CN203504177U - 一种含耦合电感的能馈式均流接口电路 - Google Patents

Abstract

一种含耦合电感的能馈式均流接口电路由功率主回路、控制回路、辅助电源3部分组成。所述功率主回路由1个完整通道电路和n-1个简化通道电路组成。所述控制回路由n个电流控制电路和1个均流基准发生器组成。与所述功率主回路匹配，所述电流控制电路j（j=1,...,n）拥有端口vsenj、端口vgj、端口vsj、端口vgaj、端口vcsrefj，所述均流基准发生器拥有端口vsenj和端口vcsref，所述辅助电源拥有端口Vij和端口Gnd。本实用新型采用含耦合电感的辅助电路来收集均流接口电路中的多余能量并将这些多余的能量回馈给负载，不但提高了均流接口电路中多余能量的利用率，而且还实现了复杂并联直流电源系统的效率提升。

Description

一种含耦合电感的能馈式均流接口电路

技术领域

本实用新型涉及一种均流接口电路，应用于由相同或不同规格的直流电源组成的并联系统，尤其是一种含耦合电感的能馈式均流接口电路。

背景技术

并联直流电源系统因其稳定性、可靠性高，容量扩展方便灵活，使用场合不受限制等优点，目前已广泛使用于通信、计算机、电力等领域。复杂的并联直流电源系统由多个相同或不同规格的直流电源组成，通过引入一个均流接口电路可低成本地解决相同或不同规格的直流电源之间的均流问题，使整个系统的可靠性进一步得到增强。现有的均流接口电路大多是能耗式的，即均流接口电路中的多余能量（即输入能量与输出能量的差值）是被完全消耗掉的。而且，组成并联系统的直流电源的输出特性差异越大，均流接口电路中的多余能量就越多，被能耗式均流接口电路浪费掉的能量也就越大。因此，在复杂的并联直流电源系统中能耗式均流接口电路的效率表现不佳。

发明内容

本实用新型的目的是解决能耗式均流接口电路对多余能量的零利用问题，提高整个复杂并联直流电源系统的效率。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种含耦合电感的能馈式均流接口电路由功率主回路、控制回路、辅助电源3部分组成。

所述功率主回路由1个完整的通道电路（即完整通道电路1）和n-1个简化的通道电路（即简化通道电路2至简化通道电路n）组成，其特征在于：完整通道电路1包括输入电容Ci1、电感L1、N-MOS主管S1、N-MOS辅助管Sa1、辅助电容Ca1、耦合电感La1和Lb1、二极管D1、辅助二极管Da1、输出电容Co1，直流电源Vi1的正端与输入电容Ci1的一端以及电感L1的一端相连，电感L1的另一端与二极管D1的阳极以及N-MOS主管S1的漏极相连，二极管D1的阴极与耦合电感La1的一端以及辅助电容Ca1的一端相连，耦合电感La1的另一端与N-MOS辅助管Sa1的漏极相连，N-MOS主管S1的源极与辅助电容Ca1的另一端、N-MOS辅助管Sa1的源极、耦合电感Lb1的一端（与所述耦合电感Laj的另一端是同名端关系）、输出电容Co1的一端、输出电压Vo的正端以及负载R的一端相连，耦合电感Lb1的另一端（与所述耦合电感La1的一端是同名端关系）与辅助二极管Da1的阴极相连，辅助二极管Da1的阳极与直流电源Vi1的负端、输入电容Ci1的另一端、输出电容Co1的另一端、输出电压Vo的负端以及负载R的另一端相连，耦合电感Lb1与辅助二极管Da1的接点和耦合电感La1与二极管D1的接点是同名端关系，

简化通道电路k（k=2,...,n）包括输入电容Cik、电感Lk、N-MOS主管Sk、二极管Dk、输出电容Cok，直流电源Vik的正端与输入电容Cik的一端以及电感Lk的一端相连，电感Lk的另一端与二极管Dk的阳极以及N-MOS主管Sk的漏极相连，二极管Dk的阴极与所述完整通道电路1中的二极管D1的阴极相连，N-MOS主管Sk的源极与输出电容Cok的一端、输出电压Vo的正端以及负载R的一端相连，直流电源Vik的负端与输入电容Cik的另一端、输出电容Cok的另一端、输出电压Vo的负端以及负载R的另一端相连；

所述控制回路由n个电流控制电路（即电流控制电路1至电流控制电路n）和1个均流基准发生器组成，所述电流控制电路j（j=1,...,n）拥有端口vsenj、端口vgj、端口vsj、端口vgaj、端口vcsrefj，所述均流基准发生器拥有端口vsenj和端口vcsref，其特征在于：所述电流控制电路1的端口vsen1接收所述电感L1的电流iL1的检测信号，电流控制电路1的端口vg1与所述N-MOS主管S1的门极相连，电流控制电路1的端口vs1与N-MOS主管S1的源极以及所述N-MOS辅助管Sa1的源极相连，电流控制电路1的端口vga1与N-MOS辅助管Sa1的门极相连，电流控制电路1的端口vcsref1与所述均流基准发生器的端口vcsref相连，电流控制电路k（k=2,...,n）的端口vsenk接收所述电感Lk的电流iLk的检测信号，电流控制电路k的端口vgk与所述N-MOS主管Sk的门极相连，电流控制电路k的端口vsk与N-MOS主管Sk的源极相连，电流控制电路k的端口vgak悬空，电流控制电路k的端口vcsrefk与均流基准发生器的端口vcsref相连，均流基准发生器的端口vsenj（j=1,...，n）接收电感Lj的电流iLj的检测信号；

所述辅助电源能为所述控制回路提供所需的工作电压，拥有端口Vij（j=1,...,n）和端口Gnd，其特征在于：所述辅助电源的端口Vij与直流电源Vij的正端相连，辅助电源的端口Gnd与直流电源Vij的负端相连。

进一步，所述电流控制电路j（j=1,...,n）由电流控制单元和MOS管驱动单元组成，其特征在于：所述电流控制单元能根据电流控制电路j的端口vsenj的信息和端口vcsrefj的信息输出N-MOS主管Sj的开/关驱动指令vgsj以及N-MOS辅助管Saj的开/关驱动指令vgsaj，

所述MOS管驱动单元能把所述N-MOS主管Sj的开/关驱动指令vgsj和N-MOS辅助管Saj的开/关驱动指令vgsaj转换成由所述电流控制电路j的端口vgj、端口vsj和端口vgaj输出的差分驱动信号。

更进一步，所述辅助电源由n个二极管（即二极管Db1至二极管Dbn）和1个单输入多输出的直流-直流变换器组成，其特征在于：所述二极管Db1至二极管Dbn共阴极并与所述单输入多输出的直流-直流变换器的正输入端相连，所述二极管Dbj（j=1,...,n）的阳极与所述辅助电源的端口Vij相连，所述单输入多输出的直流-直流变换器的负输入端与所述辅助电源的端口Gnd相连；

所述均流基准发生器由放大器G1至放大器Gn、多输入的最小值电路、加法器G和参考电压源G组成，其特征在于：所述放大器Gj（j=1,...,n）的输入端与所述均流基准发生器的端口vsenj相连，放大器Gj的输出端与所述多输入的最小值电路的输入端vj相连，多输入的最小值电路的输出端与加法器G的一个输入端相连，参考电压源G的输出端与加法器G的另一个输入端相连，加法器G的输出端与所述均流基准发生器的端口vcsref相连；

所述电流控制电路j（j=1,...,n）的电流控制单元由放大器j、加法器j、锯齿波发生器1j、锯齿波发生器2j、参考电压源j、比较器1j、比较器2j、消抖电路1j和消抖电路2j组成，其特征在于：所述放大器j的输入端与所述电流控制电路j的端口vsenj相连，放大器j的输出端与比较器1j的反相输入端相连，加法器j的一个输入端与所述电流控制电路j的端口vcsrefj相连，加法器j的另一个输入端与锯齿波发生器1j的输出端相连，加法器j的输出端与比较器1j的正相输入端相连，比较器1j的输出端与消抖电路1j的输入端相连，消抖电路1j输出所述N-MOS主管Sj的开/关驱动指令vgsj，比较器2j的正相输入端与锯齿波发生器2j的输出端相连，比较器2j的反相输入端与参考电压源j的输出端相连，比较器2j的输出端与消抖电路2j的输入端相连，消抖电路2j输出所述N-MOS辅助管Saj的开/关驱动指令vgsaj。（消抖电路1j的作用在于消除因干扰等原因造成N-MOS主管Sj的开/关驱动指令vgsj发生抖动的现象、增强系统的稳定性，消抖电路2j的作用在于消除因干扰等原因造成N-MOS辅助管Saj的开/关驱动指令vgsaj发生抖动的现象、增强系统的稳定性。）

本实用新型的技术构思为：通过提高均流接口电路中多余能量的利用率来实现整个并联直流电源系统的效率提升。因此，在现有能耗式均流接口电路的基础上提出含耦合电感的能馈式均流接口电路方案，即采用由辅助电容Ca1、辅助二极管Da1、N-MOS辅助管Sa1、耦合电感La1和Lb1组成的辅助电路来收集均流接口电路中的多余能量并将这些多余的能量回馈给负载。

本实用新型的有益效果主要表现在：在复杂并联直流电源系统中使用含耦合电感的能馈式均流接口电路，系统中相同或不同规格的直流电源可低成本、高效率、高可靠性地实现并联均流。

附图说明

图1是本实用新型实施例的电路图。

图2是本实用新型实施例的电流控制电路j（j=1,...,n）的功能框图。

图3是本实用新型实施例的辅助电源的电路图。

图4是本实用新型实施例的均流基准发生器的电路图。

图5是本实用新型实施例的电流控制电路j（j=1,...,n）的电流控制单元的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

实施例

参考图1、图2、图3、图4和图5，实施例由功率主回路、控制回路、辅助电源3部分组成。

如图1所示，实施例的功率主回路由完整通道电路1和简化通道电路2至简化通道电路n组成。

如图1所示，实施例的完整通道电路1包括输入电容Ci1、电感L1、N-MOS主管S1、N-MOS辅助管Sa1、辅助电容Ca1、耦合电感La1和Lb1、二极管D1、辅助二极管Da1、输出电容Co1，直流电源Vi1的正端与输入电容Ci1的一端以及电感L1的一端相连，电感L1的另一端与二极管D1的阳极以及N-MOS主管S1的漏极相连，二极管D1的阴极与耦合电感La1的一端以及辅助电容Ca1的一端相连，耦合电感La1的另一端与N-MOS辅助管Sa1的漏极相连，N-MOS主管S1的源极与辅助电容Ca1的另一端、N-MOS辅助管Sa1的源极、耦合电感Lb1的一端（与所述耦合电感Laj的另一端是同名端关系）、输出电容Co1的一端、输出电压Vo的正端以及负载R的一端相连，耦合电感Lb1的另一端（与所述耦合电感La1的一端是同名端关系）与辅助二极管Da1的阴极相连，辅助二极管Da1的阳极与直流电源Vi1的负端、输入电容Ci1的另一端、输出电容Co1的另一端、输出电压Vo的负端以及负载R的另一端相连，耦合电感Lb1与辅助二极管Da1的接点和耦合电感La1与二极管D1的接点是同名端关系。

如图1所示，实施例的简化通道电路k（k=2,...,n）包括输入电容Cik、电感Lk、N-MOS主管Sk、二极管Dk、输出电容Cok，直流电源Vik的正端与输入电容Cik的一端以及电感Lk的一端相连，电感Lk的另一端与二极管Dk的阳极以及N-MOS主管Sk的漏极相连，二极管Dk的阴极与实施例的完整通道电路1中的二极管D1的阴极相连，N-MOS主管Sk的源极与输出电容Cok的一端、输出电压Vo的正端以及负载R的一端相连，直流电源Vik的负端与输入电容Cik的另一端、输出电容Cok的另一端、输出电压Vo的负端以及负载R的另一端相连。

如图1所示，实施例的控制回路由电流控制电路1至电流控制电路n和均流基准发生器组成。实施例的电流控制电路j（j=1,...,n）拥有端口vsenj、端口vgj、端口vsj、端口vgaj、端口vcsrefj，实施例的均流基准发生器拥有端口vsenj和端口vcsref。实施例的电流控制电路1的端口vsen1接收电感L1的电流iL1的检测信号，实施例的电流控制电路1的端口vg1与N-MOS主管S1的门极相连，实施例的电流控制电路1的端口vs1与N-MOS主管S1的源极以及N-MOS辅助管Sa1的源极相连，实施例的电流控制电路1的端口vga1与N-MOS辅助管Sa1的门极相连，实施例的电流控制电路1的端口vcsref1与实施例的均流基准发生器的端口vcsref相连，实施例的电流控制电路k（k=2,...,n）的端口vsenk接收电感Lk的电流iLk的检测信号，实施例的电流控制电路k的端口vgk与N-MOS主管Sk的门极相连，实施例的电流控制电路k的端口vsk与N-MOS主管Sk的源极相连，实施例的电流控制电路k的端口vgak悬空，实施例的电流控制电路k的端口vcsrefk与实施例的均流基准发生器的端口vcsref相连，实施例的均流基准发生器的端口vsenj（j=1,...,n）接收电感Lj的电流iLj的检测信号。

如图2所示，实施例的电流控制电路j（j=1,...,n）由电流控制单元和MOS管驱动单元组成。实施例的电流控制单元能根据电流控制电路j的端口vsenj的信息和端口vcsrefj的信息输出N-MOS主管Sj的开/关驱动指令vgsj以及N-MOS辅助管Saj的开/关驱动指令vgsaj。实施例的MOS管驱动单元能把所述N-MOS主管Sj的开/关驱动指令vgsj和N-MOS辅助管Saj的开/关驱动指令vgsaj转换成由电流控制电路j的端口vgj、端口vsj和端口vgaj输出的差分驱动信号。

如图3所示，实施例的辅助电源由二极管Db1至二极管Dbn以及单输入多输出的直流-直流变换器组成，二极管Db1至二极管Dbn共阴极并与单输入多输出的直流-直流变换器的正输入端相连，二极管Dbj（j=1,...，n）的阳极与实施例的辅助电源的端口Vij相连，单输入多输出的直流-直流变换器的负输入端与实施例的辅助电源的端口Gnd相连。

如图4所示，实施例的均流基准发生器由放大器G1至放大器Gn、多输入的最小值电路、加法器G和参考电压源G组成，放大器Gj（j=1,...,n）的输入端与实施例的均流基准发生器的端口vsenj相连，放大器Gj的输出端与多输入的最小值电路的输入端vj相连，多输入的最小值电路的输出端与加法器G的一个输入端相连，参考电压源G的输出端与加法器G的另一个输入端相连，加法器G的输出端与实施例的均流基准发生器的端口vcsref相连。

如图5所示，实施例的电流控制电路j（j=1,...,n）的电流控制单元由放大器j、锯齿波发生器1j、锯齿波发生器2j、加法器j、参考电压源j、比较器1j、比较器2j、消抖电路1j、消抖电路2j组成。放大器j的输入端与实施例的电流控制电路j的端口vsenj相连，放大器j的输出端与比较器1j的反相输入端相连，加法器j的一个输入端与实施例的电流控制电路j的端口vcsrefj相连，加法器j的另一个输入端与锯齿波发生器1j的输出端相连，加法器j的输出端与比较器1j的正相输入端相连，比较器1j的输出端与消抖电路1j的输入端相连，消抖电路1j输出所述N-MOS主管Sj的开/关驱动指令vgsj，锯齿波发生器2j的输出端与比较器2j的正相输入端相连，参考电压源j的输出端与比较器2j的反相输入端相连，比较器2j的输出端与消抖电路2j的输入端相连，消抖电路2j输出所述N-MOS辅助管Saj的开/关驱动指令vgsaj。

实施例的完整通道电路1和简化通道电路k（k=2,...,n）的工作状态由均流基准发生器和电流控制电路j（j=1,...,n）确定。如图4所示，均流基准发生器的输出信号vcsref=MIN{G1×vsen1,...,Gn×vsenn}+VrefG，数值G1至Gn为放大器G1至放大器Gn的放大倍率，数值VrefG为参考电压源G的输出电压值，MIN{}为最小值函数。如图5所示，当Aj×vsenj<vcsrefj+MIN{vser1j}时，通道电路j（即完整通道电路1或简化通道电路k）工作在常通状态，直接地将直流电源Vij的全部能量传送给负载R，数值Aj为放大器j的放大倍率，数值vser1j为锯齿波发生器1j的输出电压值；当vcsrefj+MIN{vser1j}<Aj×vsenj<vcsrefj+MAX{vser1j}时，通道电路j（即完整通道电路1或简化通道电路k）工作在开关状态，除了直接地将直流电源Vij的一部分能量传送给负载R，还通过由辅助电容Ca1、辅助二极管Da1、N-MOS辅助管Sa1、耦合电感La1和Lb1组成的辅助电路间接地将直流电源Vij的另一部分能量也传送给负载R，实现能量回馈的功能，MAX{}为最大值函数。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (5)

1.一种含耦合电感的能馈式均流接口电路，其特征在于：所述含耦合电感的能馈式均流接口电路由功率主回路、控制回路、辅助电源3部分组成， 

所述功率主回路由完整通道电路1和简化通道电路k（k=2,…,n）组成，所述完整通道电路1包括输入电容Ci1、电感L1、N-MOS主管S1、N-MOS辅助管Sa1、辅助电容Ca1、耦合电感La1和Lb1、二极管D1、辅助二极管Da1、输出电容Co1，直流电源Vi1的正端与输入电容Ci1的一端以及电感L1的一端相连，电感L1的另一端与二极管D1的阳极以及N-MOS主管S1的漏极相连，二极管D1的阴极与耦合电感La1的一端以及辅助电容Ca1的一端相连，耦合电感La1的另一端与N-MOS辅助管Sa1的漏极相连，N-MOS主管S1的源极与辅助电容Ca1的另一端、N-MOS辅助管Sa1的源极、耦合电感Lb1的一端、输出电容Co1的一端、输出电压Vo的正端以及负载R的一端相连，所述耦合电感Lb1的一端与所述耦合电感La1的另一端是同名端关系，耦合电感Lb1的另一端与辅助二极管Da1的阴极相连，所述耦合电感Lb1的另一端与所述耦合电感La1的一端是同名端关系，辅助二极管Da1的阳极与直流电源Vi1的负端、输入电容Ci1的另一端、输出电容Co1的另一端、输出电压Vo的负端以及负载R的另一端相连，耦合电感Lb1与辅助二极管Da1的接点和耦合电感La1与二极管D1的接点是同名端关系， 

所述简化通道电路k（k=2,…,n）包括输入电容Cik、电感Lk、N-MOS主管Sk、二极管Dk、输出电容Cok，所述直流电源Vik的正 端与输入电容Cik的一端以及电感Lk的一端相连，电感Lk的另一端与二极管Dk的阳极以及N-MOS主管Sk的漏极相连，二极管Dk的阴极与所述完整通道电路1中的二极管D1的阴极相连，N-MOS主管Sk的源极与输出电容Cok的一端、输出电压Vo的正端以及负载R的一端相连，直流电源Vik的负端与输入电容Cik的另一端、输出电容Cok的另一端、输出电压Vo的负端以及负载R的另一端相连， 

所述控制回路由电流控制电路1至电流控制电路n和均流基准发生器组成，所述电流控制电路j（j=1,…,n）拥有端口vsenj、端口vgj、端口vsj、端口vgaj、端口vcsrefj，所述均流基准发生器拥有端口vsenj和端口vcsref， 

所述电流控制电路1的端口vsen1接收所述电感L1的电流iL1的检测信号，电流控制电路1的端口vg1与所述N-MOS主管S1的门极相连，电流控制电路1的端口vs1与N-MOS主管S1的源极以及所述N-MOS辅助管Sa1的源极相连，电流控制电路1的端口vga1与N-MOS辅助管Sa1的门极相连，电流控制电路1的端口vcsref1与所述均流基准发生器的端口vcsref相连，所述均流基准发生器的端口vsen1接收所述电感L1的电流iL1的检测信号， 

所述简化通道电路k（k=2,…,n）与所述电流控制电路k相连，所述电流控制电路k的端口vsenk接收所述电感Lk的电流iLk的检测信号，所述电流控制电路k的端口vgk与所述N-MOS主管Sk的门极相连，所述电流控制电路k的端口vsk与所述N-MOS主管Sk的源极相连，所述电流控制电路k的端口vgak悬空，所述电流控制电路k的端口vcsrefk与所述均流基准发生器的端口vcsref相连，所述均流基 准发生器的端口vsenk接收所述电感Lk的电流iLk的检测信号， 

所述辅助电源能为所述控制回路提供所需的工作电压，拥有端口Vij（j=1,…,n）和端口Gnd，所述辅助电源的端口Vij与所述直流电源Vij的正端相连，所述辅助电源的端口Gnd与所述直流电源Vij的负端相连。 

2.如权利要求1所述的含耦合电感的能馈式均流接口电路，其特征在于：所述电流控制电路j（j=1,…,n）由电流控制单元和MOS管驱动单元组成， 

所述电流控制单元能根据电流控制电路j的端口vsenj的信息和端口vcsrefj的信息输出所述N-MOS主管Sj的开/关驱动指令vgsj以及所述N-MOS辅助管Saj的开/关驱动指令vgsaj， 

所述MOS管驱动单元能把所述N-MOS主管Sj的开/关驱动指令vgsj和所述N-MOS辅助管Saj的开/关驱动指令vgsaj转换成由所述电流控制电路j的端口vgj、端口vsj和端口vgaj输出的差分驱动信号。 

3.如权利要求2所述的含耦合电感的能馈式均流接口电路，其特征在于：所述电流控制电路j（j=1,…,n）的电流控制单元由放大器j、加法器j、锯齿波发生器1j、锯齿波发生器2j、参考电压源j、比较器1j、比较器2j、消抖电路1j和消抖电路2j组成，所述放大器j的输入端与所述电流控制电路j的端口vsenj相连，放大器j的输出端与比较器1j的反相输入端相连，加法器j的一个输入端与所述电流控制电路j的端口vcsrefj相连，加法器j的另一个输入端与锯齿波发生器1j的输出端相连，加法器j的输出端与比较器1j的正相输入端相连，比较器1j的输出端与消抖电路1j的输入端相连，消抖电路1j输出所述N-MOS 主管Sj的开/关驱动指令vgsj，比较器2j的正相输入端与锯齿波发生器2j的输出端相连，比较器2j的反相输入端与参考电压源j的输出端相连，比较器2j的输出端与消抖电路2j的输入端相连，消抖电路2j输出所述N-MOS辅助管Saj的开/关驱动指令vgsaj。 

4.如权利要求1、2和3之一所述的含耦合电感的能馈式均流接口电路，其特征在于：所述辅助电源由二极管Db1至二极管Dbn和单输入多输出的直流-直流变换器组成，所述二极管Db1至二极管Dbn共阴极并与所述单输入多输出的直流-直流变换器的正输入端相连，所述二极管Dbj（j=1,…,n）的阳极与所述辅助电源的端口Vij相连，所述单输入多输出的直流-直流变换器的负输入端与所述辅助电源的端口Gnd相连。 

5.如权利要求1所述的含耦合电感的能馈式均流接口电路，其特征在于：所述均流基准发生器由放大器G1至放大器Gn、多输入的最小值电路、加法器G和参考电压源G组成，所述放大器Gj（j=1,…,n）的输入端与所述均流基准发生器的端口vsenj相连，放大器Gj的输出端与所述多输入的最小值电路的输入端vj相连，多输入的最小值电路的输出端与加法器G的一个输入端相连，参考电压源G的输出端与加法器G的另一个输入端相连，加法器G的输出端与所述均流基准发生器的端口vcsref相连。 

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