CN112769329A - 一种大功率高压恒流输入转恒压输出的电源及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大功率高压恒流输入转恒压输出的电源及其控制方法，该电源包括：输入保护单元、主转换单元、输出储能单元、辅助电源单元、控制单元、采样单元和隔离通信单元；输入保护单元的输入端连接高压恒流电，输入保护单元的输出端与主转换单元的输入端连接，主转换单元的输出端与输出储能单元连接，输出储能单元设有储能电容；辅助电源单元的输入端连接高压恒流电母线及输出储能单元；辅助电源单元的输出端连接控制单元；采样单元分别连接高压恒流电、主转换单元和输出储能单元；隔离通信单元设有隔离的通信电路，进行隔离通信传输。本发明提升了单模块的输出功率，解决了传统方案的输出功率做不大的问题，应用场合广。
Description
技术领域
本发明涉及电源技术领域，具体涉及一种大功率高压恒流输入转恒压输出的电源及其控制方法。
背景技术
在当前高压输配电领域，有成熟的高压交流输配电技术，有发展中的高压直流恒压输配电技术，也有最近才兴起的还未成熟的高压直流恒流输配电技术。高压直流恒流输配电特别适合用在环境恶劣的场合，在整个供电回路上，电流几乎一样，终端取电设备工作状态稳定；而高压直流恒压输配电在整个供电回路上，电压都是不一样的，近端电压高，远端电压低，终端取电设备工作状态不容易稳定。
在当前兴起的海底远程供电领域，主要有高压直流恒压输配电和高压直流恒流输配电。
高压直流恒流输配电相对高压直流恒压输配电有它的优势。
1)终端取电设备不需要接地端来取电，在海水的环境中，接地端的电极老化是个难题。
2)高压直流恒流输配电在地震或其它因素引起的海缆单点接地故障的情况下，由于海水可提供电流回路，输配电电网通常仍能正常运行，只要岸基供电电源的电压随之改变即可；而高压直流恒压输配电在地震或其它因素引起的海缆单点接地故障的情况下，会因输配电电网电压崩溃而停止运行。
3)跨洋通信系统中的中继器、分支器都是采用恒流供电的，采用高压直流恒流输配电则可以直接串联使用，但如果采用高压直流恒压输配电则需要把中继器、分支器更改为能适应恒压模式、电压变化大的情况下使用，不能直接匹配，使用不灵活。
故研究高压直流恒流输配电技术具有重大意义，在高压直流恒流输配电技术中，如果把高压恒流输入转换为恒压输出的技术是高压直流恒流输配电技术的难点，而大功率高压恒流输入转换为恒压输出的技术更是难点中的难点，所以研究大功率高压恒流输入转换为恒压输出的技术具有重大意义。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种大功率高压恒流输入转恒压输出的电源及其控制方法。本发明采用自适应周期调节，能根据不同输入高压恒流电的等效电容的大小来自动调节工作周期，非常适合用在输入高压恒流电的等效电容非常大的输入场合，对比传统高频定频PWM调节方法的方案，损耗极少，效率非常高，通常效率可达97％以上；并且单电缆高压恒流供电，相对于单电缆恒压供电的应用，不用接额外的接地极，在应用在深海等复杂的场合中时，由于没有接地极老化的问题，使用寿命明显提高，维护成本明显减少；提升了单模块的输出功率，解决了传统方案的输出功率做不大的问题，应用场合广。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种大功率高压恒流输入转恒压输出的电源，包括：
输入保护单元、主转换单元、输出储能单元、辅助电源单元、控制单元、采样单元和隔离通信单元；
所述输入保护单元的输入端连接高压恒流电，输入保护单元的输出端与主转换单元的输入端连接，所述主转换单元的输出端与输出储能单元连接，所述主转换单元用于将高压恒流输入转换为恒压输出，所述输出储能单元设有储能电容，用于储能并恒压输出；
所述辅助电源单元的输入端连接高压恒流电母线及输出储能单元，用于从高压恒流母线上取电和从输出储能单元上取电；
所述辅助电源单元的输出端连接控制单元；
所述控制单元包括ADC芯片电路、单片机电路、电压转换芯片电路；
所述ADC芯片电路用于将采样单元采集数据的模拟信号转换为数字信号后送到单片机电路，所述单片机电路用于判断采样单元采集数据是否超出设定的阈值，所述电压转换芯片电路用于转换控制单元的电源电压；
所述采样单元分别连接高压恒流电、主转换单元和输出储能单元，用于采集输出储能单元的输出电压及输出电流、高压恒流电的电流、主转换单元的输入电压和温度数据；
所述隔离通信单元设有隔离的通信电路，用于将控制单元的数据进行隔离通信传输。
作为优选的技术方案，所述输入保护单元包括输入防浪涌保护电路、输入过压保护电路、输入快速过流保护电路、输入开关机控制电路；
所述输入防浪涌保护电路一端连接高压恒流电母线的正极，另一端接地；
所述输入过压保护电路一端连接高压恒流电母线的正极，另一端接地；
所述输入快速过流保护电路串接在高压恒流电与主转换单元之间，并接地；
所述输入开关机控制电路与高压恒流电母线连接，用于控制电源开关机。
作为优选的技术方案，所述输入防浪涌保护电路包括TVS管、防雷管和压敏电阻，所述TVS管、防雷管和压敏电阻并联。
作为优选的技术方案，所述输入过压保护电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、开关管MOS1、电压比较器U1和驱动器U2；
所述电阻R1的一端与高压恒流电母线的正极连接，另一端与开关管MOS1的漏极连接；
所述电阻R2的一端与高压恒流电母线的正极连接，另一端与电压比较器U1的电压输入端连接，并与电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端接地；
所述电压比较器U1的输出端与驱动器U2的输入端连接，所述驱动器U2的输出端与电阻R4的一端连接，所述电阻R4的另一端与开关管MOS1的栅极连接；
所述开关管MOS1的源极接地。
作为优选的技术方案，所述输入快速过流保护电路包括：电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、开关管MOS2、电压比较器U3、驱动器U4、三极管Q1和稳压二极管Z1；
所述电阻R6一端与高压恒流电母线的正极连接，另一端与电阻R5一端连接，所述电阻R5的另一端与开关管MOS2的漏极连接；
所述三极管Q1的发射极与电阻R6一端连接，所述三极管Q1的基极与电阻R6的另一端连接；
所述三极管Q1的集电极与电阻R7一端连接，所述电阻R7的另一端与电压比较器U3的电压输入端连接，并与电阻R8的一端连接，所述电阻R8的另一端接地；
所述电压比较器U3的输出端与驱动器U4的输入端连接，所述驱动器U4的输出端与电阻R9的一端连接，所述电阻R9的另一端与开关管MOS2的栅极连接；
所述开关管MOS2的源极接地；
所述稳压二极管Z1并联在电阻R8的两端。
作为优选的技术方案，所述输入开关机控制电路包括电阻R10、继电器K1；
所述电阻R10与继电器K1的常闭触点串联，所述继电器K1的电源驱动端与控制单元连接。
作为优选的技术方案，所述主转换单元包括电感L1、二极管D1、电容C1、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、开关管MOS4、开关管MOS5、开关管MOS6、驱动器U5、驱动器U6和驱动器U7；
所述控制单元分别与驱动器U5、驱动器U6和驱动器U7的输入端连接；
所述电阻R11与电阻R13的一端均与电感L1的一端连接，所述电感L1的另一端与二极管D1阳极连接，所述二极管D1的阴极与电容C1的一端连接，所述电容C1的另一端接地；
所述电阻R11的另一端与开关管MOS4的漏极连接，所述驱动器U5的输出端与电阻R12的一端连接，所述电阻R12的另一端与开关管MOS4的栅极连接，所述开关管MOS4的源极接地；
所述电阻R13的另一端与开关管MOS5的漏极连接，所述驱动器U6的输出端与电阻R14的一端连接，所述电阻R14的另一端与开关管MOS5的栅极连接，所述开关管MOS5的源极接地；
所述开关管MOS6的漏极与二极管D1阳极连接，所述驱动器U7的输出端与电阻R15的一端连接，所述电阻R15的另一端与开关管MOS6的栅极连接，所述开关管MOS6的源极接地。
本发明还提供一种大功率高压恒流输入转恒压输出的电源的控制方法，包括下述步骤：
对电容C1进行充电，当电容C1两端的电压充电至第一电压设定值时，开始进入电容C1放电的工作状态；
控制单元发送占空比变化的PWM信号到驱动器U7的输入端并通过驱动器U7进行功率放大后，形成功率驱动信号送到电阻R15，电阻R15将功率驱动信号进行限流和阻抗匹配后驱动开关管MOS6，开关管MOS6按PWM信号占空比进行开关调节；
当电容C1两端电压不低于第二电压设定值、输入电压低至第三电压设定值时，关闭开关管MOS6；
控制单元控制驱动器U5的输入端为高电平，并通过驱动器U5进行功率放大后，形成功率驱动信号送到电阻R12，电阻R12把功率驱动信号进行限流和阻抗匹配后驱动开关管MOS4导通；
当输入电压降低至第四电压设定值时，由控制单元控制驱动器U6的输入端为高电平，并通过驱动器U6进行功率放大后，形成功率驱动信号送到电阻R14，电阻R14把功率驱动信号进行限流和阻抗匹配后驱动开关管MOS5导通；
当输入电压接近电阻R11与电阻R13并联的等效电阻与输入恒流值的乘积电压时，控制单元控制开关管MOS6导通，持续至输入电压降低到为0V的电压，所述持续的时间为电容C1两端电压下降至第二电压设定值所经过的时间；
当电容C1两端电压降至第二电压设定值时，进行电容C1的充电，然后不断循环电容C1的充电和放电过程。
作为优选的技术方案，还包括故障保护步骤；
将采集到的输出储能单元的输出电压及输出电流、高压恒流电的电流、主转换单元的输入电压和温度数据与对应设置的阈值进行比较，超出对应设置的阈值时，控制主转换单元和输入保护单元进行保护控制；
按照先导通开关管MOS6，然后导通开关管MOS4，最后导通开关管MOS5的过程将输入电压降低，再控制输入保护单元的继电器导通；
并发送对应的故障数据到隔离通信单元，所述隔离通信单元将故障数据上报；
将采集主转换单元的输入及输出电压信号，分别与控制单元的PID算法控制值进行比较运算，控制主转换单元进行能量转换。
本发明还提供一种大功率高压恒流输入转恒压输出的电源系统，设有多个上述大功率高压恒流输入转恒压输出的电源，每个电源设有隔离通信接口，每个电源的输入进行串联，通信接口进行并联，相互通信并自动指定主机和从机，完成冗余备份。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明采用自适应周期调节，能根据不同输入高压恒流电的等效电容的大小来自动调节工作周期，假如输入高压恒流电的等效电容非常大时，自动增大工作周期，使单位时间内的工作周期数减小，则单位时间内的输入高压恒流电的等效电容的放电导致的损耗也减少，非常适合用在输入高压恒流电的等效电容非常大的输入场合，对比传统高频定频PWM调节方法的方案，损耗极少，效率非常高，通常效率可达97％以上，可以有效果的替换传统高频定频PWM调节方法的方案。
(2)本发明采用单片机作为控制核心，PID算法灵活，能在不同阶段时运行不同的PID算法，更好的匹配整个工作过程，解决了用硬位主控芯片只有一种工作方法和固定算法的局限性，非常适合用在自适应周期调节的场合，达到了整个工作过程的算法最优化，提高了可靠性。采用单片机作为控制核心，保护功能由单片机处理，保护逻辑更灵活、更完善，非常适应用在使用环境复杂的恒流高压供电系统中。
(3)本发明采用单电缆高压恒流供电，相对于单电缆恒压供电的应用，不用接额外的接地极，在应用在深海等复杂的场合中时，由于没有接地极老化的问题，使用寿命明显提高，维护成本明显减少。
(4)本发明采用单电缆高压恒流供电，并串联在供电电缆上，在机械结构上，可以做到全密封，在电气结构上，可以做到与外界环境全隔离，从而形成独立的、稳定的取电环境，在电源的内部的工作电压为电源的正常运行的工作电压范围，而与整个高压恒流供电的总体电压无关，电源输入侧的器件的工作电压为常规电压，最高电压不超过1000V，可以直接使用成熟可靠的1200V级别的半导体器件，而不用进行器件串联等措施，明显提高了整机的可靠性；又因为电气结构上与外界环境全隔离，可以直接用在整个高压恒流供电系统的任一位置的电缆上并实现同样的性能，并与外界环境无关。
(5)本发明的单模块电源输入功率最大可达1000V乘以恒流母线的恒流值，输出功率最大可达输入功率的97％，相对于PWM调占空比的方案和模拟负载消耗多余功率的方案，明显提升了单模块的输出功率，解决了传统方案的输出功率做不大的问题，进一步扩大了产品的使用场合。
(6)本发明的电源易于扩展功率，可直接使用多个模块电源的输入进行串联，通信接口直接并联，输出分别接负载或开关电源的形式进行扩展功率级别，从而组成超大功率的电源整机，可方便的用在各种场合。
附图说明
图1为本实施例大功率高压恒流输入转恒压输出的电源结构框图；
图2为本实施例输入保护单元的结构示意图；
图3为本实施例输入过压保护电路的结构示意图；
图4为本实施例输入快速过流保护电路的结构示意图；
图5为本实施例输入开关机控制电路的结构示意图；
图6为本实施例主转换单元的电路结构示意图；
图7为本实施例大功率多模块备份冗余的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种大功率高压恒流输入转恒压输出的电源，大功率高压恒流输入转恒压输出电源串接在输入线上，包括依次连接的输入保护单元、主转换单元、输出储能单元、辅助电源单元、控制单元、采样单元和隔离通信单元；
本实施例电源输入为恒流1.5A、1000V以下，输出恒压约800V左右，输出最大功率1200W；
高压恒流电从输入保护单元流入主转换单元并从辅助电源单元流出，同时主转换单元把高压恒流电转换成恒压电后送到输出储能单元进行储能后直接输出给客户系统使用或者输出给后级的各种隔离DC-DC使用，隔离DC-DC再送给客户系统使用。辅助电源单元从高压恒流母线上直接取电和从输出储能单元上取电，从2个地方取电，主要是为了辅助电的冗余备份和可靠性。并通过隔离开关电源转换为各种隔离辅助电给控制单元使用。采样单元采集输出储能单元的输出电压、隔离采集输出储能单元的输出电流、隔离采集高压恒流电的电流、采集主转换单元的输入电压和温度数据后一起送到控制单元。控制单元接收采样单元的数据和隔离通信单元的数据后进行分析处理，把高压恒流电的电流信号和控制单元的过流设置值进行比较，过欠流时控制主转换单元和输入保护单元进行保护，先控制主转换单元先按程序导通MOS6，然后导通MOS4，然后导通MOS5按流程把输入电压降低后，再控制输入保护单元的继电器导通，短路输入，让所有的输入电流都从继电器上流过，以保护后级电路，并发送输入慢速过欠流故障数据到隔离通信单元，通过隔离通信单元与客户系统进行隔离的故障数据上报；把采集主转换单元的输入电压信号和控制单元的过压设置值进行比较，过压时控制主转换单元和输入保护单元进行保护，先控制主转换单元先按程序导通MOS6，然后导通MOS4，然后导通MOS5按流程把输入电压降低后，再控制输入保护单元的继电器导通，短路输入，让所有的输入电流都从继电器上流过，以保护后级电路，并发送相应输入过压故障数据到隔离通信单元，通过隔离通信单元与客户系统进行隔离的故障数据上报；把采集主转换单元的温度数据和控制单元的过温设置值进行比较，过温时控制主转换单元和输入保护单元进行保护，先控制主转换单元先按程序导通MOS6，然后导通MOS4，然后导通MOS5按流程把输入电压降低后，再控制输入保护单元的继电器导通，短路输入，让所有的输入电流都从继电器上流过，以保护后级电路，并发送过温故障数据到隔离通信单元，通过隔离通信单元与客户系统进行隔离的故障数据上报；把采集主转换单元的输出电流信号和控制单元的输出过流设置值进行比较，当过流时，认为负载端出现故障，然后控制主转换单元和输入保护单元进行保护，先控制主转换单元先按程序导通MOS6，然后导通MOS4，然后导通MOS5按流程把输入电压降低后，再控制输入保护单元的继电器导通，短路输入，让所有的输入电流都从继电器上流过，以保护后级电路，并发送输出过流故障数据到隔离通信单元，通过隔离通信单元与客户系统进行隔离的故障数据上报；把采集主转换单元的输出电压信号和控制单元的输出过欠压设置值进行比较，当过欠压时，认为负载端出现故障，然后控制主转换单元和输入保护单元进行保护，先控制主转换单元先按程序导通MOS6，然后导通MOS4，然后导通MOS5按流程把输入电压降低后，再控制输入保护单元的继电器导通，短路输入，让所有的输入电流都从继电器上流过，以保护后级电路，并发送输出过欠压故障数据到隔离通信单元，通过隔离通信单元与客户系统进行隔离的故障数据上报；把采集主转换单元的输入电压信号和输出电压信号和控制单元的PID算法控制值进行比较运算，控制主转换电路进行能量转换工作，详细工作过程见主转换单元的详细说明。
如图2所示，输入保护单元包括输入防浪涌保护电路、输入过压保护电路、输入快速过流保护电路、输入开关机控制电路，由控制单元控制并对输入的高压恒流电进行各种保护后送到主转换单元使用。
在本实施例中，输入防浪涌保护电路包括TVS管、防雷管、压敏电阻，TVS管、防雷管、压敏电阻等并接在IN+母线和GND母线上，即这些元件的一端均连接IN+母线，另一端均连接GND母线，高电压、超短时的电压尖峰和输入浪涌由TVS管、防雷管、压敏电阻吸收，以保护后级电路。
如图3所示，输入过压保护电路包括电阻R1～R4、开关管MOS1、电压比较器U1、驱动器U2；当输入电压超过过压保护值时，电阻R2与R3间的电压超过REF的电压，电压比较器U1输出高电平送到驱动器U2，驱动器U2对高电平信号进行功率放大后，形成功率驱动信号送到电阻R4，电阻R4把功率驱动信号进行限流和阻抗匹配后驱动开关管MOS1，从而导通开关管MOS1，把输入的能量通过电阻R1和开关管MOS1释放，从而限制输入电压，保护后级电路。此输入过压保护电路为快速保护电路，全硬件构成，可靠性高，有效的吸收较长时间的电压尖峰，保护后级电路。整机里还有一级由控制单元控制的过压保护，长时间过压由控制单元控制的输入过压保护来进行保护并关机。
如图4所示，输入快速过流保护电路包括电阻R5～R9、开关管MOS2、电压比较器U3、驱动器U4、三极管Q1、稳压二极管Z1，当输入电流尖峰超过过流保护值时，电阻R6上的压差导通三极管Q1，当Q1导通时，电阻R7与R8间的电压超过REF的电压，电压比较器U3输出高电平送到驱动器U4，驱动器U4对高电平信号进行功率放大后，形成功率驱动信号送到电阻R9，电阻R9把功率驱动信号进行限流和阻抗匹配后驱动开关管MOS2，从而导通开关管MOS2，把输入的能量通过电阻R5、电阻R6和开关管MOS1释放，从而限制输入电压，并让全部电流从电阻R5、电阻R6和开关管MOS1上流过，从而保护后级电路。稳压二极管Z1限制了电阻R7与R8间的电压不超过电压比较器U3的输入，从而保护了电压比较器U3。此输入快速过流保护电路为快速保护电路，全硬件构成，可靠性高，有效的把全部电流尖峰从电阻R5、电阻R6和开关管MOS1上流过，从而保护后级电路。整机里还有一级由控制单元控制的输入过欠流保护，长时间的过欠流由控制单元控制的输入慢速过欠流保护来进行保护并关机。
如图5所示，输入开关机控制电路包括电阻R10、继电器K1，当电源刚得电时，辅助电还没有建立，控制单元还没有得电，由继电器K1常闭触点导通，通过电阻R10和继电器K1旁路输入，使后级电路不上电。当辅助电已经建立好，由控制单元判断工作状态，要开机时，通过控制ON/OFF脚来把继电器K1触点断开，后级电路上电，电源开始开机启动。关机时，也由控制单元控制ON/OFF脚来把继电器K1触点导通，旁路输入，使后级电路不上电，电源关机。
如图6所示，主转换单元包括电阻R11～R15、开关管MOS4～MOS6、驱动器U5～U7、电感L1、二极管D1、电容C1。主转换单元把高压恒流电转换为恒压电给输出储能单元使用；当高压恒流电给电容C1恒流充电时，电流从I-1流向电感L1、二极管D1、电容C1后流回GND；当电容C1放电时，输入高压恒流电电流分成高频电流2部分，一部分从I-1流向电感L1、二极管D1、电容C1后流回GND，另一部分从I-1流向电感L1、开关管MOS6后流回GND；经过一段时间后，关闭MOS6，导通MOS4，电流从I-1流向电阻R11、开关管MOS4后流回GND；再经过一段时间后，导通MOS5，部分电流从I-1流向电阻R11、开关管MOS4后流回GND，部分电流从I-1流向电阻R13、开关管MOS5后流回GND。在整个工作周期内，输入高压恒流电的电流不变，电压改变，电容C1有规律地充电和放电，C1上的电压也有规律地上升和下降，并保持在一定的范围内。在电容C1充电状态期间，采样单元采样所有的信号并送到控制单元分析运算，当有故障时，进入保护流程程序进行处理，如果没有故障，等电容C1上的VO+对GND的电压充至830V时，开始进入电容C1放电的工作状态，由控制单元发送占空比变化的PWM信号到GATE3并通过驱动器U7进行功率放大后，形成功率驱动信号送到电阻R15，电阻R15把功率驱动信号进行限流和阻抗匹配后驱动开关管MOS6，开关管MOS6按PWM信号占空比从小到大来进行开关调节，从而把输入等效电容(主要是输入端口上的等效电容，由供电系统的输出电容、传输线的等效电容、输入保护电路的等效电容等组成)的能量通过电感L1、二极管D1隔离后送到C1，同时I-1与GND间的等效阻抗由于MOS6的开通占空比不断增大而等效阻抗不断变小，从而把输入高压恒流电的电压从高到低进行软调节，而只损失一小部分能量(电感L1、二极管D1、开关管MOS6及线路阻抗等的功率损耗)，转换效率非常高，同时采样单元采样所有的信号送到控制单元分析运算，如果有故障，则进入故障处理流程，如果没有故障，则当主转换单元的输出电压(C1上的电压)不低于770V、输入电压(I-1与GND间电压)低到80V时，关闭开关管MOS6；然后控制单元控制GATE1为高电平并通过驱动器U5进行功率放大后，形成功率驱动信号送到电阻R12，电阻R12把功率驱动信号进行限流和阻抗匹配后驱动开关管MOS4导通，从而把输入的电流从I-1流向电阻R11、开关管MOS4后流回GND，把输入等效电容的能量消耗在电阻R11上，电阻R11选取合适的较低阻值(如20欧)，从而使得输入的I-1与GND间电压快速不断下降，因输入的电压已经小于80V了，所以此时能量为0.5CU2，由于电压U较小，所以能量很少，故对输入等效电容的能量消耗并不多，对总体效率损失很小；当输入电压进一步降低到40V电压时，由控制单元控制GATE2为高电平并通过驱动器U6进行功率放大后，形成功率驱动信号送到电阻R14，电阻R14把功率驱动信号进行限流和阻抗匹配后驱动开关管MOS5导通，从而使部分输入的电流从I-1流向电阻R11、开关管MOS4后流回GND，同时也有部分的输入电流从I-1流向电阻R13、开关管MOS5后流回GND，电阻R13选取比R11更低的阻值(如2欧)，从而使得输入电压进一步快速下降，因输入电压已经非常低了(少于40V)，所以此时能量为0.5CU2，由于电压U很小，所以能量极少，故对输入等效电容的能量消耗极少，对总体效率损失极小；当输入电压接近电阻R11与电阻R13并联的等效电阻与输入恒流值的乘积电压时(如3.5V)，由控制单元控制开关管MOS6一直导通，从而把输入电压降低到几乎为0V的电压，而维持一段时间，维持的时间取决于输出电压下降到770V时所经过的时间。当输出电压降到770V时，启动输出电容C1的充电工作模块，然后不断循环。由以上的工作过程可知整个工作周期的时间不恒定，为自适应周期调节控制法(电源的PID核心算法)。
该控制方法的优点是自适应周期调节，能根据不同输入高压恒流电的等效电容的大小来自动调节工作周期，假如输入高压恒流电的等效电容非常大时，自动增大工作周期，使单位时间内的工作周期数减小，则单位时间内的输入高压恒流电的等效电容的放电导致的损耗也减少，非常适合用在输入高压恒流电的等效电容非常大的输入场合，对比传统高频定频PWM调节方法的方案，损耗极少，效率非常高，通常效率可达97％以上，可以有效地替换传统高频定频PWM调节方法的方案。
在本实施例中，输出储能单元由多个高压电容组成，并在主转换单元的输出上，对主转换单元的输出进行储能，通过选取合适的总容量的高压电容，通过公式0.5C(U1 2-U2 2)＝PO*t,其中U1为770V、U2为700V、PO为1200W、t为50mS,可以计算出C应大于1166μF，取电容20％容差，故选取1400μF的电容可以应对输入掉电50mS时间的掉电要求，还可以对主转换单元的输出进一步滤波，得到非常干净的恒压直流电输出。
在本实施例中，采样单元由多个采样电路组成，其中采集输出储能单元的输出电压、隔离采集输出储能单元的输出电流、隔离采集输入高压恒流电的电流、采集主转换单元的输入电压和温度信号后一起送到控制单元。输出储能单元的输出电压和主转换单元的输入电压采集电路采用电阻分压法加运放跟随的方案，输出储能单元的输出电流和输入高压恒流电的电流采集电路采用隔离霍尔器件采样再加运放跟随的方案，温度采集电路采用NTC和电阻分压加运放跟随的方案。
在本实施例中，隔离通信单元由隔离的通信电路组成，把控制单元的数据与客户系统的数据进行隔离通信传输。
在本实施例中，控制单元主要由单片机电路、ADC芯片电路、电压转换芯片电路和外围电路组成，其中ADC芯片电路把采样单元送来的各种采集模拟信号进行转换为数字信号后送到单片机电路。电压转换芯片电路把辅助电源单元送来的电源转换为适合各种电路使用的低压电源。外围电路由各种器件组成，主要配合实现控制单元的功能。
单片机电路为控制单元的核心技术，在单片机程序里加入了控制算法。按主转换电路的转换步骤专门设计了PID核心控制算法，能很好的实现主转换电路的高效可靠地工作，具体工作过程详见主电路工作原理分析。单片机电路分析故障信息和通信数据，如果是主机并收到开机命令而且无故障的情况下才允许开机，如果有故障，则关机并上报故障，如果收到关机命令，则关机。单片机电路判断输入电流信号，实现输入慢速过流保护功能、输入慢速欠流保护功能；单片机电路判断输入电压信号，实现输入过压保护功能；单片机电路判断输出电压信号，实现输出过压保护、输出欠压保护功能；单片机电路判断输出电流信号，实现输出过流保护功能；单片机电路判断温度信号，实现过温保护功能；单片机电路判断通信信号，实现通信故障保护功能。
控制单元完善的功能和保护措施有效的保证了整个电源的可靠运行。
如图7所示，整个电源还可以和多个一样的电源一起组成一个大的电源系统，通过隔离通信接口，电源间相互通信并自动指定主机和从机，从而实现大功率转换和N+1、1+1等备份冗余功能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种大功率高压恒流输入转恒压输出的电源，其特征在于，包括：
输入保护单元、主转换单元、输出储能单元、辅助电源单元、控制单元、采样单元和隔离通信单元；
所述输入保护单元的输入端连接高压恒流电，输入保护单元的输出端与主转换单元的输入端连接，所述主转换单元的输出端与输出储能单元连接，所述主转换单元用于将高压恒流输入转换为恒压输出，所述输出储能单元设有储能电容，用于储能并恒压输出；
所述辅助电源单元的输入端连接高压恒流电母线及输出储能单元，用于从高压恒流母线上取电和从输出储能单元上取电；
所述辅助电源单元的输出端连接控制单元；
所述控制单元包括ADC芯片电路、单片机电路、电压转换芯片电路；
所述ADC芯片电路用于将采样单元采集数据的模拟信号转换为数字信号后送到单片机电路，所述单片机电路用于判断采样单元采集数据是否超出设定的阈值，所述电压转换芯片电路用于转换控制单元的电源电压；
所述采样单元分别连接高压恒流电、主转换单元和输出储能单元，用于采集输出储能单元的输出电压及输出电流、高压恒流电的电流、主转换单元的输入电压和温度数据；
所述隔离通信单元设有隔离的通信电路，用于将控制单元的数据进行隔离通信传输。
2.根据权利要求1所述的大功率高压恒流输入转恒压输出的电源，其特征在于，所述输入保护单元包括输入防浪涌保护电路、输入过压保护电路、输入快速过流保护电路、输入开关机控制电路；
所述输入防浪涌保护电路一端连接高压恒流电母线的正极，另一端接地；
所述输入过压保护电路一端连接高压恒流电母线的正极，另一端接地；
所述输入快速过流保护电路串接在高压恒流电与主转换单元之间，并接地；
所述输入开关机控制电路与高压恒流电母线连接，用于控制电源开关机。
3.根据权利要求1所述的大功率高压恒流输入转恒压输出的电源，其特征在于，所述输入防浪涌保护电路包括TVS管、防雷管和压敏电阻，所述TVS管、防雷管和压敏电阻并联。
4.根据权利要求1所述的大功率高压恒流输入转恒压输出的电源，其特征在于，所述输入过压保护电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、开关管MOS1、电压比较器U1和驱动器U2；
所述电阻R1的一端与高压恒流电母线的正极连接，另一端与开关管MOS1的漏极连接；
所述电阻R2的一端与高压恒流电母线的正极连接，另一端与电压比较器U1的电压输入端连接，并与电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端接地；
所述电压比较器U1的输出端与驱动器U2的输入端连接，所述驱动器U2的输出端与电阻R4的一端连接，所述电阻R4的另一端与开关管MOS1的栅极连接；
所述开关管MOS1的源极接地。
5.根据权利要求1所述的大功率高压恒流输入转恒压输出的电源，其特征在于，所述输入快速过流保护电路包括：电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、开关管MOS2、电压比较器U3、驱动器U4、三极管Q1和稳压二极管Z1；
所述电阻R6一端与高压恒流电母线的正极连接，另一端与电阻R5一端连接，所述电阻R5的另一端与开关管MOS2的漏极连接；
所述三极管Q1的发射极与电阻R6一端连接，所述三极管Q1的基极与电阻R6的另一端连接；
所述三极管Q1的集电极与电阻R7一端连接，所述电阻R7的另一端与电压比较器U3的电压输入端连接，并与电阻R8的一端连接，所述电阻R8的另一端接地；
所述电压比较器U3的输出端与驱动器U4的输入端连接，所述驱动器U4的输出端与电阻R9的一端连接，所述电阻R9的另一端与开关管MOS2的栅极连接；
所述开关管MOS2的源极接地；
所述稳压二极管Z1并联在电阻R8的两端。
6.根据权利要求1所述的大功率高压恒流输入转恒压输出的电源，其特征在于，所述输入开关机控制电路包括电阻R10、继电器K1；
所述电阻R10与继电器K1的常闭触点串联，所述继电器K1的电源驱动端与控制单元连接。
7.根据权利要求1-6任一项所述的大功率高压恒流输入转恒压输出的电源，其特征在于，所述主转换单元包括电感L1、二极管D1、电容C1、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、开关管MOS4、开关管MOS5、开关管MOS6、驱动器U5、驱动器U6和驱动器U7；
所述控制单元分别与驱动器U5、驱动器U6和驱动器U7的输入端连接；
所述电阻R11与电阻R13的一端均与电感L1的一端连接，所述电感L1的另一端与二极管D1阳极连接，所述二极管D1的阴极与电容C1的一端连接，所述电容C1的另一端接地；
所述电阻R11的另一端与开关管MOS4的漏极连接，所述驱动器U5的输出端与电阻R12的一端连接，所述电阻R12的另一端与开关管MOS4的栅极连接，所述开关管MOS4的源极接地；
所述电阻R13的另一端与开关管MOS5的漏极连接，所述驱动器U6的输出端与电阻R14的一端连接，所述电阻R14的另一端与开关管MOS5的栅极连接，所述开关管MOS5的源极接地；
所述开关管MOS6的漏极与二极管D1阳极连接，所述驱动器U7的输出端与电阻R15的一端连接，所述电阻R15的另一端与开关管MOS6的栅极连接，所述开关管MOS6的源极接地。
8.根据权利要求7所述的大功率高压恒流输入转恒压输出的电源的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：
对电容C1进行充电，当电容C1两端的电压充电至第一电压设定值时，开始进入电容C1放电的工作状态；
控制单元发送占空比变化的PWM信号到驱动器U7的输入端并通过驱动器U7进行功率放大后，形成功率驱动信号送到电阻R15，电阻R15将功率驱动信号进行限流和阻抗匹配后驱动开关管MOS6，开关管MOS6按PWM信号占空比进行开关调节；
当电容C1两端电压不低于第二电压设定值、输入电压低至第三电压设定值时，关闭开关管MOS6；
控制单元控制驱动器U5的输入端为高电平，并通过驱动器U5进行功率放大后，形成功率驱动信号送到电阻R12，电阻R12把功率驱动信号进行限流和阻抗匹配后驱动开关管MOS4导通；
当输入电压降低至第四电压设定值时，由控制单元控制驱动器U6的输入端为高电平，并通过驱动器U6进行功率放大后，形成功率驱动信号送到电阻R14，电阻R14把功率驱动信号进行限流和阻抗匹配后驱动开关管MOS5导通；
当输入电压接近电阻R11与电阻R13并联的等效电阻与输入恒流值的乘积电压时，控制单元控制开关管MOS6导通，持续至输入电压降低到为0V的电压，所述持续的时间为电容C1两端电压下降至第二电压设定值所经过的时间；
当电容C1两端电压降至第二电压设定值时，进行电容C1的充电，然后不断循环电容C1的充电和放电过程。
9.根据权利要求8所述的大功率高压恒流输入转恒压输出的电源的控制方法，其特征在于，还包括故障保护步骤；
将采集到的输出储能单元的输出电压及输出电流、高压恒流电的电流、主转换单元的输入电压和温度数据与对应设置的阈值进行比较，超出对应设置的阈值时，控制主转换单元和输入保护单元进行保护控制；
按照先导通开关管MOS6，然后导通开关管MOS4，最后导通开关管MOS5的过程将输入电压降低，再控制输入保护单元的继电器导通；
并发送对应的故障数据到隔离通信单元，所述隔离通信单元将故障数据上报；
将采集主转换单元的输入及输出电压信号，分别与控制单元的PID算法控制值进行比较运算，控制主转换单元进行能量转换。
10.一种大功率高压恒流输入转恒压输出的电源系统，其特征在于，设有多个如权利要求1-7任一项所述的大功率高压恒流输入转恒压输出的电源，每个电源设有隔离通信接口，每个电源的输入进行串联，通信接口进行并联，相互通信并自动指定主机和从机，完成冗余备份。
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