CN110635467A

CN110635467A - 一种冗余直流电源供电系统

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Publication number: CN110635467A
Application number: CN201910888144.8A
Authority: CN
Inventors: 李善宝
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-09-19
Filing date: 2019-09-19
Publication date: 2019-12-31

Abstract

本发明实施例公开了一种冗余直流电源供电系统，该系统包括：第一电源输出端正极与第一二极管正极连接，构成第一电源子系统；第二电源输出端正极和第二二极管正极连接，构成第二电源子系统；两个二极管负极连接，作为冗余直流电源供电系统的输出端正极；第一电源输出端负极与第二电源输出端负极连接后，作为冗余直流电源供电系统的输出端负极。两个电源控制子系统一主一备，保证系统供电状态不间断，提升系统可靠性的同时，还避免了两个电源直接并联而造成的相互耦合现象，进而避免元器件损坏的情况发生。

Description

一种冗余直流电源供电系统

技术领域

本发明实施例涉及电子电路技术领域，具体涉及一种冗余直流电源供电系统。

背景技术

通信、导航、医疗设备和工业自动化系统一般不允许供电中断，其可靠度要求很高，采用电源冗余是提高系统可靠性的主要措施。现有技术中，将两个直流电源直接并联，同时开机向负载供电，假如其中一个电源出现故障而停止供电时，另一个电源还可以提供供电保障，从而避免整个系统失效。

但是从技术上讲，两个电源的输出是不能直接并联的。这是因为一般的直流电源是一个电压型控制的闭环系统，在两个电源的给定电压不可能完全相等的情况下，如果强制并联，要求相同的输出，两个控制系统相互耦合，无所适从。电压低的电源不但不向系统供电，反而成为输出电压高的电源的负载，热应力分配不均，极易损坏，严重时会烧毁。

那么，如何才能够在通过电源冗余提高系统可靠性的同时，用能够避免两个电源直接并联而造成的相互耦合现象，进而避免元器件损坏的情况发生，成为本申请亟待解决的技术问题。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种冗余直流电源供电系统，以解决现有技术中无法保证通过电源冗余提高系统可靠性的同时避免两个电源直接并联而造成的相互耦合现象，进而造成元器件损坏的技术问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

根据本发明实例的第一方面，提供了一种冗余直流电源供电系统，该系统包括：

第一电源、第二电源、第一二极管、第二二极管；

第一电源输出端正极与第一二极管正极连接，构成第一电源子系统；第二电源输出端正极和第二二极管正极连接，构成第二电源子系统；

两个二极管负极连接，作为冗余直流电源供电系统的输出端正极；第一电源输出端负极与第二电源输出端负极连接后，作为冗余直流电源供电系统的输出端负极。进一步地，第一电源的第一交流输入端和第二电源的第一交流输入端分别连接三相四线制供电电路中的同一火线上。

进一步地，第一电源的第一交流输入端和第二电源的第二交流输入端分别连接三相四线制供电电路中的不同火线上。

进一步地，第一电源的第二交流输入端和第二电源的第二交流输入端连接三相四线制供电电路中的零线上。

进一步地，冗余直流电源供电系统的输出端正极和负极之间连接外部负载。

进一步地，冗余直流电源供电系统还包括电流表和电压表；

电流表连接在冗余直流电源供电系统的输出正极与负载之间，用于采集第一电源控制系统和第二电源控制系统输出的电流总和；

电压表连接在冗余直流电源供电系统的输出正极与负极之间，用于测量第一电源子系统的输出端电压、第二电源子系统输出端电压、冗余直流电源供电系统的输出端电压或者负载电压。

进一步地，冗余直流电源供电系统还包括控制开关；

控制开关用于，控制第一电源子系统或者第二电源子系统与三相四线制交流电建立电连接。

进一步地，第一电源子系统与第二电源子系统之间的设定输出电压差值为预设值。

进一步地，设定第一电源子系统的输出电压大于第二电源子系统输出电压，根据工作情况定期人工调整轮换。

进一步地，当第一电源子系统的输出电压大于第二电源子系统的输出电压时，第一二极管导通，第二二极管反向截止，第一电源子系统供电；

或者，当第一电源子系统因故无输出或输出电压小于第二电源的设定电压时，第二二极管导通，第一二极管反向截止，第二电源子系统供电。

本发明实例具有如下优点：(1)实现了两个或多个电源的解耦并联。避免了两个电源直接并联而造成的相互耦合现象，进而避免元器件损坏等不利影响；(2)采用一主一备形式提高了系统可靠性。正常情况下，电路中只有主电源子系统工作，另一个电源子系统只有在主电源子系统失效时自动接替工作，保证系统供电状态不间断；(3)根据开关状态可以进行多种状态测量。如单个电源子系统的端电压测量、冗余直流电源供电系统电压测量、负载电流测量等；(4)电路结构简单，相较于复杂的电路而言可靠性容易保证。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的一种冗余直流电源供电系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的利用软件构建的图1所示的电路的仿真电路图；

图3为理想状态中在DC1和DC2相等的情况下，图1所示的电路中的V_ab和电源输出电流示意图；

图4为理想状态中在DC1和DC2相等的情况下，图1所示的电路中的负载上的电压和电流示意图；

图5为实际状态中在DC1和DC2不完全相等的情况下，图1所示的电路中的V_ab和电源输出电流示意图；

图6为实际状态中在DC1和DC2不完全相等的情况下，图1所示的电路中的负载上的电压和电流示意图；

图7为图1电路中，当DC1额定电压为24.2V，DC2额定电压为23.8V时，最终仿真出来的V_ab和电源输出电流示意图；

图8为图1电路中，当DC1额定电压为24.2V，DC2额定电压为23.8V时，最终仿真出来的负载上的电压和电流示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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。

本发明实施例提供了一种冗余直流电源供电系统，具体如图1所示，该系统包括：第一电源DC1、第二电源DC2、第一二极管D1、第二二极管D2。

其中，第一电源DC1输出端正极与第一二极管D1正极连接，构成第一电源DC1子系统；第二电源DC2输出端正极和第二二极管D2正极连接，构成第二电源DC2子系统；

两个二极管负极连接，作为冗余直流电源供电系统的输出端正极；第一电源DC1输出端负极与第二电源DC2输出端负极连接后，作为冗余直流电源供电系统的输出端负极。

具体的，参见图1所示，通过上述电路连接关系，可以实现冗余直流电源供电系统为负载供电时，保证当某一个电源控制子系统出现故障时，还可以通过另一个电源控制子系统进行供电，避免待供电负载失去电源供电的情况发生。

其具体原理主要在于，单个二极管，当二极管两端处于正向偏置时(超过门槛电压，一般在0.4V左右)，二极管导通，并且还有一个很小的通态电压降；当流过的电流为零时，二极管关断；当二极管处于反向偏置时，二极管保持关断。

对于图1中所示的冗余直流电源供电系统，忽略二极管的通态电压，当第一电源DC1输出电压等于第二电源DC2的输出电压时，图1中ab间的电位差Vab＝0，两个二极管有负载时均导通(无负载时均关断)，两个电源同时向负载供电，并且各承担一半的负载，理论上实现均流。

可选的，电源的电压始终是有限的，因此，在上述电路的基础上，还可以做出如下改进：

第一电源DC1的第一交流输入端和第二电源DC2的第二交流输入端分别连接三相四线制供电电路中的同一火线上。

参见图1所示，图中将第一电源DC1的第一交流输入端(L)和第二电源DC2的第一输入端(L)均接在同一火线上(L1)。

考虑到，如果出现L1缺相故障，那么整个冗余直流电源供电系统都也将失去供电能力。

可选的，第一电源DC1的第一交流输入端和第二电源DC2的第二交流输入端分别连接三相四线制供电电路中的不同火线上。

例如，第一电源DC1的第一交流输入端连接到三相四线制供电电路中的第一火线L1上，第二电源DC2的第一交流输入端连接到三相四线制供电电路中的第二火线L1上。即使某一相(如L1)电路发生故障，还可以通过另一相(如L2)供电电路为冗余直流电源供电系统提供电压。

可选的，第一电源DC1的第二交流输入端(N)和第二电源DC2的第二交流输入端(N)连接三相四线制供电电路中的零线上。

可选的，冗余直流电源供电系统的输出端正极和负极之间连接外部负载，例如图1中示出的是并联4个电阻R1～R4。

可选的，冗余直流电源供电系统还包括电流表和电压表；

电流表连接在冗余直流电源供电系统的输出正极与负载之间，用于采集第一电源DC1控制系统和第二电源DC2控制系统输出的电流总和；

电压表连接在冗余直流电源供电系统的输出正极与负极之间，用于测量第一电源DC1子系统的输出端电压、第二电源DC2子系统输出端电压、冗余直流电源供电系统的输出端电压或者负载电压。

冗余直流电源供电系统还包括控制开关，位于电流表输出端和外部负载输入端之间；

控制开关用于，控制第一电源DC1子系统或者第二电源DC2控制子系统与三相四线制交流电建立电连接。

进一步的，在实际应用过程中，由于各种干扰及误差的存在，DC1、DC2输出电压不可能完全相等，即使选用同一型号规格的产品，也无法做到输出没有差别，所以Vab＝0几乎是不可能的，因此两个电源是无法实现均流供电。当DC1输出电压高于DC2的输出电压时，ab间的电位差Vab＞0时，D2二极管由于反向偏置而关断，这时只有电源DC1在供电，而DC2仅仅在电源DC1失效时才开始供电，相当于热贮备，反之亦然。这就是说，即使两个电源的设定电压一致，而Vab也随机在0上下不断变化，DC1和DC2不断的交替向系统供电，它们的输出电流不断的从0到某一值之间变化。

图2示出了利用软件构建的图1所示的电路的仿真电路图。开关设置定时0.5s闭合。在仿真中根据需要修改可控电源的信号源，也增加一些电流表、电压表和示波器，以便记录更多数据。仿真时选择适当的算法，设置时间3s。图3示出了理想状态中的V_ab和电源输出电流示意图，图4示出了理想状态下，负载上的电压和电流示意图；图5示出了利用仿真，得出的实际状态中的V_ab和电源输出电流示意图；图6示出了利用仿真，得出的实际状态中的负载上的电压和电流示意图。

为避免在使用中两个电源交替跳变，将两个电源的额定电压调整有个差值，即人为设置使得VAB在使用中始终保持VAB＞0或＜0，也即是，第一电源DC1的额定电压与第二电源DC2之间的差值为预设阈值。这个预设阈值可以是正数也可以是负数。正数就代表DC1的额定电压大于DC2的额定电压，负数则相反。这样在使用中就不会频繁随机出现跳变情况，从而系统变成一主一备。

其具体的工作原理为：当第一电源DC1的额定电压大于第二电源DC2的额定电压时，第一二极管D1导通，第二二极管D2反向截止，第一电源DC1供电；

或者，当第一电源DC1的额定电压小于第二电源DC2的额定电压时，第二二极管D2导通，第一二极管D1反向截止，第二电源DC2供电。

又或者，设定第一电源DC1子系统的输出电压大于第二电源DC2子系统输出电压，根据工作情况定期人工调整轮换。

在一个具体的例子中，例如设置DC1额定电压为24.2V，DC2额定电压为23.8V。在进行仿真时，仿真结果表明计时0.5s后加载，负载电压U＝24V，电流I＝4A，而Vab＞0，DC1电源电流为4A，DC2电源电流为0A。

具体参见图7和图8所示，图7中示出了当DC1额定电压为24.2V，DC2额定电压为23.8V时，最终仿真出来的V_ab和电源输出电流示意图；图8则是与图7对应的负载上的电压和电流示意图。由图中也可以看出，已经规避掉了两个电源交替跳变的问题。显然是DC1为主电源，DC2为备用电源。

本发明实施例提供的一种冗余直流电源供电系统，(1)实现了两个或多个电源的解耦并联。避免了两个电源直接并联而造成的相互耦合现象，进而避免元器件损坏等不利影响；(2)采用一主一备形式提高了系统可靠性。正常情况下，电路中只有主电源子系统工作，另一个电源子系统只有在主电源子系统失效时自动接替工作，保证系统供电状态不间断；(3)根据开关状态可以进行多种状态测量。如单个电源子系统的端电压测量、冗余直流电源供电系统电压测量、负载电流测量等；(4)电路结构简单，相较于复杂的电路而言可靠性容易保证。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种冗余直流电源供电系统，其特征在于，所述冗余直流电源供电系统包括：第一电源、第二电源、第一二极管、第二二极管；

所述第一电源输出端正极与第一二极管正极连接，构成第一电源子系统；所述第二电源输出端正极和第二二极管正极连接，构成第二电源子系统；

两个二极管负极连接，作为所述冗余直流电源供电系统的输出端正极；第一电源输出端负极与第二电源输出端负极连接后，作为冗余直流电源供电系统的输出端负极。

2.根据权利要求1所述的冗余直流电源供电系统，其特征在于，所述第一电源的第一交流输入端和所述第二电源的第一交流输入端分别连接三相四线制供电电路中的同一火线上。

3.根据权利要求1所述的冗余直流电源供电系统，其特征在于，所述第一电源的第一交流输入端和所述第二电源的第二交流输入端分别连接三相四线制供电电路中的不同火线上。

4.根据权利要求1所述的冗余直流电源供电系统，其特征在于，所述第一电源的第二交流输入端和所述第二电源的第二交流输入端连接三相四线制供电电路中的零线上。

5.根据权利要求1-4任一项所述的冗余直流电源供电系统，其特征在于，所述冗余直流电源供电系统的输出端正极和负极之间连接外部负载。

6.根据权利要求5所述的冗余直流电源供电系统，其特征在于，所述冗余直流电源供电系统还包括电流表和电压表；

所述电流表连接在所述冗余直流电源供电系统的输出正极与负载之间，用于采集所述第一电源控制系统和所述第二电源控制系统输出的电流总和；

所述电压表连接在所述冗余直流电源供电系统的输出正极与负极之间，用于测量所述第一电源子系统的输出端电压、所述第二电源子系统输出端电压、冗余直流电源供电系统的输出端电压或者负载电压。

7.根据权利要求1-4或6任一项所述的冗余直流电源供电系统，其特征在于，所述冗余直流电源供电系统还包括控制开关以及第二控制开关；

所述控制开关用于，控制所述第一电源子系统与三相四线制交流电建立电连接；

所述第二控制开关，用于控制所述第二电源子系统与三相四线制交流电建立电连接。

8.根据权利要求1-4或6任一项所述的冗余直流电源供电系统，其特征在于，所述第一电源子系统与所述第二电源子系统之间的设定输出电压差值为预设值。

9.根据权利要求8所述的冗余直流电源供电系统，其特征在于，当所述第一电源子系统的输出电压大于所述第二电源子系统的输出电压时，所述第一二极管导通，所述第二二极管反向截止，所述第一电源子系统供电；

或者，当所述第一电源子系统因故无输出或输出电压小于所述第二电源的设定电压时，所述第二二极管导通，所述第一二极管反向截止，所述第二电源子系统供电。