟道MOS管控制器的SOURCE引脚连接，漏极为输出端，且与N沟道MOS管控制器的SENSE引脚和OUT引脚连接，栅极与N沟道MOS管控制器的DGATE引脚连接；

N沟道MOS管控制器还包括开关控制模块和防反灌控制模块，防反灌控制模块包括比较器和恒压源，比较器的正输入端接收N沟道MOS管控制器SOURCE引脚的信号，比较器的负输入端经过恒压源，接收N沟道MOS管控制器SENSE引脚的信号，比较器的输出端连接N沟道MOS管控制器DGATE引脚。

优选的，通路上游组的MOS管栅极均分别通过串联电阻与N沟道MOS管控制器的HGATE引脚连接，通路下游组的MOS管栅极均分别通过串联电阻与N沟道MOS管控制器的DGATE引脚连接；通路上游组的电阻与N沟道MOS管控制器的HGATE引脚连接的一端，还连接有电容C3一端，电容C3另一端与通路下游组的MOS管源极连接。

优选的，模块输出端002连接有电容C4一端，电容C4另一端接地。

优选的，模块输出端002连接有二极管D4负极，二极管D4正极接地。

优选的，模块输入端001连接有电阻R1一端，电阻R1另一端与N沟道MOS管控制器的VCC引脚连接，电阻R1分别连接有电容C1一端与稳压管D1负极，电容C1另一端与稳压管D1正极接地。

优选的，N沟道MOS管控制器的HGATE引脚分别连接有电容C2一端和稳压管D2负极，电容C2另一端接地，稳压管D2正极与N沟道MOS管控制器的SOURCE引脚连接，N沟道MOS管控制器的SOURCE引脚连接有稳压管D3正极，稳压管D3负极与N沟道MOS管控制器DGATE引脚连接。

优选的，通路上游组和通路下游组的MOS管数量均大于一时，同一通路组的MOS管之间的MOS管并联设置。

优选的，恒压源的电压为30mV。

优选的，汇流条采用铜材质。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明利用比较器对通路的上游组与下游组的电压进行比较，当下游电压超出上游电压一定范围时，比较器翻转，此翻转信号接到通路下游组MOS管栅极，将通路下游组MOS管关断，同时因为MOS管内部的体二极管并接在源级和漏极，源极接二极管的正端，漏极接二极管的负端，而此MOS管的源极接在通路上游组的输出端，漏极接在通路下游组的输出端，当输出端电压高于输入端电压时，二极管处于反偏状态，即MOS管及其体二极管均处于关断状态，实现防反灌的目的。

进一步，通路上游组的MOS管栅极均分别通过串联电阻与N沟道MOS管控制器的HGATE引脚连接，通路下游组的MOS管栅极均分别通过串联电阻与N沟道MOS管控制器的DGATE引脚连接，与通路上游组的MOS管栅极连接的电阻还与电容C3的一端连接，C3的另一端与通路下游组的MOS管源极连接，用于平衡各MOS管电容参数差异，使各MOS管通过的负载能力趋于平衡，避免了MOS管的数量越多，使得MOS管驱动器输出负载电流增加，导致MOS管栅极和源极之间的电压上升时间变长，使MOS管在半开半关的状态的时间延长，在此状态时，MOS管电阻较大，当通过大电流时，会使MOS管发热，热累积会造成MOS管快速损坏的问题。

进一步，电容C4用于抑制供电输出端的正向浪涌电压。

进一步，二极管D4反接于供电输出端与地之间，用于抑制供电输出端的负脉冲干扰。

进一步，电阻R1和稳压管D1构成稳压电路，实现对MOS管控制器的过压保护。

进一步，稳压管D2和稳压管D3配合MOS管控制器，用于给MOS管栅源端提供稳定的电压。

进一步，汇流条采用铜材质，导电性能好，利于提高供配电通路的效率，减少线路损失；导热性好，利于将产生的热量传导出去，增强电管器工作稳定性；耐腐蚀，利于延长电管器的寿命。

附图说明

图1为本发明的多路大电流并网供配电框图；

图2为本发明的供电模块或配电模块电路图；

图3为本发明的防反灌控制功能图；

图4为本发明的防反灌波形图。

其中：1-4为供电模块，5为汇流条，6-11为配电模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，本发明所述装置包括多个供电模块、一块汇流条和多个配电模块。

汇流条板是连接各供电模块和配电模块的物理载体，每个供电模块的输出端均与汇流条连接，每个配电模块的输入端均与汇流条连接。汇流条、过流条采用铜条，走线短、粗。

供电模块和配电模块内部电路结构均相同，如图2所示，包括模块输入端001、通路上游组、通路下游组、模块输出端002和N沟道MOS管控制器；通路上游组输入端连接模块输入端001，输出端连接通路下游组输入端，通路下游组输出端连接模块输入端002。

通路上游组和通路下游组均各包括至少一个N沟道的MOS管，且MOS管数量相同，本实施例优选的通路上游组和通路下游组均各包括三个MOS管，并且同一通路组的MOS管之间并联设置，通路上游组和通路下游组的MOS管一一对应，如图2中，MOS管M1和MOS管M4为对应，MOS管M2和MOS管M5对应，MOS管M3和MOS管M6对应；MOS管源极和漏极之间并联有二极管，二极管负极朝向漏极；通路下游组的MOS管漏极为输入端，且与N沟道MOS管控制器的VCC引脚连接，源极为输出端，且与N沟道MOS管控制器的SOURCE引脚连接，栅极与N沟道MOS管控制器的DGATE引脚连接；通路上游组的MOS管源极为输入端，且与N沟道MOS管控制器的SOURCE引脚连接，漏极为输出端，且与N沟道MOS管控制器的SENSE引脚和OUT引脚连接，栅极与N沟道MOS管控制器的HGATE引脚连接；通路上游组用于实现开关控制等功能，通路下游组的MOS管用于实现防反灌功能。通路下游组的MOS管漏极与模块输出端002连接，源极与通路上游组MOS管的源极相接，目的是在供电输出端出现较高反灌电压时，通路下游组的MOS管处于关断状态，同时其体内二极管正极电压小于负极电压，也处于反偏置状态，最终达到防反灌关断此路电源通路的目的。

各并联MOS管的栅极与电阻串联后，再并联在一起，通路上游组的MOS管栅极均分别通过串联电阻与N沟道MOS管控制器的HGATE引脚连接，通路下游组的MOS管栅极均分别通过串联电阻与N沟道MOS管控制器的DGATE引脚连接；本实施例优选的6个MOS管栅极分别设置电阻R2-电阻R7，通路上游组的电阻与N沟道MOS管控制器的HGATE引脚连接的一端，还连接有电容C3一端，电容C3另一端与通路下游组的MOS管源极连接，用于平衡各MOS管电容参数差异，使各MOS管通过的负载能力趋于平衡，避免了MOS管的数量越多，使得MOS管驱动器输出负载电流增加，导致MOS管栅极和源极之间的电压上升时间变长，使MOS管在半开半关的状态的时间延长，在此状态时，MOS管电阻较大，当通过大电流时，会使MOS管发热，热累积会造成MOS管快速损坏的问题。

模块输出端002连接有电容C4一端，电容C4另一端接地，用于抑制供电输出端的正向浪涌电压。

模块输出端002连接有二极管D4负极，二极管D4正极接地，用于抑制供电输出端的负脉冲干扰。

模块输入端001连接有电阻R1一端，电阻R1另一端与N沟道MOS管控制器的VCC引脚连接，电阻R1分别连接有电容C1一端与稳压管D1负极，电容C1另一端与稳压管D1正极接地，电阻R1和稳压管D1构成稳压电路，实现对MOS管控制器的过压保护。

N沟道MOS管控制器的HGATE引脚分别连接有电容C2一端和稳压管D2负极，电容C2另一端接地，稳压管D2正极与N沟道MOS管控制器的SOURCE引脚连接，N沟道MOS管控制器的SOURCE引脚连接有稳压管D3正极，稳压管D3负极与N沟道MOS管控制器DGATE引脚连接，稳压管D2和稳压管D3配合MOS管控制器，用于给MOS管栅源端提供稳定的电压。

N沟道MOS管控制器还包括开关控制模块和防反灌控制模块，防反灌控制模块包括比较器和恒压源，比较器的正输入端接收N沟道MOS管控制器SOURCE引脚的信号，比较器的负输入端经过恒压源，接收N沟道MOS管控制器SENSE引脚的信号，本实施例优选的恒压源的电压为30mV，比较器的输出端连接N沟道MOS管控制器DGATE引脚，用于控制图2中通路下游组的MOS管，使其处于导通状态。当模块输出端002电压高于某一电源电压30mV时，即某一路电源通路出现电压倒灌时，图3中的比较器翻转，使图2中通路下游组所有的MOS管关断，从而实现防反灌目的，比较器负输入端串接30mV恒压源的目的是避免电路出现抖动和震荡，甚至造成MOS管来回开关，直到损坏。

防反灌的原理是利用比较器对通路的上游组与下游组的电压进行比较，当下游电压超出上游电压一定范围时，即恒压源的30mV时，比较器翻转，如图3所示，此翻转信号接到通路下游组MOS管栅极，即N沟道MOS管控制器的DGATE引脚，如图2所示，将通路下游组MOS管关断，同时因为MOS管内部的体二极管并接在源级和漏极，源极接二极管的正端，漏极接二极管的负端，而此MOS管的源极接在通路上游组的输出端，漏极接在通路下游组的输出端，当输出端电压高于输入端电压时，二极管处于反偏状态，即MOS管及其体二极管均处于关断状态，实现防反灌的目的。

防反灌测试：如图4所示，正常工作电压为28V，负载电流为200A，反灌电压为32V。波形如图4所示。图中：框A为上电波形；框B为加载反灌电压时刻波形；框C为撤销反灌电压时刻波形。通道1为某电源模块输入端001电压波形28V；通道2为防反灌控制信号，即加载到通路下游组MOS管栅极，即N沟道MOS管控制器的DGATE引脚的电压波形；通道3为此电源模块输出端002电压波形。

在框B，当此电源模块输出端002施加高于其输入端28V电压的反灌电压32V时，通路下游组MOS管栅极电压降低，使栅源电压值低于门限值，造成通路下游组MOS管关断，从而关断了此电源的供电通路，使反灌电压32V并未反灌到此电源的模块输入端001，模块输入端001电压依旧是28V，达到防反灌目的。在框C，当模块输出端002的32V电压撤销后，防反灌的比较器翻转，N沟道MOS管控制器的DGATE引脚输出DGATE控制信号，使得通路下游组MOS管栅极电压高于门限值，通路下游组MOS管打开，此电源的供电通路接通。

本发明已成功应用于某无人机电源管理器的设计中，完成4路200A直流电源的并网防反灌供电，4路电源的供电电压分别为28V、26V、24V、23V，四路电源均处于工作状态，但只有电压最高的电源输出电流。当28V电源工作时，其余三路电源对应的供电通路由于防反灌而处于自动关断状态；当28V电源故障无输出时，26V电源对应的供电通路由于反灌情况撤销，通路自动打开，实现无缝隙切换，输出电流，依此类推。经反复验证，在4路电源并网供电的情况下，当调高某一路电源电压超过其余三路电源电压时，此路电源的供电通路接通，其余三路电源由于供电通路的输入电压小于输出电压，反灌电压被通路下游组MOS管阻挡，达到防反灌的目的。同时，200A电流通过电源管理器，在高温、低温和常温环境下，60小时连续考核，温升在5℃范围内。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多路大电流电源并网防反灌配电装置，其特征在于，包括至少两个供电模块、汇流条和至少两个配电模块；

每个供电模块的输出端均与汇流条连接，每个配电模块的输入端均与汇流条连接；

供电模块和配电模块内部电路结构均相同，包括模块输入端001、通路上游组、通路下游组、模块输出端002和N沟道MOS管控制器；通路上游组输入端连接模块输入端001，输出端连接通路下游组输入端，通路下游组输出端连接模块输出端002；

通路上游组和通路下游组均各包括至少一个N沟道的MOS管，且MOS管数量相同，MOS管源极和漏极之间并联有二极管，二极管负极朝向漏极；通路上游组的MOS管漏极为输入端，且与N沟道MOS管控制器的VCC引脚连接，源极为输出端，且与N沟道MOS管控制器的SOURCE引脚连接，栅极与N沟道MOS管控制器的HGATE引脚连接；通路下游组的MOS管源极为输入端，且与N沟道MOS管控制器的SOURCE引脚连接，漏极为输出端，且与N沟道MOS管控制器的SENSE引脚和OUT引脚连接，栅极与N沟道MOS管控制器的DGATE引脚连接；

N沟道MOS管控制器还包括开关控制模块和防反灌控制模块，防反灌控制模块包括比较器和恒压源，比较器的正输入端接收N沟道MOS管控制器SOURCE引脚的信号，比较器的负输入端经过恒压源，接收N沟道MOS管控制器SENSE引脚的信号，比较器的输出端连接N沟道MOS管控制器DGATE引脚；

通路上游组的MOS管栅极均分别通过串联电阻与N沟道MOS管控制器的HGATE引脚连接，通路下游组的MOS管栅极均分别通过串联电阻与N沟道MOS 管控制器的DGATE引脚连接；通路上游组的电阻与N沟道MOS管控制器的HGATE引脚连接的一端，还连接有电容C3一端，电容C3另一端与通路下游组的MOS管源极连接；

模块输出端002连接有电容C4一端，电容C4另一端接地。

2.根据权利要求1所述的一种多路大电流电源并网防反灌配电装置，其特征在于，模块输出端002连接有二极管D4负极，二极管D4正极接地。

3.根据权利要求1所述的一种多路大电流电源并网防反灌配电装置，其特征在于，模块输入端001连接有电阻R1一端，电阻R1另一端与N沟道MOS管控制器的VCC引脚连接，电阻R1分别连接有电容C1一端与稳压管D1负极，电容C1另一端与稳压管D1正极接地。

4.根据权利要求1所述的一种多路大电流电源并网防反灌配电装置，其特征在于，N沟道MOS管控制器的HGATE引脚分别连接有电容C2一端和稳压管D2负极，电容C2另一端接地，稳压管D2正极与N沟道MOS管控制器的SOURCE引脚连接，N沟道MOS管控制器的SOURCE引脚连接有稳压管D3正极，稳压管D3负极与N沟道MOS管控制器DGATE引脚连接。

5.根据权利要求1所述的一种多路大电流电源并网防反灌配电装置，其特征在于，通路上游组和通路下游组的MOS管数量均大于一时，同一通路组的MOS管之间的MOS管并联设置。

6.根据权利要求1所述的一种多路大电流电源并网防反灌配电装置，其特征在于，恒压源的电压为30mV。

7.根据权利要求1所述的一种多路大电流电源并网防反灌配电装置，其特征在于，汇流条采用铜材质。

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