CN113452148B - 用于模块化变换器的具备信息传输功能的辅助电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模块化变换器的具备信息传输功能的辅助电源，属于电力电子技术领域。本发明将信息传输路径与子模块辅助电源的能量流通路径相结合，利用交流电源的能量传输路径完成信号传输，实现了功率信息融合，减少了通讯光纤数量，提高了系统集成度，降低了系统复杂度和成本；在此基础上，本发明基于集中式供电的思路，采用至少两套交流电源同时为子模块供电，当一套交流电源因故障断流时，其他交流电源仍能为子模块提供足够的电能，保证子模块正常工作，提高了辅助电源的可靠性。

Description

用于模块化变换器的具备信息传输功能的辅助电源

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，更具体地，涉及一种用于模块化变换器的具备信息传输功能的辅助电源。

背景技术

在中大功率应用场合，电力电子变换器常采用多模块协同运行的方式，通过模块串联分摊电压应力，模块并联分摊电流应力。此外，这类模块化变换器还具有易冗余、易拓展、可模块化生产等优点。模块化变换器由众多子模块组合而成。为保证子模块中的开关器件正常工作，保证变换器内部能量平衡，需要为每个子模块配备驱动、传感器、故障保护等电路，他们均需要辅助电源进行供电。

目前，模块化变换器的子模块辅助电源可以分为两类：子模块自取电与集中式供电。子模块自取电方案为目前公知公用的解决方案，该方案采用隔离型的高压直流转低压直流的电力电子变换器，从子模块主电容上取电，转换为稳定的低压直流作为相应子模块的辅助电源。但由于子模块主电容电压较高(通常为数百甚至数千伏特)，辅助电源的设计需考虑器件耐压和绝缘距离，因此体积较大。集中式供电采用同一交流电源控制多个变压器的原边绕组电压或电流，每个变压器的副边绕组经整流电路变换为直流电能后为子模块供电。由于模块化变换器应用场合的电压等级通常较高，变压器常采用宽气隙设计以增强绝缘和隔离能力。两个具体实施案例为：(1)采用交流电流源控制一根高压电缆中流过的电流，令高压电缆穿过多个磁环，电缆中的交流电流将在各个磁环中产生交流磁场，每个磁环上再绕制一套绕组从磁场中感应出电能，整流后为子模块供电；(2)采用无线电能传输的形式，利用一个交流电源为所有附属子模块供电。这些供电方案将耐压和绝缘问题转移到了磁性元件上，并可采用高压电缆、空气隔离等方式有效规避。然而，集中式供电的可靠性不足，当原边交流源因故障断流时，所有附属的子模块均会失去供电。

子模块设计的另一个问题是：每个子模块均需要配备多根光纤发送或接收信号，实现与上位机之间的通讯。随着子模块数量的增加，光纤数量也成倍增加，系统成本和复杂度随之提高。针对这一问题，只有少数研究提出了一些解决方案，且主要是从优化信号配置的方面入手，并未提出新的信号传输路径以减少光纤数量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于模块化变换器的具备信息传输功能的辅助电源，其目的在于减少通讯光纤数量，同时提高供电可靠性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于模块化变换器的具备信息传输功能的辅助电源，包括：直流电提供模块、稳压模块和信息传输模块；

直流电提供模块包括交流电源、隔离电路和整流电路；交流电源输出端与隔离电路一次侧连接，隔离电路二次侧与整流电路输入端连接，整流电路输出端与稳压电路输入端连接，稳压电路输出端与模块化变换器中的子模块连接；

信息传输模块包括电流测量电路和幅值解码电路；电流测量电路输入端与整流电路输出端连接，输出端与幅值解码电路输入端连接；幅值解码电路输出端与模块化变换器中的子模块连接；

交流电源，用于为隔离电路的一次侧供电；

整流电路，用于将隔离电路二次侧感应出的电流整流为直流；

稳压电路，用于将直流电转化为稳定的直流供电电压为模块化变换器中的子模块供电；

电流测量电路，用于测量整流电路的输出电流；

幅值解码电路，用于将电流测量电路的输出结果携带的幅值信息转化为数字信号，为模块化变换器中的子模块传输信息。

进一步地，隔离电路采用感应磁环。

进一步地，同一子模块对应的直流电提供模块至少为两个。

进一步地，各个直流电提供模块共用稳压电路转化为稳定的直流供电电压。

进一步地，每个交流电源对应的隔离电路上缠绕有辅助绕组，用于提取交流电源的相位信息；

每个辅助绕组连接有脉冲产生电路，用于将相位信息转化为脉冲信号；

相位解码电路与所有脉冲产生电路的输出端连接，用于将脉冲信号携带的相位信号转化为数字信号，为子模块传输信息。

进一步地，不同子模块共用一组直流电提供模块。。

本发明还提供了一种用于模块化变换器的具备信息传输功能的供电方法，包括：

S1.将交流电整流为直流电；

S2.将直流电转化为稳定的直流供电电压为模块化变换器中的子模块供电，并将直流电的幅值信息转化为数字信号，为模块化变换器中的子模块传输信息。

进一步地，交流电的来源有多个。

进一步地，所述方法还包括：

提取各个交流电的相位信息；

将各个交流电对应的相位信息转化为脉冲信号；

将脉冲信号携带的相位信号转化为数字信号，为子模块传输信息。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

(1)本发明将信息传输路径与子模块辅助电源的能量流通路径相结合，利用交流电源的能量传输路径完成信号传输，实现了功率信息融合，减少了通讯光纤数量，提高了系统集成度，降低了系统复杂度和成本。

(2)本发明基于集中式供电的思路，采用至少两套交流电源同时为子模块供电，当一套交流电源因故障断流时，其他交流电源仍能为子模块提供足够的电能，保证子模块正常工作，提高了辅助电源的可靠性。

附图说明

图1本发明实施例提供的子模块辅助电源原理框图；

图2采用两套交流电流源为子模块供电时辅助电源原理框图；

图3本发明实施例提供的采用两套交流电流源为子模块供电时辅助电源具体电路图；

图4本发明实施例提供的子模块辅助电源在采用同一组交流源为多个子模块供电时的连接示意图；

图5本发明实施例提供的子模块辅助电源工作波形示意图–传递同步信号；

图6本发明实施例提供的子模块辅助电源工作波形示意图–实现数据通讯；

图7本发明实施例提供的子模块辅助电源工作波形示意图–利用相位超前关系传递开机信号；

图8本发明实施例提供的子模块辅助电源工作波形示意图–利用相位滞后关系传递闭锁信号；

其中，1为第一感应磁环、2为第二感应磁环、3为第一整流电路、4为第二整流电路、5为稳压电路、6为第一电流测量电路、7为第二电流测量电路、8为第一幅值解码电路、9为第二幅值解码电路、10为第一脉冲产生电路、11为第二脉冲产生电路、12为相位解码电路。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了将信息传输路径与子模块辅助电源的能量流通路径相结合，利用辅助电源供电系统实现了信息传递，参考图1，本发明提供的一种用于模块化变换器的具备信息传输功能的辅助电源，包括：交流电源、隔离电路、整流电路、稳压电路、电流测量电路和幅值解码电路；交流电源，用于为隔离电路的一次侧供电；整流电路，用于将隔离电路二次侧感应出的电流整流为直流；稳压电路，用于将直流电转化为稳定的直流供电电压为模块化变换器中的子模块供电；电流测量电路，用于测量整流电路输出电流；幅值解码电路，用于将电流测量电路的输出结果携带的幅值信息转化为数字信号，为模块化变换器中的子模块传输信息。

隔离电源可采用绕线变压器或感应磁环，由于感应磁环一次侧绕组可以只配置一匝，因此该绕组可直接穿过磁环，省略了绕线过程，方便交流源和子模块的安装，因此本发明优选采用感应磁环。

为了提高辅助电源的供电可靠性，为同一子模块供电的交流电源至少为两个；各个交流电源对应不同的隔离电路、整流电路、电流测量电路和幅值解码电路。

图2和图3以采用两套交流电流源为子模块供电为例，分别展示了本发明的子模块辅助电源电路框图和电路详细结构图。如图2所示，本发明提供的供电电源结构包括：第一感应磁环1、第二感应磁环2、第一整流电路3、第二整流电路4、稳压电路5、第一电流测量电路6、第二电流测量电路7、第一幅值解码电路8、第二幅值解码电路9、第一脉冲产生电路10、第二脉冲产生电路11、相位解码电路12；

如图3所示，第一感应磁环1包含一个磁环，磁环上绕有三套绕组，分别为一次侧绕组N₁₁，二次侧绕组N₁₂和辅助绕组N₁₃；一次侧绕组N₁₁绕组连接至一个外部交流电流源I₁；第二感应磁环2包含一个磁环，磁环上绕有三套绕组，分别为一次侧绕组N₂₁，二次侧绕组N₂₂和辅助绕组N₂₃；一次侧绕组N₂₁绕组连接至另一个外部交流电流源I₂。

值得注意的是，交流电流源I₁和I₂可以同时为多个子模块供电，具体方案如图4所示：以三个子模块A、B、C为例，每个子模块分别配置一个本发明提供的辅助电源A、B、C；将辅助电源A、B、C中的第一感应磁环1中的一次侧绕组N₁₁串联；将辅助电源A、B、C中的第二感应磁环2中的一次侧绕组N₂₁串联；交流电流源I₁和I₂分别为串联后的绕组N₁₁和N₂₁提供电流。此时，所有子模块辅助电源的一次侧绕组N₁₁的电流均为I₁；所有子模块辅助电源的一次侧绕组N₂₁的电流均为I₂；

所述二次侧绕组N₁₂连接至第一整流电路3的输入端；第一整流电路3包含4个二极管D₃₁～D₃₄。D₃₁的阳极、D₃₂的阴极和第一感应磁环1的二次侧绕组N₁₂的其中一端相连，D₃₃的阳极、D₃₄的阴极和第一感应磁环1的二次侧绕组N₁₂的另一端相连。D₃₁的阴极与D₃₃的阴极相连，作为第一整流电路3输出端的正极；D₃₂的阳极与D₃₄的阳极相连；作为第一整流电路3输出端的负极。第一整流电路3的输出端正极连接至稳压电路5的输入端正极，第一整流电路3的输出端负极经过第一电流测量电路6的电阻R_i1连接至稳压电路5的输入端负极。

稳压电路5包括：电阻R₅₁、R₅₂，带参考引脚的稳压芯片U₅₁、线性稳压电源芯片U₅₂，电容C₅₁、C₅₂。R₅₁的一端连接至第一整流电路3输出端的正极，另一端连接至U₅₁的参考极；R₅₂的一端连接至第一整流电路3输出端的负极，另一端连接至U₅₁的参考极；U₅₁的阴极和阳极分别连接至第一整流电路3输出端的正极和负极；C₅₁的两端分别连接至第一整流电路3输出端的正极和负极；U₅₂的输入引脚和参考引脚分别连接至第一整流电路3输出端的正极和负极，U₅₂的输出引脚和参考引脚分别作为稳压电路5输出端的正极和负极；稳压电路5输出端的正极为辅助电源供电电位VCC，稳压电路5输出端的负极作为整个系统的参考地电位GND。

所述绕组N₂₂连接至第二整流电路4的输入端，第二整流电路4的输出端连接至稳压电路5的输入端。第二感应磁环2和第二整流电路4的结构，与第一感应磁环1和第一整流电路3的结构一致，在此不再赘述。稳压电路5的输出端输出稳定的直流电压，用于为子模块中的各种电路提供稳定的直流电压。

第一感应磁环1、第二感应磁环2、第一整流电路3、第二整流电路4、稳压电路5形成了一套带冗余功能的子模块辅助电源供电电路。当交流电流源I₁和I₂中有一个因故障断流，另一个电流源仍能为子模块提供足够的供电。

第一电流测量电路6包括：电阻R_i1、R₆₁、R₆₂和运放芯片U₆₁。R_i1的两端分别连接至第一整流电路3输出端的负极和稳压电路5输入端的负极，用于提取整流电路的输出电流信息，转化为电压信号v_i1；第一整流电路3输出端的负极连接至R₆₁，R₆₁的另一端连接至运放U₆₁的负输入端；R₆₂的左右两端分别连接到运放U₆₁的负输入端和输出端。U₆₁的正输入端连接至GND。第一电流测量电路6用于提取第一整流电路3的输出电流，转化为电压信号v_i1，并经过反相比例电路合理缩放至v_i3。

第二电流测量电路7包括：电阻R_i2、R₇₁、R₇₂和运放芯片U₇₁。R_i2的两端分别连接至第二整流电路4输出端的负极和稳压电路5输入端的负极；用于提取整流电路的输出电流信息，转化为电压信号v_i2；第二整流电路4输出端的负极连接至R₇₁，R₇₁的另一端连接至运放U₇₁的负输入端；R₆₂的左右两端分别连接到运放U₇₁的负输入端和输出端。U₇₁的正输入端连接至GND。第二电流测量电路7用于提取第二整流电路4的输出电流，转化为电压信号v_i2，并经过反相比例电路合理缩放至v_i4。

第一幅值解码电路8包括电阻R₈₁，稳压管D₈₁，比较器芯片U₈₁。电阻R₈₁一端与VCC相连，另一端与D₈₁的阴极相连，D₈₁的阳极与GND相连。D₈₁的阴极与比较器芯片U₈₁的负输入端相连，提供参考电压v_ref1。第一电流测量电路6的输出(v_i3)连接至U₈₁的正输入端。v_i3和v_ref1比较后，比较结果从U₈₁的输出端输出，作为第一数字信号。

第二幅值解码电路9包括电阻R₉₁，稳压管D₉₁，比较器芯片U₉₁。电阻R₉₁一端与VCC相连，另一端与D₉₁的阴极相连，D₉₁的阳极与GND相连。D₉₁的阴极与比较器芯片U₉₁的负输入端相连，提供参考电压v_ref2。第二电流测量电路7的输出(v_i4)连接至U₈₂的正输入端。v_i4和v_ref2比较后，比较结果从U₉₁的输出端输出，作为第二数字信号。

上位机可以通过改变交流电流源I₁和I₂的值，实时改变第一数字信号和第二数字信号的高低电平状态，实现信息传递。

一个上位机向子模块传递同步信号的工作波形实例如图5所示：I₁为交流电流源的输出电流波形；i₁₂为二次侧绕组感应出的电流波形，它与I₁形状相同，比例不同；i₁₂经过整流电路后被转化为直流，流经R_i1，产生电压信号v_i1；v_i1经反向比例电路转化成v_i3，v_i3与参考值v_ref1比较，产生第一数字信号。上位机可以通过控制I₁的幅值，令v_i3大于或小于参考值v_ref1，控制第一数字信号输出高或低电平。由于同一交流电流源I₁可同时为多个子模块供电，因此这些子模块的第一数字信号形状完全相同，此时第一数字信号可以作为这些子模块的同步信号，用于控制所有子模块同时动作、同时闭锁等。

一个向上位机向子模块传输数据和指令的工作波形实例如图6所示。具体工作过程与图5类似。上位机通过增加I₂幅值的形式，令v_i4大于参考电压v_ref2，在第二数字信号中产生相应脉冲。子模块可以根据在一个开关周期内是否含有脉冲的形式，实现0、1信号的传输。因此，通过灵活调整I₂幅值的形式，可以实现向子模块传递具体的数据和指令。

第一脉冲产生电路10包括比较器芯片U₁₀₁，U₁₀₁的正输入端连接至第一感应磁环1的辅助绕组N₁₃的一端，U₉₁的负输入连接至第一感应磁环1的辅助绕组N₁₃的另一端，U₁₀₁的负输入还连接至GND。由于比较器U₁₀₁的输入阻抗很高，绕组N₁₃可以视作开路，不会在变压器磁芯中产生磁通，故不会影响一次侧绕组N₁₁和二次侧绕组N₁₂的工作状态。N₁₃两端波形v_N13与v_N12成比例关系，为正负方波；v_N13经过比较器，转化为输出信号v_p3，当v_N13大于零时，v_p3为高电平，当v_N13小于零时，v_p3为低电平。灵活调节I₁的电流频率和相位，即可控制v_p3信号的频率和相位。

第二脉冲产生电路11包括比较器芯片U₁₁₁，U₁₁₁的正输入端连接至第二感应磁环2的辅助绕组N₂₃的一端，U₁₁₁的负输入连接至第二感应磁环2的辅助绕组N₂₃的另一端，U₁₁₁的负输入还连接至GND。N₂₃两端波形v_N23与v_N22成比例关系，为正负方波；v_N23经过比较器，转化为输出信号v_p4，当v_N23大于零时，v_p4为高电平，当v_N23小于零时，v_p4为低电平。灵活调节I₂的电流频率和相位，即可控制v_p4信号的频率和相位。

相位解码电路12包含D触发器U₁₂₁，脉冲产生电路10和11的输出端分别连接至D触发器的D输入端和CLK输入端，D触发器的Q输出作为第三数字信号输出。

第三数字信号由I₁和I₂的相位控制，当I₁的相位超前于I₂时，第三数字信号为高电平，当I₁的相位滞后于I₂时，第三数字信号为低电平。第三数字信号反映了I₁和I₂的相位信息，上位机可以通过改变I₁和I₂之间的相位关系，改变第三数字信号的高低电平状态，实现信息传递。

一个上位机控制子模块开、关机的具体工作实例如图7和图8所示。图6展示了I₁的相位超前于I₂的工作波形，可以看到，v_p3、v_p4分别和I₁、I₂同相位。因此，v_p3的相位超前于v_p4，根据D触发器的工作原理，输出端Q为高电平。图7展示了I₁的相位滞后于I₂的工作波形，可以看到，v_p3的相位滞后于v_p4，根据D触发器的工作原理，输出端Q为低电平。上位机通过调节I₁、I₂之间的相位关系，传递子模块的开机、闭锁信号。当希望所有子模块开机时，令I₁的相位超前于I₂，此时Q为高电平，子模块中的电路接收到这一信号，使能相应的芯片开始工作。当希望所有子模块闭锁时，令I₁的相位滞后于I₂，此时Q为低电平，子模块中的电路接收到这一信号，相应的芯片闭锁。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于模块化变换器的具备信息传输功能的辅助电源，其特征在于，包括：直流电提供模块、稳压模块和信息传输模块；

直流电提供模块包括交流电源、隔离电路和整流电路；交流电源输出端与隔离电路一次侧连接，隔离电路二次侧与整流电路输入端连接，整流电路输出端与稳压电路输入端连接，稳压电路输出端与模块化变换器中的子模块连接；同一子模块对应的直流电提供模块至少为两个；

信息传输模块包括电流测量电路和幅值解码电路；电流测量电路输入端与整流电路输出端连接，输出端与幅值解码电路输入端连接；幅值解码电路输出端与模块化变换器中的子模块连接；

交流电源，用于为隔离电路的一次侧供电；每个交流电源对应的隔离电路上缠绕有辅助绕组，用于提取交流电源的相位信息；

每个辅助绕组连接有脉冲产生电路，用于将相位信息转化为脉冲信号；

相位解码电路与所有脉冲产生电路的输出端连接，用于将脉冲信号携带的相位信号转化为数字信号，为子模块传输信息；

整流电路，用于将隔离电路二次侧感应出的电流整流为直流；

稳压电路，用于将直流电转化为稳定的直流供电电压为模块化变换器中的子模块供电；

电流测量电路，用于测量整流电路的输出电流；

幅值解码电路，用于将电流测量电路的输出结果携带的幅值信息转化为数字信号，为模块化变换器中的子模块传输信息。

2.根据权利要求1所述的一种用于模块化变换器的具备信息传输功能的辅助电源，其特征在于，隔离电路采用感应磁环。

3.根据权利要求1所述的一种用于模块化变换器的具备信息传输功能的辅助电源，其特征在于，各个直流电提供模块共用稳压电路转化为稳定的直流供电电压。

4.根据权利要求2所述的一种用于模块化变换器的具备信息传输功能的辅助电源，其特征在于，不同子模块共用一组直流电提供模块。

5.一种用于模块化变换器的具备信息传输功能的供电方法，其特征在于，包括：

S1.将交流电整流为直流电；所述交流电的来源有多个；

S2.将直流电转化为稳定的直流供电电压为模块化变换器中的子模块供电，并将直流电的幅值信息转化为数字信号，为模块化变换器中的子模块传输信息；提取各个交流电的相位信息；

将各个交流电对应的相位信息转化为脉冲信号；

将脉冲信号携带的相位信号转化为数字信号，为子模块传输信息。

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