CN111585439A - 一种分布式电源系统并联均流电路 - Google Patents

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CN111585439A CN202010611126.8A CN202010611126A CN111585439A CN 111585439 A CN111585439 A CN 111585439A CN 202010611126 A CN202010611126 A CN 202010611126A CN 111585439 A CN111585439 A CN 111585439A
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Abstract

本发明公开了分布式电源系统并联领域的一种分布式电源系统并联均流电路，包括与并联的N个模块电源一对一连接的N个自动均流电路，自动均流电路包括用于检测与模块电源输出电流成比例的信号，并将其转化为与输出电流成比例的电压信号的检测单元；用于比较自身检测单元检测的电压信号与主模块的电压信号的比较单元；用于接收比较单元的输出结果并根据输出结果调整自身模块电源输出电压的调整单元。本发明能够校正并均衡分布式电源系统中每个并联使用的电源模块的负载电流，负载动态响应小，均流精度小，可控制在1％以内，整个负载范围内电流分配误差小，可实现冗余，防止并联系统中的电源故障时大电流反灌给电源，起到保护电源系统的作用。

Description

一种分布式电源系统并联均流电路
技术领域
本发明涉及分布式电源系统并联领域，具体是一种分布式电源系统并联均流电路。
背景技术
在广泛应用开关电源的航天、航空、船舶、兵器、通信等领域，将多个中小功率电源模块并联共同承担大功率的输出、组成分布式电源系统是行之有效的途径。与传统的集中式电源系统相比，它可以通过改变并联模块的数量来满足负载的大功率要求，而无须重新设计电源系统。电源并联运行是电源产品模块化、大功率化的一个有效方法。要达到输出电压、输出电流、输出功率扩展的目的和效果，电源模块并联后的均流的问题必须解决，解决方法的不同，对整个电源扩展系统的稳定性、可靠性都有很大的影响。由于各并联单元的模块输出电压不完全相同，输出阻抗也不一致，若直接并联，会使其承受不均衡负载，导致某些电源模块因输出电流偏大而缩短寿命，甚至因过流发生故障，因此必须采取均流措施来均衡各个并联的电源模块的输出电流。
完善的分布式电源系统并联均流电路应具备以下三个条件：当输入电压或负载变化时，并联的每台电源的输出电压保持稳定，并具有良好的负载瞬态响应特性；使并联的每台电源承受的输出电流均摊；使均流与冗余技术结合。
目前，电源模块并联常用的均流方法有：输出阻抗法、指定主从法、平均电流自动均流法、热应力自动均流法、自动主从法等。
输出阻抗法对于额定功率不同的并联模块，难以实现均流。
指定主从法存在的最大问题是主模块的不可替代性，若其出现故障，整个系统将完全瘫痪，不适用于冗余并联系统，同时，任何非负载电流引起的误差电压的变化都会引起各并联电源模块电流再次分配，从而降低均流精度，并且易受外界噪声干扰。
平均电流自动均流发法可以精确地实现均流，缺点之一是当均流母线发生短路或当接在母线上的任一个模块不能工作时，母线电压下降，促使各模块电压下调，甚至下调至其下限值，造成电源系统故障。
热应力自动均流法的问题是，由于电源系统中各模块位置不同，对流情况和散热等外界条件各不相同，温度存在差异，各模块因温度变化和电流之间的关系不能精确对应，故应用较少。
民主均流法，是在n个并联的电源模块中，输出电流最大的电源模块被自动确定为主模块，其余的电源模块则为从模块，因相对于指定主从法较为民主得名。其均流精度一般在5％以内，满足国标要求，负载动态响应好，可实现冗余等技术特点，受到广泛应用，但一般的情况下工作在较轻负载时电流分配误差大。本发明属于一种民主均流电路，旨在对上述技术问题作出改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分布式电源系统并联均流电路，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种分布式电源系统并联均流电路，包括与并联的N个模块电源一对一连接的N个自动均流电路，所述自动均流电路包括
用于检测与模块电源输出电流成比例的信号，并将其转化为与输出电流成比例的电压信号的检测单元，其中N个模块电源中的电压信号最大的模块电源为主模块，其余为从模块，所述主模块、从模块之间通过均流母线连接，且各模块电源的检测单元与均流母线之间均连接有二极管V3，所述二极管V3的阴极连接均流母线，而阳极连接检测单元；
用于比较自身检测单元检测的电压信号与主模块的电压信号的比较单元；
用于接收比较单元的输出结果并根据输出结果调整自身模块电源输出电压的调整单元。
作为本发明的改进方案，所述自动均流电路与模块电源的输出负载端LOAD(+)之间连接有冗余保护电路，所述冗余保护电路包括场效应管，以及用于对场效应管内部的导通电阻采样，对比采样信号与基准信号并产生逻辑电平，并通过逻辑电平驱动场效应管通断的驱动控制单元。
作为本发明的改进方案，所述冗余保护电路中，驱动控制单元N1分别连接电阻RUV、ROV、RRSET、RVDD以及电容CA、CBYP、CFLTR、CVDD的一端，电阻RUV、ROV、RRSET的另一端同时与地相连，电阻RVDD的另一端与第二供电电路相连，电容CBYP、CFLTR的另一端与场效应管V4的源极相连，场效应管V4的源极与自动均流电路连接，电容CA、CVDD的另一端与地相连，场效应管V4的栅极、漏极均与驱动控制单元N1相连，场效应管V4的漏极与模块电源的输出负载端LOAD(+)相连。
作为本发明的改进方案，所述检测单元包括电阻R0、放大器A1、A2、A6及二极管V3，所述电阻R0串联在模块电源的主功率输出电压端+OUT，所述放大器A1的两个输入端分别通过电阻R11、R12与电阻R0并联，所述放大器A1的输出端一路通过相并联的电容C2、电阻R13接地，另一路连接放大器A2的同相输入端；所述放大器A2的反相输入端与输出端连接，输出端通过电阻R1一路连接放大器A6的同相输入端，另一路连接电阻R2后接地；所述放大器A6的反相输入端一路通过电阻R8连接均流母线SHARE端，另一路通过电阻R7接地；所述R7还与相并联的欠压保护电压、偏置电路的一端连接，欠压保护电路、偏置电路的另一端一路通过电阻R10连接第一供电电路，另一路连接稳压二极管V1的阴极，稳压二极管V1的阳极接地，且稳压二极管V1的两端并联有电容C1；所述放大器A6的输出端连接二极管V3的阳极，二极管V3的阴极连接均流母线SHARE端。
作为本发明的改进方案，所述比较单元包括放大器A3、A4，所述放大器A3的同相输入端一路通过电阻R4连接均流母线SHARE端，另一路通过电阻R3接地；放大器A3的反相输入端一路通过电阻R5接地，另一路通过电阻R6连接自身的输出端以及放大器A4的同相输入端；所述放大器A4的反相输入端连接放大器A2的反相输入端，其输出端分三路，第一路连接所述调整单元，第二路连接稳压二极管V2的阴极，稳压二极管V2的阳极接地，第三路依次串联电容C5与电阻R14后接地。
作为本发明的改进方案，所述调整单元包括放大器A5、三极管V4以及电阻R9，所述放大器A5的同相输入端连接放大器A4的输出端，反相输入端一路通过电阻R9后接地，另一路连接三极管V4的发射极，三极管V4的基极连接放大器A5的输出端，集电极一路与模块电源的输出正感应端+OUT_SENSE连接，另一路通过电阻R15连接模块电源的输出负载端LOAD(+)。
有益效果：本发明电路结构简单、体积小、集成度高，能够在整个负载范围内都能校正并均衡分布式电源系统中每个并联使用的电源模块的负载电流，同时防止并联系统中的电源故障时大电流反灌给电源，起到保护电源系统的作用，本发明在大功率电源系统的实现和提升可靠性方面有着重要的使用价值。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明图1中冗余保护电流的电路图；
图3为本发明图1中自动均流电路的电路图。
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。
实施例1，参见图1，一种分布式电源系统并联均流电路，包括与并联的N个模块电源一对一连接的N个自动均流电路，自动均流电路与模块电源的主功率输出电压端+OUT、输出正感应端+OUT_SENSE以及输出负载端LOAD(+)分别连接，还连接有第一供电电路与输出地，第一供电电路为自动均流电路提供工作电压。
自动均流电路包括
用于检测与模块电源输出电流成比例的信号，并将其转化为与输出电流成比例的电压信号的检测单元，其中N个模块电源中的电压信号最大的模块电源为主模块，其余为从模块，主模块、从模块之间通过均流母线连接，且各模块电源的检测单元与均流母线之间均连接有二极管V3，二极管V3的阴极连接均流母线，而阳极连接检测单元；
用于比较自身检测单元检测的电压信号与主模块的电压信号的比较单元；
用于接收比较单元的输出结果并根据输出结果调整自身模块电源输出电压的调整单元。
本实施例的具体实施步骤包括：
S1：检测单元检测与模块电源的输出电流成比例的信号，并转化为与输出电流成比例的电压信号，N个模块电源中电压信号最大也即输出电流最大的模块电源确定为主模块，其余模块电源确定为从模块；
S2：主模块的电压信号决定与其输出电流成比例的均流母线电压，从模块以均流母线电压为基准并通过比较单元读取均流母线电压，并与自身模块电源的电压信号比较，输出误差信号；
S3：从模块的调整单元接收误差信号，根据误差信号调整自身模块电源的输出电压，实现主模块与从模块之间的均流，达到每个模块负载均衡的目的。
本实施例中，从模块作为电流控制的电流源工作。
本实施例中，主模块、从模块的确定以及从模块的输出电压的调整均不受到负载的影响，也即当空载、轻载或重载时均采用上述步骤实现模块电源之间的均流分配，由于每个模块电源均能以实际获取的均流母线电压为基准对自身进行调整，因此电流分配精细合理，均流精度可控制在1％以内，可使整个负载范围内(包括轻负载)的电流分配误差达到较小的水平。
实施例2，自动均流电路与模块电源的输出负载端LOAD(+)之间连接有冗余保护电路，冗余保护电路分别连接第二供电电路与输出地，并通过第二供电电路提供工作电压，冗余保护电路包括场效应管，以及用于对场效应管内部的导通电阻采样，对比采样信号与基准信号并产生逻辑电平，并通过逻辑电平驱动场效应管通断的驱动控制单元。
冗余保护电路的作用在于，当分布式电源系统中有模块电源出现故障时，该模块电源连接的冗余保护电路中的驱动控制单元通过对场效应管的导通电阻的采样结果，控制场效应管关断，防止将电流反灌给无障碍的电源，起到保护作用，避免因某一个模块电源的故障而影响到整个电源系统的运行。
进一步地，参见图2，冗余保护电路的一种实施方式为，驱动控制单元N1分别连接电阻RUV、ROV、RRSET、RVDD以及电容CA、CBYP、CFLTR、CVDD的一端，电阻RUV、ROV、RRSET的另一端同时与地相连，电阻RVDD的另一端与第二供电电路相连，电容CBYP、CFLTR的另一端与场效应管V4的源极相连，场效应管V4的源极与自动均流电路连接，电容CA、CVDD的另一端与地相连，场效应管V4的栅极、漏极均与驱动控制单元N1相连，场效应管V4的漏极与模块电源的输出负载端LOAD(+)相连。
驱动控制单元N1主要包括场效应管驱动器，电阻RUV为欠压保护点电压设置电阻，电阻ROV为过压保护点电压设置电阻，电阻RRSET为复位电阻，电阻RVDD为驱动控制单元N1的供电电压的上拉电阻，电容CA、CBYP、CFLTR、CVDD均为滤波电容。
驱动控制单元N1内部的电流检测单元对场效应管V4自身的导通电阻进行采样放大，驱动控制单元N1内部的比较器将采样信号与基准电压进行比较处理，产生具有相应逻辑关系的驱动电平给场效应管V4的栅极，控制场效应管V4导通或关断，在系统中的某个电源出现短路等故障时关断场效应管V4，防止电流反灌给无故障电源，起到保护电源系统的作用。
实施例3，参见图3，自动均流电路的一种实施方式为，检测单元包括电阻R0、放大器A1、A2、A6及二极管V3，电阻R0串联在模块电源的主功率输出电压端+OUT，放大器A1的两个输入端分别通过电阻R11、R12与电阻R0并联，放大器A1的输出端一路通过相并联的电容C2、电阻R13接地，另一路连接放大器A2的同相输入端。
放大器A2的反相输入端与输出端连接，输出端通过电阻R1一路连接放大器A6的同相输入端，另一路连接电阻R2后接地。
放大器A6的反相输入端一路通过电阻R8连接均流母线SHARE端，另一路通过电阻R7接地；R7还与相并联的欠压保护电压、偏置电路的一端连接，欠压保护电路、偏置电路的另一端一路通过电阻R10连接第一供电电路，另一路连接稳压二极管V1的阴极，稳压二极管V1的阳极接地，且稳压二极管V1的两端并联有电容C1；放大器A6的输出端连接二极管V3的阳极，二极管V3的阴极连接均流母线SHARE端。
电阻R0在模块电源的输出端+OUT检测到一个与模块电源输出电流成比例的信号，送入放大器A1，放大器A1的输出与模块电源的输出电流成正比例，放大器A2作为跟随器，主要作用是隔离信号，其输出跟随电流检测放大器A1的输出，且作为输入信号供给放大器A6的同相输入端。放大器A6的增益为1，因此放大器A6与放大器A1的输出电压相等。当该输出电压相对于所有模块电源的电位为最高时，则该电源模块称为主模块，主模块的放大器A6的输出决定了均流母线电压，其他模块电源成为从模块，由于串联在放大器A6输出端的二极管V3的作用，从模块的放大器A6的输出不与均流母线相通。
稳压管V1稳定自动均流电路1的工作电压，电阻R1、R2、R7、R8、R11、R12均为限流电阻，电阻R10为连接第一供电电路的上拉电阻，电阻R13的作用是调节放大器A1的增益。电容C3、C4分别连接在放大器A1的两个输入端，且电容C3、C4的另一端接地。电容C1、C2、C3、C4是滤波电容，均用于去除信号噪声。
比较单元包括放大器A3、A4，放大器A3的同相输入端一路通过电阻R4连接均流母线SHARE端，另一路通过电阻R3接地；放大器A3的反相输入端一路通过电阻R5接地，另一路通过电阻R6连接自身的输出端以及放大器A4的同相输入端。
放大器A4的反相输入端连接放大器A2的反相输入端，其输出端分三路，第一路连接调整单元，第二路连接稳压二极管V2的阴极，稳压二极管V2的阳极接地，第三路依次串联电容C5与电阻R14后接地。
调整单元包括放大器A5、三极管V4以及电阻R9，放大器A5的同相输入端连接放大器A4的输出端，反相输入端一路通过电阻R9后接地，另一路连接三极管V4的发射极，三极管V4的基极连接放大器A5的输出端，集电极一路与模块电源的输出正感应端+OUT_SENSE连接，另一路通过电阻R15连接模块电源的输出负载端LOAD(+)。
放大器A3读取均流母线电压，将均流母线电压的信号传输到放大器A4的同相输入端，并与放大器A1的输出端电压进行比较,放大器A4输出的误差电压输出到放大器A5，用于调整模块电源的输出电压，以平衡所有并联模块电源的负载电流。
具体地，放大器A4稳定状态的输出电压是放大器A1的输出与放大器A3输出电压差的函数，当工作在主模块状态时电压差为零。为确保放大器A4正确的输出状态，在A4的反相输入端串联设有几十毫伏的偏置电压，以增加主从模块电源之间的转换裕度。同时将确保工作在主模块状态的放大器A4输出为零，但所有的从模块均产生非零的误差电压，该误差电压与各模块电源的放大器A1的输出和母线电压之差成比例。误差电压用来调整模块电源的输出电压，以平衡所有并联的模块电源的负载电流，主要通过放大器A5和三极管V4实现。放大器A5根据误差信号驱动三极管V4的通断，通过误差信号改变电阻R9上的电压来调节模块电源的输出电压，从而实现模块电源间的均流。
稳压管V2用于稳定放大器A4的输出电压，电阻R3、R4、R5、R6均为限流电阻，电阻R14与电容C5组成补偿网络，连接在放大器A4与地线之间，用于增加负载均流回路的相位裕度，电阻R15是模块电源正感应端+OUT_SENSE和输出正负载端LOAD(+)的感应电阻。
本发明采用一种简单的电路结构实现电源系统中并联使用的各个DC/DC模块电源负载均衡的目的，均流精度高，各个功能单元的设计考虑周全，为提高电源系统的稳定性、安全性和可靠性提供了保障。
虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
在本发明的描述中，需要说明的是，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在本发明的描述中，还需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种分布式电源系统并联均流电路，其特征在于，包括与并联的N个模块电源一对一连接的N个自动均流电路，所述自动均流电路包括
用于检测与模块电源输出电流成比例的信号，并将其转化为与输出电流成比例的电压信号的检测单元，其中N个模块电源中的电压信号最大的模块电源为主模块，其余为从模块，所述主模块、从模块之间通过均流母线连接，且各模块电源的检测单元与均流母线之间均连接有二极管V3，所述二极管V3的阴极连接均流母线，而阳极连接检测单元；
用于比较自身检测单元检测的电压信号与主模块的电压信号的比较单元；
用于接收比较单元的输出结果并根据输出结果调整自身模块电源输出电压的调整单元。
2.根据权利要求1所述的一种分布式电源系统并联均流电路，其特征在于，所述自动均流电路与模块电源的输出负载端LOAD(+)之间连接有冗余保护电路，所述冗余保护电路包括场效应管，以及用于对场效应管内部的导通电阻采样，对比采样信号与基准信号并产生逻辑电平，并通过逻辑电平驱动场效应管通断的驱动控制单元。
3.根据权利要求2所述的一种分布式电源系统并联均流电路，其特征在于，所述冗余保护电路中，驱动控制单元N1分别连接电阻RUV、ROV、RRSET、RVDD以及电容CA、CBYP、CFLTR、CVDD的一端，电阻RUV、ROV、RRSET的另一端同时与地相连，电阻RVDD的另一端与第二供电电路相连，电容CBYP、CFLTR的另一端与场效应管V4的源极相连，场效应管V4的源极与自动均流电路连接，电容CA、CVDD的另一端与地相连，场效应管V4的栅极、漏极均与驱动控制单元N1相连，场效应管V4的漏极与模块电源的输出负载端LOAD(+)相连。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种分布式电源系统并联均流电路，其特征在于，所述检测单元包括电阻R0、放大器A1、A2、A6及二极管V3，所述电阻R0串联在模块电源的主功率输出电压端+OUT，所述放大器A1的两个输入端分别通过电阻R11、R12与电阻R0并联，所述放大器A1的输出端一路通过相并联的电容C2、电阻R13接地，另一路连接放大器A2的同相输入端；
所述放大器A2的反相输入端与输出端连接，输出端通过电阻R1一路连接放大器A6的同相输入端，另一路连接电阻R2后接地；
所述放大器A6的反相输入端一路通过电阻R8连接均流母线SHARE端，另一路通过电阻R7接地；所述R7还与相并联的欠压保护电压、偏置电路的一端连接，欠压保护电路、偏置电路的另一端一路通过电阻R10连接第一供电电路，另一路连接稳压二极管V1的阴极，稳压二极管V1的阳极接地，且稳压二极管V1的两端并联有电容C1；所述放大器A6的输出端连接二极管V3的阳极，二极管V3的阴极连接均流母线SHARE端。
5.根据权利要求4所述的一种分布式电源系统并联均流电路，其特征在于，所述比较单元包括放大器A3、A4，所述放大器A3的同相输入端一路通过电阻R4连接均流母线SHARE端，另一路通过电阻R3接地；放大器A3的反相输入端一路通过电阻R5接地，另一路通过电阻R6连接自身的输出端以及放大器A4的同相输入端；
所述放大器A4的反相输入端连接放大器A2的反相输入端，其输出端分三路，第一路连接所述调整单元，第二路连接稳压二极管V2的阴极，稳压二极管V2的阳极接地，第三路依次串联电容C5与电阻R14后接地。
6.根据权利要求5所述的一种分布式电源系统并联均流电路，其特征在于，所述调整单元包括放大器A5、三极管V4以及电阻R9，所述放大器A5的同相输入端连接放大器A4的输出端，反相输入端一路通过电阻R9后接地，另一路连接三极管V4的发射极，三极管V4的基极连接放大器A5的输出端，集电极一路与模块电源的输出正感应端+OUT_SENSE连接，另一路通过电阻R15连接模块电源的输出负载端LOAD(+)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113219275A (zh) * 2021-04-13 2021-08-06 西安子国微科技有限公司 一种刹车余压检测系统

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