CN113824293B - 一种输入串联输出并联的电源系统 - Google Patents

一种输入串联输出并联的电源系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种开关电源控制方法，公开了一种输入串联输出并联的电源系统，包括N(N≥2)个变换器模块，包括N个变换器模块，各变换器模块的输入端串联连接，且各变换器模块的输出端并联连接；每一变换器模块包括输入电容以及变换器，其中每一变换器设有输入电压检测电路、占空比控制电路以及主功率电路。电源系统中的每个变换器模块的输出电压跟随输入电压变化而变化，并且呈正相关特性，且能自动形成负反馈，最终能达到输入电压和输出功率为预设值的平衡状态。

Description

一种输入串联输出并联的电源系统
技术领域
本发明涉及一种开关电源领域，特别涉及一种输入串联输出并联的电源系统。
背景技术
随着新一轮的电力系统改革，超高压特高压输电系统进一步增多，对应的控制系统取能电源也需要进一步升级换代。当前SVG、柔直输电等场合的控制系统取能电源输入电压达到了3000V的等级，采用目前的电路方案只能选择耐压为4500V甚至更高的半导体器件。为了获得耐压更高的半导体器件，业界提出了采用多个变换器模块输入串联来提升输入电压等级的方案，比如公开号CN106787627A、CN207283409U专利中均提到了模块电源输入串联输出并联(输入串联输出并联：Input Serise Output Parallel，ISOP)的控制方法。但是目前公开的这些ISOP控制方法均需要单个变换器模块具有闭环反馈回路，且ISOP系统中的每个变换器模块采用相同的电路拓扑和器件参数，这些限制条件极大的限制了ISOP系统的发展和应用场合，增加了ISOP系统的设计成本和设计难度。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是克服现有输入串联输出并联控制方法的不足之处，提出一种输入串联输出并联的电源系统，突破ISOP系统中单个变换器模块必须具备闭环反馈，每个变换器模块采用相同的电路拓扑和器件参数的局限条件，使得输入串联输出并联系统设计更加简单，适用条件更宽。
为解决上述技术问题，本发明通过以下技术措施实现：
一种输入串联输出并联的电源系统，其包括N个变换器模块，N为大于或等于2的整数，各变换器模块的输入端串联连接，且各变换器模块的输出端并联连接；每一变换器模块包括输入电容以及变换器，
各个所述变换器模块中的输入电容的正极连接其对应的所述变换器的正输入端，输入电容的负极连接其对应的所述变换器的负输入端；
每一所述变换器设有输入电压检测电路、占空比控制电路以及主功率电路；
所述输入电压检测电路用于通过检测所述输入电容的正极和负极之间的电压获得所述变换器的输入电压；
所述占空比控制电路用于根据所述输入电压，通过控制输出至所述主功率电路的驱动信号的占空比，使得所述主功率电路的输出电压跟随所述变换器的输入电压变化而变化，且所述输出电压与所述输入电压呈正相关关系。
可选地，各所述变换器中的主功率电路的驱动信号的占空比均相同；各所述主功率电路的驱动信号的占空比与所述输入电压的对应关系为：占空比其中k为大于零的常数或为与所述输入电压相关的一个函数，A为所述主功率电路的输出电压，Vin为输入电压。
可选地，各所述变换器中的主功率电路的驱动信号的占空比均相同；各所述主功率电路的驱动信号的占空比与所述输入电压的对应关系为：所述输入电压处于低压段时，所述主功率电路的驱动信号的占空比为某一第一设定值；所述输入电压处于高压段时，所述主功率电路的驱动信号的占空比为某一第二设定值，其中所述第二设定值低于所述第一设定值。
可选地，N个所述变换器模块依序分别为第一变换器模块至第N变换器模块；各变换器模块的输入端串联连接，且各变换器模块的输出端并联连接具体为：
第一变换器模块的正输入端作为所述电源系统的正输入端，第一变换器模块的负输入端与第二变换器模块的正输入端相连，依此类推，第N-1变换器模块的负输入端与第N变换器模块的正输入端相连，所述第一变换器模块至第N个变换器模块的正输出端相连后作为所述电压系统的正输出端，所述第一变换器模块至第N个变换器模块的负输出端相连后作为系统的负输出端。
可选地，所述的输入电容由高压电容组成，或者由低压电容串联组成。
可选地，所述的占空比控制电路为单一的硬件电路或可编程的逻辑电路。
可选地，所述的主功率电路是隔离型或非隔离型电路；各所述主功率电路是同一电路拓扑或不同电路拓扑。
与现有技术相比，本发明一种输入串联输出并联的电源系统具有如下有益效果：
1、电源系统中的单个变换器模块无需具备反馈电路，从而有利于简化电压系统的电路结构，进而降低电源系统的制造成本；
2、电源系统中的每个变换器模块无需采用相同电路拓扑和相同器件型号，如此，有利于拓宽电源系统的发展和应用场合，减少电源系统的设计成本和设计难度；
3、电源系统的输出电压比(输出电压比：输出电压最大值除以输出电压最小值)小于输入电压比(输入电压比：输入电压最大值除以输入电压最小值)，如此，更加利于后级变换器模块的主功率拓扑选择；
4、控制原理简单，拓宽了电源系统的设计范围和应用场合。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明一种输入串联输出并联的电源系统N个变换器模块连接图；
图2为本发明一种输入串联输出并联的电源系统2个变换器模块连接图；
图3为本发明一种输入串联输出并联的电源系统中的第一实施例占空比控制图；
图4为本发明一种输入串联输出并联的电源系统的第二实施例占空比控制图。
具体实施方式
为了使本发明更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。后述的所有实施例均以主功率电路为升降压拓扑，变压器匝比为1的电路参数进行分析，其他拓扑分析和控制方法类似；为了简洁阐述，后述的ISOP系统以图2所示2个变换器模块组成，多模块组成的系统分析和控制方法类似。以上类似的分析过程在本申请书中不再一一赘述。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。
第一实施例
请参考图1，本发明提供一种输入串联输出并联系的电源系统(以下简称为ISOP系统)，N个变换器模块依序分别为第一变换器模块至第N变换器模块；各变换器模块的输入端串联连接，各变换器模块的输出端并联连接，也即：第一变换器模块的正输入端Vin1+作为ISOP系统的正输入端Vin+，第一变换器模块的负输入端Vin1-与第二变换器模块的正输入端Vin2+相连，依此类推，第N-1变换器模块的负输入端与第N变换器模块的正输入端相连，第一变换器模块至第N个变换器模块的正输出端相连后作为ISOP系统的正输出端Vo+，第一变换器模块至第N个变换器模块的负输出端相连后作为ISOP系统的负输出端Vo-。
ISOP系统中的每个变换器模块采用输出电压跟随输入电压变化而变化，并且输出电压和输入电压呈正相关关系，即：当一个变换器模块的输入电压升高时，其输出电压升高；当输入电压降低时，其输出电压降低。且当其中一个变换器模块输入电压增高时，ISOP系统中其它的变换器模块的输入电压和输出电压均会降低。
本发明ISOP系统由于各个变换器模块的输出端为并联关系，输出电压增高的变换器模块输出功率也会增大，其它输出电压降低的变换器模块输出功率会减小，输出功率增大的变换器模块会拉低对应变换器模块的输入电压，输出功率减小的变换器模块会抬升对应变换器模块的输入电压，经过上述控制过程ISOP系统自动形成负反馈系统，最终达到输入电压和输出功率为预设值的平衡状态。
为了更清楚阐述本发明ISOP系统，以下采用2个变换器模块组成的ISOP系统来说明，如图2所示，ISOP系统由模块A(也即为上述第一变换器模块)和模块B(也即为上述第二变换器模块)组成。
模块A包括输入电容Cin1以变换器，其中，变换器设有输入电压检测电路、占空比控制电路和主功率电路。
输入电容Cin1的正极与模块A的正输入端Vin1+连接，输入电容Cin1的负极与模块A的负输入端Vin1-连接；输入电压检测电路的正输入端与模块A的正输入端Vin1+连接，输入电压检测电路的负输入端与模块A的负输入端Vin1-连接，检测输入电压电路用于通过检测输入电容的正极和负极之间的电压获得变换器的输入电压，并将其转换成电压相对减少的电压信号传递到占空比控制电路；占空比控制电路的输入端与输入电压检测电路的输出端连接，占空比控制电路用于根据转换后的输入电压，通过控制输出至所述主功率电路的驱动信号的占空比，使得主功率电路的输出电压跟随变换器的输入电压变化而变化，且输出电压与输入电压呈正相关关系。
模块B包括输入电容Cin2以变换器，输入电容Cin2的正极与变换器的正输入端Vin2+连接，输入电容Cin2的负极与变换器的负输入端Vin2-连接；模块B中的变换器结构与模块A中的变换器结构相同，同样包含输入电压检测电路、占空比控制电路和主功率电路。
假如ISOP系统因为某种扰动，导致模块A的输入电压Va增大，此时，模块B的输入电压Vb则会减小。在模块A中，因为输入电压Va增大，模块A中的输入电压检测电路将检测到表征输入电压Va增加的电压信号，该表征输入电压Va增加的电压信号传递到占空比控制电路后，占空比控制电路会通过调节输送至主功率电路的驱动信号的占空比，使得模块A的输出电压增加，从而使得模块A的输出功率Pa增大。
此时，因为模块A和模块B的输出端并联，当模块A的输出电压增加时，模块A的输出电流Ioa跟着增大，进而导致模块A的输入电流Iin1增大；且在模块B中，由于模块A的输出电压增加时，模块B中的变换器的输入电压会降低，此时，模块B中的输入电压检测电路将检测到输入电压Vb降低的电压信号，该输入电压Vb降低的电压信号传递给占空控制电路后，占空控制电路通过调节输送至主功率电路的驱动信号的占空比，使得模块B的输出电压减小，从而使得模块B的输出功率Pb也减小，也即：模块B的输出电流Iob减小，当模块B的输出电流Iob减小时，会导致模块B中的变换器的输入电流Iin2跟着减小。
而在ISOP系统中，由于各变换器模块的输入端串联连接，因此，模块A中变换器的输入电流Iin1和输入电容Cin1的电流Ic1与模块B中变换器的输入电流Iin2和输入电容Cin2的电流Ic2存在以下关系式：Iin1+Ic1＝Iin2+Ic2，当输入电容Cin1的电流Ic1减小时，输入电容Cin2的电流Ic2会增加，根据电容充放电原理可知，模块A的输入电压Va会降低模块B的输入Vb会增加。通过上述过程，模块A和模块B构成的ISOP系统自动形成反馈状态，输入电压最终稳定在设定值。
以下以模块A为例，对主功率电路的驱动信号的占空比与输入电压的对应关系进行说明。本实施例中，模块B中的主功率电路的驱动信号的占空比与模块A中的主功率电路的驱动信号的占空比相同。
公知的，匝比为1的升降压拓扑的变换器电压增益表达式为在输入电压Vin在300Vdc-1500Vdc范围内时，单个变换器模块A按照图3所示的占空比控制图进行工作。当输入电压Vin在300Vdc-700Vdc的范围内时(即处于低压段时)，每个变换器中的主功率电路的驱动信号的占空比均为0.6，通过主功率电路的升降压转换，输出电压范围为450Vdc-1050Vdc；当输入电压Vin在700Vdc-1500Vdc的范围内时(即处于相对高压段时)，每个变换器中的主功率电路的驱动信号的占空比D均为0.4，通过主功率电路的升降压转换，输出电压范围为467Vdc-1000Vdc。可知输入电压比为5：1(1500：300)的条件下，按照图3控制模式转换后输出电压比为2.3:1(1050：450)，明显的降低了电压比，更加利于后级变换器模块的主功率拓扑选择。
第二实施例
请参考图4，图4为本发明第二实施例中的占空比控制图。本实施例中输入串联输出并联的电源系统中的各变换器模块的连接方式与第一实施例相同，不同之处在于：本实施例中，占空比控制方案不再是单一的分段式控制，而是采用可编程逻辑器件进行实时控制占空比。
假如在输入电压300Vdc-1500Vdc，匝比为1的条件下设计一个输出为700V的闭环升降压拓扑，其占空比与输入电压之间的关系如图4中虚线表示,对应的占空比与输入电压Vin之间的关系为其中A＝Vo＝700，A为输出电压。从函数关系可知，输入电压Vin＝400时，占空比D1取0.636可以使得输出电压保持为700V。但是在添加本实施例的控制方案后，在Vin＝400时，占空比取大于0.636的数值，使得输出电压比700V略大一些，比如根据图4中虚线对应的函数/>算出D2等于0.65，此时Vo＝743V，使得输出电压稍大于闭环稳定系统的输出电压值，使得对应模块的功率增大，然后输入电压Vin被拉低到预设值，确保ISOP系统工作正常。
因此，本实施例的核心为在输入电压Vin升高的条件下，通过可编程逻辑器件将占空比调整到略大于闭环占空比，使得输出电压略高于闭环时的输出电压，单个变换器模块呈现输出电压跟随输入电压Vin正相关变化。占空比其中k＞0，k可以是常数也可以是与输入电压Vin相关的一个函数，且占空比D2满足在Vin2-Vin1＞0时，且D2∈(0,1)，其中，Vin2-Vin1＞0代表输入电压增加，/>代表输出电压升高，也就说，随着输入的升高，输出电压也升高。本实施例中的ISOP系统平衡输入电压原理与实施例一相同，此处不再赘述。
按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明中具体实施电路还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种输入串联输出并联的电源系统，其特征在于：包括N个变换器模块，N为大于或等于2的整数，各变换器模块的输入端串联连接，且各变换器模块的输出端并联连接；每一变换器模块包括输入电容以及变换器，
各个所述变换器模块中的输入电容的正极连接其对应的所述变换器的正输入端，输入电容的负极连接其对应的所述变换器的负输入端；
每一所述变换器设有输入电压检测电路、占空比控制电路以及主功率电路；
所述输入电压检测电路用于通过检测所述输入电容的正极和负极之间的电压获得所述变换器的输入电压；
所述占空比控制电路用于根据所述输入电压，通过控制输出至所述主功率电路的驱动信号的占空比，使得所述主功率电路的输出电压跟随所述变换器的输入电压变化而变化，且所述输出电压与所述输入电压呈正相关关系；
各所述变换器中的主功率电路的驱动信号的占空比均相同；各所述主功率电路的驱动信号的占空比与所述输入电压的对应关系为：占空比其中k为大于零的常数或为与所述输入电压相关的一个函数，A为所述主功率电路的输出电压，Vin为输入电压。
2.根据权利要求1所述输入串联输出并联的电源系统，其特征在于：N个所述变换器模块依序分别为第一变换器模块至第N变换器模块；各变换器模块的输入端串联连接，且各变换器模块的输出端并联连接具体为：
第一变换器模块的正输入端作为所述电源系统的正输入端，第一变换器模块的负输入端与第二变换器模块的正输入端相连，依此类推，第N-1变换器模块的负输入端与第N变换器模块的正输入端相连，所述第一变换器模块至第N个变换器模块的正输出端相连后作为所述电源系统的正输出端，所述第一变换器模块至第N个变换器模块的负输出端相连后作为所述电源系统的负输出端。
3.根据权利要求1所述输入串联输出并联的电源系统，其特征在于：所述的输入电容由高压电容组成，或者由低压电容串联组成。
4.根据权利要求1所述输入串联输出并联的电源系统，其特征在于：所述的占空比控制电路为单一的硬件电路或可编程的逻辑电路。
5.根据权利要求1所述输入串联输出并联的电源系统，其特征在于：所述的主功率电路是隔离型或非隔离型电路；各所述主功率电路是同一电路拓扑或不同电路拓扑。
6.一种输入串联输出并联的电源系统，其特征在于：包括N个变换器模块，N为大于或等于2的整数，各变换器模块的输入端串联连接，且各变换器模块的输出端并联连接；每一变换器模块包括输入电容以及变换器，
各个所述变换器模块中的输入电容的正极连接其对应的所述变换器的正输入端，输入电容的负极连接其对应的所述变换器的负输入端；
每一所述变换器设有输入电压检测电路、占空比控制电路以及主功率电路；
所述输入电压检测电路用于通过检测所述输入电容的正极和负极之间的电压获得所述变换器的输入电压；
所述占空比控制电路用于根据所述输入电压，通过控制输出至所述主功率电路的驱动信号的占空比，使得所述主功率电路的输出电压跟随所述变换器的输入电压变化而变化，且所述输出电压与所述输入电压呈正相关关系；
各所述变换器中的主功率电路的驱动信号的占空比均相同；各所述主功率电路的驱动信号的占空比与所述输入电压的对应关系为：所述输入电压处于低压段时，所述主功率电路的驱动信号的占空比为某一第一设定值；所述输入电压处于高压段时，所述主功率电路的驱动信号的占空比为某一第二设定值，其中所述第二设定值低于所述第一设定值。
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