CN111342444B - 一种dc电源系统的开关纹波环流抑制装置与方法 - Google Patents

一种dc电源系统的开关纹波环流抑制装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种DC电源系统的开关纹波环流抑制装置与方法，DC电源系统包括至少两个并联的DC电源，该装置包括：纹波采集单元用于采集除基准电源之外的其他DC电源的输出电流，从输出电流中提取出高次纹波分量，其中，基准电源为DC电源系统中的任意一个DC电源；相位比较单元用于将当前DC电源的高次纹波分量的电流相位与当前DC电源的开关相位进行比较，根据比较结果判断当前DC电源的开关相位超前基准电源还是滞后基准电源；相位调整单元用于调整当前DC电源的开关相位，使得当前DC电源的开关相位与基准电源保持同步。应用本发明能够自适应调整并联DC电源的开关相位，实现多个DC电源的开关相位保持同步。

Description

一种DC电源系统的开关纹波环流抑制装置与方法
技术领域
本发明涉及电源控制技术领域，特别是涉及一种DC电源系统的开关纹波环流抑制装置与方法。
背景技术
随着电源行业的发展，出现了很多对安全、可靠、大容量的DC电源的需求，而单电源设计很难满足需求，而广泛采用多DC电源模块并联方式的DC电源系统具有大容量、高效率等优点，可以满足需求。然而，并联DC电源模块之间由于输出电容并联，在开关不同步时在输出电容之间会产生高频环流，产生严重的损耗和发热问题。
目前常见的开关同步方案需要依赖外部同步信号线或者通讯线来传递同步信号，以使并联DC电源模块的开关同步，但这样需要额外增加硬件，导致成本升高，并且，如果外部同步信号线或者通讯线故障，则会导致系统可靠性降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种DC电源系统的开关纹波环流抑制装置与方法，能够自适应调整并联DC电源的开关相位，实现多个DC电源的开关相位保持同步。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种DC电源系统的开关纹波环流抑制装置，所述DC电源系统包括至少两个并联的DC电源，所述开关纹波环流抑制装置包括纹波采集单元、相位比较单元和相位调整单元；所述纹波采集单元用于采集除基准电源之外的其他DC电源的输出电流，从输出电流中提取出高次纹波分量，其中，所述基准电源为DC电源系统中的任意一个DC电源；所述相位比较单元用于分析所述其他DC电源中当前DC电源的高次纹波分量的电流相位，将电流相位与当前DC电源的开关相位进行比较，根据比较结果判断当前DC电源的开关相位超前基准电源还是滞后基准电源；所述相位调整单元用于在当前DC电源的开关相位超前基准电源时，调整当前DC电源的开关相位，使开关相位减小超前，或者在当前DC电源的开关相位滞后基准电源时，调整当前DC电源的开关相位，使开关相位减小滞后，使得当前DC电源的开关相位与基准电源保持同步。
优选的，所述纹波采集单元的采样频率高于DC电源的开关频率。
优选的，所述纹波采集单元为电流采样传感器，所述纹波采集单元用于通过带通滤波器或高通滤波器提取出高次纹波分量。
优选的，所述相位比较单元具体用于计算当前DC电源的高次纹波分量在预设时间区间内的积分，根据积分的正负判断当前DC电源的开关相位超前基准电源还是滞后基准电源。
优选的，所述纹波采集单元位于DC电源输出电容的后端正极，所述相位比较单元用于在积分为负值时，判定当前DC电源的开关相位滞后基准电源，在积分为正值时，判定当前DC电源的开关相位超前基准电源。
优选的，所述纹波采集单元位于DC电源输出电容的后端负极，所述相位比较单元用于在积分为负值时，判定当前DC电源的开关相位超前基准电源，在积分为正值时，判定当前DC电源的开关相位滞后基准电源。
优选的，所述预设时间区间的起始时间为当前DC电源最近一个开关周期的关断时间的中点时间，结束时间为当前DC电源最近一个开关周期的开通时间的中点时间。
优选的，所述开关纹波环流抑制装置还包括阈值比较单元，所述阈值比较单元用于分析所述其他DC电源中当前DC电源的高次纹波分量的电流幅值，并将电流幅值与预设阈值进行比较；所述相位比较单元用于仅在电流幅值大于预设阈值时，分析所述其他DC电源中当前DC电源的高次纹波分量的电流相位，将电流相位与当前DC电源的开关相位进行比较，根据比较结果判定当前DC电源的开关相位超前基准电源还是滞后基准电源。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种基于前述任一种所述的DC电源系统的开关纹波环流抑制装置的开关纹波环流抑制方法，所述开关纹波环流抑制方法包括以下步骤：S1：采集除基准电源之外的其他DC电源的输出电流，从输出电流中提取出高次纹波分量，其中，所述基准电源为DC电源系统中的任意一个DC电源；S2：分析所述其他DC电源中当前DC电源的高次纹波分量的电流幅值，并将电流幅值与预设阈值进行比较；S3：仅在电流幅值大于预设阈值时，分析所述其他DC电源中当前DC电源的高次纹波分量的电流相位，将电流相位与当前DC电源的开关相位进行比较，根据比较结果判定当前DC电源的开关相位超前基准电源还是滞后基准电源；S4：在当前DC电源的开关相位超前基准电源时，调整当前DC电源的开关相位，使开关相位减小超前，或者在当前DC电源的开关相位滞后基准电源时，调整当前DC电源的开关相位，使开关相位减小滞后，使得当前DC电源的开关相位与基准电源保持同步。
区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：
1.不依赖外部同步信号线或者通讯线，不存在外部同步信号线或者通讯线故障造成的系统可靠性下降问题，具有成本低、可靠性高的优点；
2.基于DC电源原有硬件完成相位调整，不增加硬件成本；
3.自适应调整，方便实现。
附图说明
图1是一种DC电源系统的电路结构图；
图2是本发明实施例提供的DC电源系统的开关纹波环流抑制装置的原理示意图；
图3是DC电源的开关相位滞后基准电源的波形示意图；
图4是DC电源的开关相位超前基准电源的波形示意图；
图5是本发明实施例提供的DC电源系统的开关纹波环流抑制方法的流程示意图。
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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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。
参阅图2，本发明实施例的开关纹波环流抑制装置所应用的DC电源系统包括至少两个并联的DC电源，例如图1是一种DC电源系统的电路结构图，该DC电源系统包括两个DC电源，它们分别是DC电源S1和DC电源S2，DC电源S1和DC电源S2的输出并联，为负载RL供电。
开关纹波环流抑制装置包括纹波采集单元10、相位比较单元20和相位调整单元30。
纹波采集单元10用于采集除基准电源之外的其他DC电源的输出电流，从输出电流中提取出高次纹波分量，其中，基准电源为DC电源系统中的任意一个DC电源。纹波采集单元10在采样时，采样频率高于DC电源的开关频率。在本实施例中，纹波采集单元10可以为电流采样传感器，并通过带通滤波器或高通滤波器提取出高次纹波分量，电流采样传感器可以对DC电源S1和DC电源S2的输出电流进行高频采样。基准电源可以是任一个DC电源，例如在图1中，基准电源为DC电源S1。
相位比较单元20用于分析其他DC电源中当前DC电源的高次纹波分量的电流相位，将电流相位与当前DC电源的开关相位进行比较，根据比较结果判断当前DC电源的开关相位超前基准电源还是滞后基准电源。如图3所示，是DC电源的开关相位滞后基准电源的波形示意图，如图4所示，是DC电源的开关相位超前基准电源的波形示意图，图中，BX1表示DC电源S1的开关波形，BX1表示DC电源S2的开关波形，BX3表示DC电源S2的高次纹波分量的波形。其中，由于DC电源S1和DC电源S2的输出并联，DC电源S2的高次纹波分量的电流相位与DC电源S1的开关波形的电流相位有直接关联，通过DC电源S2的高次纹波分量的电流相位与DC电源S2的开关相位进行比较，可以判断DC电源S2的开关相位是超前DC电源S1还是滞后DC电源S1。
相位调整单元30用于在当前DC电源的开关相位超前基准电源时，调整当前DC电源的开关相位，使开关相位减小超前，或者在当前DC电源的开关相位滞后基准电源时，调整当前DC电源的开关相位，使开关相位减小滞后，使得当前DC电源的开关相位与基准电源保持同步。其中，当前DC电源的开关相位调整后，理论上可以与基准电源的开关相位同步，高频环流会消失，从而能够自适应调整并联DC电源的开关相位，实现多个DC电源的开关相位保持同步。
在本实施例中，相位比较单元20具体用于计算当前DC电源的高次纹波分量在预设时间区间内的积分，根据积分的正负判断当前DC电源的开关相位超前基准电源还是滞后基准电源。由于DC电源的输出存在正负极，纹波采集单元10可以采集于DC电源输出电容的后端正极的输出电流，也可以采集DC电源输出电容的后端负极的输出电流。预设时间区间可以根据实际需要设定，在本实施例中，预设时间区间的起始时间为当前DC电源最近一个开关周期的关断时间的中点时间，即图3、4中的T1，结束时间为当前DC电源最近一个开关周期的开通时间的中点时间，即图3、4中的T2。
具体而言，当纹波采集单元10位于DC电源输出电容的后端正极时，相位比较单元20用于在积分为负值时，判定当前DC电源的开关相位滞后基准电源，在积分为正值时，判定当前DC电源的开关相位超前基准电源。如图3所示，BX3的波谷为理论负值，BX3的波峰为理论正值，其他波段为理论零值，那么经过积分计算后，当前DC电源的高次纹波分量在预设时间区间内的积分总体为负值，从而判定当前DC电源的开关相位滞后基准电源，即DC电源S2的开关相位滞后DC电源S1。又如图4所示，BX3在预设时间区间内，积分总体为正值，从而判定当前DC电源的开关相位超前基准电源，即DC电源S2的开关相位超前DC电源S1。
当纹波采集单元10位于DC电源输出电容的后端负极，相位比较单元20用于在积分为负值时，判定当前DC电源的开关相位超前基准电源，在积分为正值时，判定当前DC电源的开关相位滞后基准电源。
由于并联的DC电源的开关相位之间的完全同步只存在理论上的可能，在实际应用中，DC电源的输出电流的高次纹波分量始终存在，但是只要高次纹波分量的电流幅值低于一定值，就可以认为高频环流消失。因此，在本实施例中，开关纹波环流抑制装置还包括阈值比较单元40，阈值比较单元40用于分析其他DC电源中当前DC电源的高次纹波分量的电流幅值，并将电流幅值与预设阈值进行比较；相位比较单元20用于仅在电流幅值大于预设阈值时，分析其他DC电源中当前DC电源的高次纹波分量的电流相位，将电流相位与当前DC电源的开关相位进行比较，根据比较结果判定当前DC电源的开关相位超前基准电源还是滞后基准电源。
通过上述方式，本发明的DC电源系统的开关纹波环流抑制装置可实现并联的DC电源自适应调整以达到开关同步，且不依赖外部同步信号线或者通讯线，具有实现成本低，且系统可靠性高的优点。
如图5所示，本发明还提供一种基于前述实施例的DC电源系统的开关纹波环流抑制装置的开关纹波环流抑制方法，开关纹波环流抑制方法包括以下步骤：
S1：采集除基准电源之外的其他DC电源的输出电流，从输出电流中提取出高次纹波分量，其中，基准电源为DC电源系统中的任意一个DC电源；
S2：分析其他DC电源中当前DC电源的高次纹波分量的电流幅值，并将电流幅值与预设阈值进行比较；
S3：仅在电流幅值大于预设阈值时，分析其他DC电源中当前DC电源的高次纹波分量的电流相位，将电流相位与当前DC电源的开关相位进行比较，根据比较结果判定当前DC电源的开关相位超前基准电源还是滞后基准电源；
S4：在当前DC电源的开关相位超前基准电源时，调整当前DC电源的开关相位，使开关相位减小超前，或者在当前DC电源的开关相位滞后基准电源时，调整当前DC电源的开关相位，使开关相位减小滞后，使得当前DC电源的开关相位与基准电源保持同步。
由于开关纹波环流抑制是一个持续的过程，因此，在步骤S4进行当前DC电源的开关相位调整之后，又再次进行步骤S1。如果开关相位调整后，高次纹波分量的电流阈值小于预设阈值，可以锁定当前DC电源的开关相位。
当除基准电源之外的其他DC电源为多个时，可根据默认顺序或指定顺序，分别进行每一个DC电源的开关相位调整，各自调整至高次纹波分量的电流阈值小于预设阈值后，锁定各DC电源的开关相位，后续DC电源系统运行时各DC电源按照各自锁定的开关相位进行开关动作。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种DC电源系统的开关纹波环流抑制装置，所述DC电源系统包括至少两个并联的DC电源，其特征在于，所述开关纹波环流抑制装置包括纹波采集单元、相位比较单元和相位调整单元；所述纹波采集单元用于采集除基准电源之外的其他DC电源的输出电流，从输出电流中提取出高次纹波分量，其中，所述基准电源为DC电源系统中的任意一个DC电源；所述相位比较单元用于计算所述其他DC电源中当前DC电源的高次纹波分量在预设时间区间内的积分，根据积分的正负判断当前DC电源的开关相位超前基准电源还是滞后基准电源；所述相位调整单元用于在当前DC电源的开关相位超前基准电源时，调整当前DC电源的开关相位，使开关相位减小超前，或者在当前DC电源的开关相位滞后基准电源时，调整当前DC电源的开关相位，使开关相位减小滞后，使得当前DC电源的开关相位与基准电源保持同步，其中，
所述纹波采集单元位于DC电源输出电容的后端正极，所述相位比较单元用于在积分为负值时，判定当前DC电源的开关相位滞后基准电源，在积分为正值时，判定当前DC电源的开关相位超前基准电源，或者，所述纹波采集单元位于DC电源输出电容的后端负极，所述相位比较单元用于在积分为负值时，判定当前DC电源的开关相位超前基准电源，在积分为正值时，判定当前DC电源的开关相位滞后基准电源。
2.根据权利要求1所述的开关纹波环流抑制装置，其特征在于，所述纹波采集单元的采样频率高于DC电源的开关频率。
3.根据权利要求2所述的开关纹波环流抑制装置法，其特征在于，所述纹波采集单元为电流采样传感器，所述纹波采集单元用于通过带通滤波器或高通滤波器提取出高次纹波分量。
4.根据权利要求1所述的开关纹波环流抑制装置，其特征在于，所述预设时间区间的起始时间为当前DC电源最近一个开关周期的关断时间的中点时间，结束时间为当前DC电源最近一个开关周期的开通时间的中点时间。
5.根据权利要求1所述的开关纹波环流抑制装置，其特征在于，所述开关纹波环流抑制装置还包括阈值比较单元，所述阈值比较单元用于分析所述其他DC电源中当前DC电源的高次纹波分量的电流幅值，并将电流幅值与预设阈值进行比较；所述相位比较单元用于仅在电流幅值大于预设阈值时，分析所述其他DC电源中当前DC电源的高次纹波分量的电流相位，将电流相位与当前DC电源的开关相位进行比较，根据比较结果判定当前DC电源的开关相位超前基准电源还是滞后基准电源。
6.根据权利要求1所述的开关纹波环流抑制装置，其特征在于，所述相位调整单元还用于在调整当前DC电源的开关相位后，锁定当前DC电源的开关相位。
7.一种基于权利要求1至6任一项所述的DC电源系统的开关纹波环流抑制装置的开关纹波环流抑制方法，其特征在于，所述开关纹波环流抑制方法包括以下步骤：S1：采集除基准电源之外的其他DC电源的输出电流，从输出电流中提取出高次纹波分量，其中，所述基准电源为DC电源系统中的任意一个DC电源；S2：分析所述其他DC电源中当前DC电源的高次纹波分量的电流幅值，并将电流幅值与预设阈值进行比较；S3：仅在电流幅值大于预设阈值时，分析所述其他DC电源中当前DC电源的高次纹波分量的电流相位，将电流相位与当前DC电源的开关相位进行比较，根据比较结果判定当前DC电源的开关相位超前基准电源还是滞后基准电源；S4：在当前DC电源的开关相位超前基准电源时，调整当前DC电源的开关相位，使开关相位减小超前，或者在当前DC电源的开关相位滞后基准电源时，调整当前DC电源的开关相位，使开关相位减小滞后，使得当前DC电源的开关相位与基准电源保持同步。
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