RU2746221C2 - Fault-tolerant power supply system with flexible parameter settings - Google Patents

Fault-tolerant power supply system with flexible parameter settings Download PDF

Info

Publication number
RU2746221C2
RU2746221C2 RU2020127684A RU2020127684A RU2746221C2 RU 2746221 C2 RU2746221 C2 RU 2746221C2 RU 2020127684 A RU2020127684 A RU 2020127684A RU 2020127684 A RU2020127684 A RU 2020127684A RU 2746221 C2 RU2746221 C2 RU 2746221C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cells
power
output
input
voltage
Prior art date
Application number
RU2020127684A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2020127684A (en
RU2020127684A3 (en
Inventor
Андрей Викторович Федоров
Евгений Александрович Орел
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Вектор" (АО "НИИ "Вектор")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Вектор" (АО "НИИ "Вектор") filed Critical Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Вектор" (АО "НИИ "Вектор")
Priority to RU2020127684A priority Critical patent/RU2746221C2/en
Publication of RU2020127684A publication Critical patent/RU2020127684A/en
Publication of RU2020127684A3 publication Critical patent/RU2020127684A3/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2746221C2 publication Critical patent/RU2746221C2/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/14Balancing the load in a network

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Direct Current Feeding And Distribution (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering, in particular to DC-DC voltage converters with stabilized output voltage and parallel architecture. The system consists of N cells of the same type connected in parallel, which are a series-connected input switch, a power module (MP) and an output switch. In this case, the input and output switches of the cells contain a power transistor switch, a current protection circuit, a control circuit with a feedback loop and are powered by separate low-power DC voltage converters.
EFFECT: increased reliability of power supply while maintaining the output power of the source, ability to flexibly change the structure of connecting consumers and the parameters of the functioning of the cells, uniformity of power distribution between the cells in different operating modes.
1 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям напряжения постоянного тока (DC-DC) с параллельной архитектурой, представляет собой систему электропитания из нескольких параллельно работающих на общую динамически изменяемую нагрузку (или несколько нагрузок) ячеек и может быть использовано для бесперебойного обеспечения потребителей стабилизированным напряжением. Повышенная надежность, свойство самовосстановления после коротких замыканий в ячейках, гибко настраиваемые структура подключений и возможность задания параметров режима работы позволяют использовать систему в объектах космического, военного и промышленного назначения.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to DC-DC voltage converters with a parallel architecture, is a power supply system of several cells operating in parallel for a common dynamically changing load (or several loads) cells and can be used to uninterruptedly provide consumers with stabilized tension. The increased reliability, the property of self-recovery after short circuits in the cells, the flexibly configurable structure of connections and the ability to set the operating mode parameters allow the system to be used in space, military and industrial facilities.

В качестве прототипа взята Интеллектуальная система преобразования напряжения постоянного тока для динамически изменяющейся нагрузки [1. Патент RU 2692089, патентообладатель Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации (RU), опубл. 21.06.2019, бюл. № 18], имеющая резервированную параллельную архитектуру и обладающая широкими функциональными возможностями: стабилизация выходного напряжения, равномерное распределение нагрузки между параллельно включенными преобразователями, защита от перегрузок, токов коротких замыканий, перегрева и возгорания, локальное и дистанционное управление. Модули преобразователей напряжения оснащаются коммутационными аппаратами на входе и выходе, отключаемыми системой управления по сигналам защит от токов перегрузки, короткого замыкания и перегрева.As a prototype, an Intelligent DC voltage conversion system for a dynamically changing load was taken [1. Patent RU 2692089, patented by the Russian Federation, on behalf of which the Ministry of Defense of the Russian Federation (RU), publ. 06/21/2019, bul. No. 18], which has a redundant parallel architecture and has wide functionality: stabilization of the output voltage, uniform load distribution between parallel-connected converters, protection against overloads, short-circuit currents, overheating and fire, local and remote control. Modules of voltage converters are equipped with switching devices at the input and output, which are switched off by the control system according to protection signals against overload, short circuit and overheating currents.

Недостатком данной системы является наличие распределительных диодов, применяемых для выравнивания токов преобразователей и защиты внешних элементов от короткого замыкания в отдельном модуле. Данный подход приводит к дополнительным потерям мощности в виде тепла на распределительных диодах [2. Application note 3, rev. A. Parallel operation of DC power modules, Wall Industries, inc. 2016, 3. Патент RU 2525232, патентообладатели Гончаров А. Ю. (CZ), Гончаров М. Ю. (RU), опубл. 27.10.2013, бюл. № 30] и ухудшает КПД преобразования. Другим недостатком системы является возможная уязвимость в момент запуска, когда по причине заряда ёмкостных накопителей преобразователей может возникнуть значительный пусковой ток, создающий электромагнитные помехи в прилегающих схемах и способный приводить в действие цепи защиты. С целью его уменьшения применяемые в рамках данной системы модули должны обладать соответствующими инженерными решениями как, например, в преобразователе напряжения [4. Патент RU 99254, патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) (RU), опубл. 10.11.2010], где введенная в схему управления цепь плавного запуска ШИМ-контроллера с конденсатором разряда обеспечивает минимальную длительность импульсов управления силовыми ключами в момент запуска устройства, или в преобразователе [5. Патент RU 2396684, патентообладатель Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" (RU), опубл. 10.08.2010], где во входную цепь преобразователя добавлен электронный ограничитель тока, открытие силового ключа которого происходит с задержкой, задаваемой внутренней RC-цепочкой ограничителя; либо оснащаться дополнительными устройствами ограничения тока, такими как [6. Патент RU 182804, патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Александер Электрик источники электропитания" (RU), опубл. 04.09.2018], где напряжение с резистивного датчика тока определяет степень открытия ключа в силовой цепи схемы, или [7. Патент RU 144731, патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "АЕДОН" (RU), опубл. 27.08.2014], где мощность пускового тока расходуется на тепловыделение в резисторе входной цепи. Дополнительные требования к модулям питания по ограничению пускового тока снижают их универсальность и взаимозаменяемость. Третьим недостатком системы является дискретность рабочих состояний модулей (работает/отключен), обеспечиваемая коммутационными аппаратами системы. Данный подход сужает возможности самовосстановления системы. Внезапное возникновении дестабилизирующего фактора (например, короткого замыкания) приводит к срабатыванию защитных цепей и размыканию соответствующего коммутационного аппарата неисправного модуля, однако при исчезновении данного фактора самостоятельного гарантированно безопасного возобновления работы модуля не предусмотрено. Замыкание коммутационного аппарата и введение модуля обратно в работу происходит без уверенности в возобновлении его работоспособности, гарантировать которую может лишь полная его замена.The disadvantage of this system is the presence of distribution diodes used to equalize the currents of converters and protect external elements from short circuits in a separate module. This approach leads to additional power losses in the form of heat on distribution diodes [2. Application note 3, rev. A. Parallel operation of DC power modules, Wall Industries, inc. 2016, 3. Patent RU 2525232, patent holders A. Yu. Goncharov (CZ), M. Yu. Goncharov (RU), publ. 27.10.2013, bul. No. 30] and worsens the conversion efficiency. Another disadvantage of the system is possible vulnerability at the time of start-up, when, due to the charge of the capacitive storage of the converters, a significant inrush current can occur, which creates electromagnetic interference in the adjacent circuits and is capable of activating the protection circuits. In order to reduce it, the modules used within this system must have appropriate engineering solutions, such as in a voltage converter [4. Patent RU 99254, patent holder State educational institution of higher professional education Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseeva (NSTU) (RU), publ. 10.11.2010], where the PWM controller smooth start-up circuit with a discharge capacitor introduced into the control circuit provides the minimum duration of the power switch control pulses at the moment of device start-up, or in the converter [5. Patent RU 2396684, patent holder Open Joint Stock Company Russian Institute of Radio Navigation and Time (RU), publ. 08/10/2010], where an electronic current limiter is added to the input circuit of the converter, the opening of the power switch of which occurs with a delay set by the internal RC circuit of the limiter; or be equipped with additional current limiting devices, such as [6. Patent RU 182804, patentee of the Limited Liability Company "Alexander Electric Power Sources" (RU), publ. 09/04/2018], where the voltage from the resistive current sensor determines the degree of key opening in the power circuit of the circuit, or [7. Patent RU 144731, patentee Limited Liability Company "AEDON" (RU), publ. 08/27/2014], where the starting current power is spent on heat dissipation in the input circuit resistor. Additional inrush current limiting power supply requirements reduce their versatility and interchangeability. The third disadvantage of the system is the discreteness of the operating states of the modules (running / disconnected), provided by the switching devices of the system. This approach narrows the system's self-healing capabilities. A sudden occurrence of a destabilizing factor (for example, a short circuit) leads to the operation of protective circuits and the opening of the corresponding switching device of the faulty module, however, when this factor disappears, an independent guaranteed safe resumption of the module's operation is not provided. Closing the switching device and putting the module back into operation occurs without confidence in the resumption of its operability, which can only be guaranteed by its complete replacement.

В предлагаемом изобретении вводятся дополнительные требования для входных и выходных ключей («коммутационных аппаратов» в прототипе), а в качестве «силовой части модулей преобразователя» из устройства-прототипа допускается использовать готовые покупные серийно выпускаемые модули питания с гальванической развязкой между входом и выходом наподобие [8. Справочные материалы «DC/DC преобразователи серии МИРАЖ МДМ7,5-П, МДМ10-П», Группа компаний Александер Электрик, 2011 г.], либо модули собственного производства. Основная идея изобретения – повышение качества работы системы электропитания введением дополнительных свойств ключей и совершенствованием принципа группировки и настройки ячеек при одновременном снижении требований к модулям питания, сохранении архитектуры всей системы и минимизации числа используемых в ней элементов. С помощью ключей можно отдельно настраивать токовые защиты, выполнять защиту от превышения входного напряжения МП и регулировку его выходного напряжения, диагностировать состояние отдельных частей системы, обеспечивать защиту от перегрева, группировать ячейки, изменять структуру подключений МП и потребителей, аварийно отключать «сгоревшие» модули и часть нагрузок, ограничивать ток заряда ёмкостных накопителей и, таким образом, уйти от необходимости учитывать величину их ёмкости для нормального функционирования системы. С помощью ключей можно реализовать двойную токовую защиту (фиг. 3), отличительным свойством которой являются два разных режима ограничения тока: штатный режим с защитой от превышения заданного уровня срабатывания по току и ограниченный режим со значительно уменьшенным неизменным током, переход к которому осуществляется в момент запуска системы электропитания, либо при длительном срабатывании защиты от превышения заданного уровня тока. Такое свойство позволяет преодолеть проблему ограничения пускового тока и одновременно реализовать принцип самовосстановления системы после неисправностей работы части её ячеек, который, помимо дублирования ячеек и работе с запасом по мощности, заключается в самостоятельном, не связанном с остальными узлами и блоками устройства, переходе неисправных ячеек с коротким замыканием в ограниченный режим работы с крайне низким энергопотреблением и таким же самостоятельным восстановлением штатного режима их работы в случае сохранности элементов схемы сразу же после исчезновения дестабилизирующих факторов. Недостаток такой системы защиты – более длительное время срабатывания, прежде чем значение тока уменьшится до уровня режима ограничения, однако по сравнению с другими видами [9. Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование. Пер с англ. – К. «МК-Пресс», 2007, с. 101–102, 10. Datasheet «TPS2475x 12-A eFuse Circuit Protector with Current Monitor TPS24750, TPS24751», Texas Instruments Inc. – October 2013, revised December 2018] защит (пунктирная линия на фиг. 3) такая постановка вопроса к работе защиты выгодно отличается своим энергопотреблением. The proposed invention introduces additional requirements for input and output keys ("switching devices" in the prototype), and as a "power part of the converter modules" from the prototype device, it is allowed to use ready-made commercially available power modules with galvanic isolation between the input and output like [ eight. Reference materials "DC / DC converters of the MIRAGE series MDM7,5-P, MDM10-P", Alexander Electric Group of Companies, 2011], or modules of our own production. The main idea of the invention is to improve the quality of the power supply system by introducing additional properties of keys and improving the principle of grouping and configuring cells while reducing the requirements for power modules, preserving the architecture of the entire system and minimizing the number of elements used in it. Using the keys, you can separately configure current protections, perform protection against exceeding the input voltage of the MP and adjust its output voltage, diagnose the state of individual parts of the system, provide protection against overheating, group cells, change the structure of connections of the MP and consumers, emergency shutdown of "burnt out" modules and part of the loads, to limit the charging current of capacitive storage devices and, thus, to avoid the need to take into account the value of their capacity for the normal functioning of the system. With the help of switches, it is possible to realize double current protection (Fig. 3), the distinguishing feature of which are two different modes of current limitation: standard mode with protection against exceeding a predetermined current operation level and a limited mode with a significantly reduced constant current, the transition to which is carried out at the moment starting the power supply system, or with prolonged operation of the protection against exceeding the set current level. This property allows you to overcome the problem of limiting the inrush current and at the same time implement the principle of self-healing of the system after malfunctions of part of its cells, which, in addition to duplicating cells and working with a power reserve, consists in an independent transition of faulty cells from short circuit in a limited mode of operation with extremely low power consumption and the same independent restoration of the normal mode of their operation in the case of the safety of the circuit elements immediately after the disappearance of the destabilizing factors. The disadvantage of such a protection system is a longer response time before the current value decreases to the level of the limiting mode, however, in comparison with other types [9. Brown M. Power Sources. Calculation and design. Per from English. - K. "MK-Press", 2007, p. 101-102, 10. Datasheet "TPS2475x 12-A eFuse Circuit Protector with Current Monitor TPS24750, TPS24751", Texas Instruments Inc. - October 2013, revised December 2018] protection (dashed line in Fig. 3) such a statement of the question to the operation of protection compares favorably with its energy consumption.

Последовательно соединенные входной ключ, модуль питания и выходной ключ составляют одну ячейку преобразования. Параллельно работающие ячейки образуют единый самовосстанавливающийся модуль питания (СМП), который при неисправности отдельных ячеек будет продолжать функционировать в штатном режиме. При этом параметры данного режима работы можно настроить в зависимости от нужд потребителей. Для реализации заявленных целей в СМП применяется трехуровневая система управления, что в совокупности с вышеперечисленными качествами позволяет системе электропитания обеспечить условия адаптивности, надежности и саморегулирования.The serially connected input switch, power supply module and output switch make up one conversion cell. Cells operating in parallel form a single self-healing power module (SMP), which will continue to function normally in the event of failure of individual cells. At the same time, the parameters of this operating mode can be adjusted depending on the needs of consumers. To achieve the stated goals in the NSR, a three-level control system is used, which, together with the above qualities, allows the power supply system to provide conditions for adaptability, reliability and self-regulation.

При достаточном уровне микроминиатюризации всю систему (СМП) можно разместить в одном корпусе, что позволит избежать перегрева отдельных частей СМП за счет равномерного отвода тепла от основания конструкции.With a sufficient level of microminiaturization, the entire system (MPS) can be placed in one housing, which will avoid overheating of individual parts of the MPS due to uniform heat removal from the base of the structure.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности электропитания с сохранением выходной мощности источника, возможностью гибкого изменения структуры подключения потребителей и параметров функционирования ячеек (выходного напряжения и уровней срабатывания схем защит), равномерностью распределения мощности между ячейками в различных режимах работы.The technical result of the proposed invention is to improve the reliability of power supply while maintaining the output power of the source, the ability to flexibly change the structure of connecting consumers and the parameters of the cells functioning (output voltage and levels of operation of protection circuits), uniformity of power distribution between cells in different modes of operation.

Для достижения этого результата предлагаемый источник питания (СМП) 27 состоит из N включенных параллельно ячеек 28, часть из которых подключена к нагрузкам 31, 32, другая остается в резерве, и системы управления 24…26, связанных между собой каналами управления 1…18. Среди штатно работающих ячеек равномерно распределяется мощность, причем для повышения надёжности источник функционирует на половине предельной мощности, которая может быть передана в нагрузку. При работе на одну нагрузку все включенные ячейки работают параллельно с одинаковым уровнем выходного напряжения, а выбор их количества задается мощностью потребителя, при работе на несколько нагрузок ячейки могут быть произвольным образом сгруппированы. Выходные напряжения для различных потребителей могут отличаться. Мощность каждого канала потребителя определяется параллельным соединением ячеек. Задание уровней выходных напряжений ячеек осуществляется использованием соответствующих модулей питания 20 в их составе (жёстко обеспечивающих требуемый уровень выходного напряжения, либо поддерживающих функцию переключения между уровнями) и настройкой системы управления 24…26.To achieve this result, the proposed power supply (SMP) 27 consists of N cells 28 connected in parallel, some of which are connected to loads 31, 32, the other remains in reserve, and control systems 24 ... 26, interconnected by control channels 1 ... 18. Power is evenly distributed among the normally operating cells, and to increase reliability, the source operates at half of the maximum power that can be transferred to the load. When operating on one load, all switched on cells operate in parallel with the same output voltage level, and the choice of their number is set by the power of the consumer; when operating on several loads, the cells can be arbitrarily grouped. The output voltages for different consumers may differ. The power of each consumer channel is determined by the parallel connection of the cells. The setting of the levels of output voltages of the cells is carried out using the corresponding power modules 20 in their composition (rigidly providing the required output voltage level, or supporting the function of switching between levels) and setting the control system 24 ... 26.

Для улучшения отказоустойчивости системы и оптимизации структуры питания потребителей предусмотрена возможность введения в СМП дополнительных ячеек для получения структуры N = M(1 + n1), где M – число работающих ячеек, n1 ϵ (0…1] – коэффициент дублирования ячеек.To improve the fault tolerance of the system and optimize the power structure of consumers, it is possible to introduce additional cells into the SMP to obtain the structure N = M (1 + n 1 ), where M is the number of operating cells, n 1 ϵ (0 ... 1] is the cell duplication factor.

Каждая из ячеек содержит входной ключ 19, модуль питания 20 и выходной ключ 21. Введение дополнительных ключей, структурная схема которых приведена на фиг. 2 и объединяет в себе транзисторный коммутатор 32, 36, токовую защиту 33, 37, контур обратной связи 35, 39 и систему управления 34, 38, позволяет увеличить надежность системы и расширить ее общие функциональные возможности. С помощью ключей решаются следующие задачи:Each of the cells contains an input switch 19, a power module 20 and an output switch 21. The introduction of additional switches, a structural diagram of which is shown in FIG. 2 and combines a transistor switch 32, 36, overcurrent protection 33, 37, feedback loop 35, 39 and control system 34, 38, allows to increase the reliability of the system and expand its overall functionality. Using keys, the following tasks are solved:

– переключение (включение/выключение ключей);- switching (turning on / off keys);

– двойная токовая защита: - double current protection:

1) от короткого замыкания и превышения выставленного уровня срабатывания по току;1) from short circuit and exceeding the set level of current operation;

2) по ограничению тока при запуске СМП, а также при длительном срабатывании защиты от короткого замыкания и превышения тока;2) by limiting the current when starting the SMP, as well as with long-term operation of protection against short circuit and overcurrent;

– защита от превышения входного напряжения (регулировка выходного напряжения МП с помощью выходного ключа);- protection against exceeding the input voltage (adjusting the output voltage of the MP using the output key);

– диагностика состояния отдельных частей системы;- diagnostics of the state of individual parts of the system;

– защита от перегрева.- overheat protection.

В качестве МП ячейки допускается использовать готовые покупные серийно выпускаемые модули питания с гальванической развязкой между входом и выходом. При этом необходимо учитывать их жестко заданные параметры выходного напряжения и выходного тока, максимальную мощность, конструкцию, тепловую защиту, диапазон регулирования выходного напряжения. Заслуживает внимания вопрос возникновения биения частот в связи с несовпадением частоты преобразования модулей. Также необходимо учитывать токовые защиты модуля. При неполной загрузке модуля по мощности ограничение тока в системе будет осуществляться на уровне выставленной защиты входного или выходного ключа. It is allowed to use ready-made commercially available commercially available power modules with galvanic isolation between the input and output as an MP cell. In this case, it is necessary to take into account their rigidly specified parameters of the output voltage and output current, maximum power, design, thermal protection, and the range of output voltage regulation. Noteworthy is the issue of frequency beating due to the mismatch of the conversion frequency of the modules. It is also necessary to take into account the current protection of the module. If the module is not fully loaded in terms of power, the current in the system will be limited at the level of the set protection of the input or output switch.

В штатном режиме работы СМП в каждом модуле питания ячеек предусмотрен запас по мощности, что дает возможность её перераспределения и перегруппировку подключений отдельных ячеек с целью обеспечить аварийное исключение неисправных.In the normal mode of operation of the SMP, each power supply module of the cells provides a power reserve, which makes it possible to redistribute it and regroup the connections of individual cells in order to ensure the emergency exclusion of faulty ones.

Выравнивание мощности по ячейкам СМП осуществляется изменением времени открытого состояния силовых транзисторов МП ячейки, которое регулируется в зависимости от мощности, приходящейся на одну ячейку.Power equalization in the cells of the SMP is carried out by changing the time of the open state of the power transistors of the MP cell, which is regulated depending on the power per cell.

Для реализации предлагаемых нововведений система управления СМП подразумевает три уровня иерархии (фиг. 1):To implement the proposed innovations, the NSR management system implies three levels of hierarchy (Fig. 1):

– внутренний контур управления (В) 24;- internal control loop (B) 24;

– аппаратное управления (А) 25;- hardware control (A) 25;

– внешняя регулировка (Р) 26.- external adjustment (P) 26.

Иерархический принцип ВАР обеспечивает самодостаточную и автономную работу каждого нижестоящего уровня организации СМП по отношению к вышестоящему, позволяя решать на каждом следующем уровне всё более сложные и комплексные задачи управления. Так, внутренний контур управления реализуется внутри каждой отдельно взятой ячейки и затрагивает вопрос её саморегулирования вне зависимости от остальных ячеек и блоков. Аппаратный уровень призван добиться высокоэффективной и безопасной совместной работы ячеек с тем, чтобы гарантировать потребителям бесперебойное питания с заданными для них требованиями. Внешняя регулировка осуществляется внешними по отношению к СМП средствами управления, либо вручную регулировкой параметров подстроечных элементов в цепях схем управления и соединением между собой силовых внешних выводов ячеек, предназначенных для подключения нагрузки (см. фиг. 7), и решает задачу настройки режима работы устройства в целом: определяет структуру подключения потребителей и задает параметры питания каждого из них.The hierarchical principle of VAR ensures the self-sufficient and autonomous operation of each lower level of the NSR organization in relation to the higher one, allowing to solve at each next level more and more complex and complex management tasks. So, the internal control loop is implemented inside each individual cell and affects the issue of its self-regulation, regardless of the rest of the cells and blocks. The hardware layer is designed to achieve highly efficient and secure interoperability of cells in order to guarantee consumers the uninterruptible power supply that is specified for them. External adjustment is carried out by means of control external to the SMP, or by manually adjusting the parameters of the trimming elements in the control circuits and interconnecting the power external terminals of the cells intended for connecting the load (see Fig. 7), and solves the problem of setting the operating mode of the device in in general: it defines the structure of connecting consumers and sets the power parameters for each of them.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемой системы электропитания. Она содержит:FIG. 1 shows a block diagram of the proposed power supply system. It contains:

1…18 – каналы управления СМП.1 ... 18 - control channels of the NSR.

19 – входной ключ, предназначенный для коммутации входного напряжения, а также выполняющий дополнительные функции токовой защиты, термозащиты, ограничения входного напряжения и диагностики состояния свой ячейки;19 - input switch intended for switching the input voltage, as well as performing additional functions of current protection, thermal protection, limiting the input voltage and diagnosing the state of its cell;

20 – модуль питания, служащий для организации преобразования постоянного входного напряжения в постоянное стабилизированное гальванически развязанное выходное напряжение и обеспечивающий необходимые защиты для своей работоспособности;20 - power module, used to organize the conversion of constant input voltage into constant stabilized galvanically isolated output voltage and providing the necessary protection for its performance;

21 – выходной ключ, предназначенный для коммутации выходного напряжения, поступающего с МП, а также выполняющий дополнительные функции токовой защиты, термозащиты, регулировки выходного напряжения и диагностики состояния своей ячейки;21 - an output switch intended for switching the output voltage coming from the MP, and also performing additional functions of current protection, thermal protection, adjusting the output voltage and diagnosing the state of its cell;

22 – дополнительный источник DC-DC, обеспечивающий питание входных ключей;22 - additional DC-DC source that supplies power to the input keys;

23 – дополнительный источник DC-DC, обеспечивающий питание выходных ключей;23 - additional DC-DC source that supplies power to the output switches;

24 – внутренний контур управления, образующий первый уровень иерархии системы управления;24 - internal control loop, forming the first level of the control system hierarchy;

25 – аппаратное управление, образующее второй уровень иерархии системы управления;25 - hardware control, forming the second level of the control system hierarchy;

26 – внешняя регулировка, образующая третий уровень иерархии системы управления (осуществляется необходимым вмешательством, возможна как с помощью оператора, так и внешними аппаратными средствами);26 - external adjustment, which forms the third level of the hierarchy of the control system (carried out by the necessary intervention, possible both with the help of the operator and with external hardware);

27 – самовосстанавливающийся модуль питания, обеспечивающий электропитание одного или нескольких потребителей;27 - self-healing power supply module providing power supply to one or more consumers;

28 – отдельная ячейка в составе СМП;28 - a separate cell in the NSR;

29 – термозащита; в системе СМП должно быть несколько термозащит, которые обеспечивают выключение части ячеек при перегреве. Желательно использовать свою термозащиту на каждую ячейку, что может быть достигнуто при высокой степени микроминиатюризации.29 - thermal protection; in the SMP system there should be several thermal protections that ensure the shutdown of some of the cells in case of overheating. It is desirable to use its own thermal protection for each cell, which can be achieved with a high degree of microminiaturization.

30 – первичный источник постоянного тока;30 - primary source of direct current;

31 – потребитель, 31 - consumer,

А – провод питания для входного ключа, питаемого от маломощного источника питания,A - power wire for the input key, powered by a low-power power supply,

Б – провод питания для выходного ключа, питаемого от маломощного источника питания.B - power wire for the output switch powered from a low-power power source.

На фиг. 2 приведена структурная схема одной ячейки в составе СМП. Нумерация элементов структуры согласована с нумерацией на фиг. 1 и продолжает её. Структура ячейки содержит (повторяющиеся из рис. 1 элементы не приведены):FIG. 2 shows a block diagram of one cell in the structure of the SMP. The numbering of the structure elements is consistent with the numbering in FIG. 1 and continues. The structure of the cell contains (elements repeated from Fig. 1 are not shown):

1 – транзисторный коммутатор входного ключа, представленный силовым элементом;1 - transistor switch of the input switch, represented by a power element;

2 – токовая защита входного ключа;2 - current protection of the input key;

3 – система управления входного ключа;3 - input key control system;

4 – обратная связь входного ключа;4 - input key feedback;

5 – транзисторный коммутатор выходного ключа, представленный силовым элементом;5 - transistor switch of the output switch, represented by a power element;

6 – токовая защита выходного ключа;6 - current protection of the output switch;

7 – схема управления выходного ключа;7 - control circuit of the output key;

1 –обратная связь выходного ключа;1 - feedback of the output key;

ДУ – сигналы дистанционного управления, задаваемые внешними по отношению к ячейке устройствами управления;DU - remote control signals set by control devices external to the cell;

ИП – маломощный источник питания для входных (выходных) ключей.IP - low-power power supply for input (output) switches.

МП – модуль питания;MP - power module;

ОС – сигнал обратной связи;OS - feedback signal;

ОСН – обратная связь ячейки СМП для компенсации потерь на выходном ключе, обеспечивающая стабильное выходное напряжение модуля;OSN - feedback of the SMP cell to compensate for losses at the output switch, providing a stable output voltage of the module;

«рег.» – сигнал, осуществляющий регулировку выходного напряжения МП при изменении выходных нагрузок;"Reg." - a signal that regulates the output voltage of the MP when changing the output loads;

СИ – сигналы информирования о состоянии ключей и МП (сигналы диагностики); SI - signals of informing about the state of keys and MP (diagnostic signals);

k – число подключенных к СМП потребителей.k is the number of consumers connected to the NSR.

На фиг. 3 показана вольт-амперная характеристика токовой защиты, реализуемой входными и выходными ключами ячеек СМП во входной цепи (с напряжением Uвх МП) и цепи нагрузки (с напряжением UН), соответственно.FIG. 3 shows the current-voltage characteristic of the current protection implemented by the input and output switches of the SMP cells in the input circuit (with voltage U in MP ) and the load circuit (with voltage U H ), respectively.

На фиг. 4 показана условная схема подключения входного (выходного) ключа к МП.FIG. 4 shows a schematic diagram of the connection of the input (output) key to the MP.

На фиг. 5 показан принцип ограничения пускового тока входным и выходным ключами ячейки. Используемые обозначения:FIG. 5 shows the principle of limiting the inrush current by the input and output switches of the cell. Used notation:

Iexp –пусковой ток, характерный для нарастающего по экспоненциальному закону напряжения;I exp is the starting current characteristic of the exponentially increasing voltage;

Iогр – ток, соответствующий работе токовой защиты, реализуемой входным и выходным ключами, в режиме ограничения; I limit - the current corresponding to the current protection operation, implemented by the input and output switches, in the limitation mode;

IЗ – ток, соответствующий работе токовой защиты, реализуемой входным и выходным ключами, в режиме защиты от короткого замыкания и превышения уровня срабатывания по току;I З - current corresponding to the operation of current protection, implemented by the input and output switches, in the protection mode against short circuit and exceeding the current operation level;

IЗ МП – ток, ограничиваемый внутренними цепями защиты модуля питания, значение которого превышает уровень срабатывания токовой защиты, реализуемой входным и выходным ключами;I З MP - the current limited by the internal protection circuits of the power supply module, the value of which exceeds the level of the current protection actuation implemented by the input and output switches;

Uвх МП – входное напряжение модуля питания;U in MP - input voltage of the power supply module;

UH – напряжение нагрузки.U H - load voltage.

На фиг. 6 показан принцип ограничения входного напряжения, осуществляемого входным ключом ячейки.FIG. 6 shows the principle of limiting the input voltage by the input switch of the cell.

На фиг. 7 показан принцип группирования ячеек для питания разных потребителей.FIG. 7 shows the principle of grouping cells for powering different consumers.

На фиг. 8 показан принцип питания входных и выходных ключей ячеек с помощью маломощного источника для осуществления их функционирования.FIG. 8 shows the principle of powering the input and output keys of the cells using a low-power source for their operation.

Устройство работает следующим образом. Входное напряжение постоянного тока первичного источника электроэнергии преобразуется в одно, либо ряд выходных напряжений постоянного тока для питания подключенных к устройству потребителей. Преобразование осуществляется внутри N включенных параллельно ячеек, часть из которых работает на потребителей, другая остается в резерве. Использование ключей в составе ячеек позволяет группировать ячейки для обеспечения питанием как одного мощного, так и нескольких потребителей меньшей мощности с возможностью при необходимости перераспределения их подключений к устройству. Мощность создаваемых каналов задается соединением между собой внешних силовых выводов ячеек СМП, предназначенных для подключения к потребителю, и коммутацией входных и выходных ключей внутри соответствующих ячеек (см. фиг. 7). Соединение можно выполнить перемычками, либо отдельными коммутаторами, рассчитанными на соответствующий уровень напряжения и тока. Помимо задачи коммутации, ключи реализуют функции защиты, регулирования и диагностики.The device works as follows. The DC input voltage of the primary power source is converted into one or a series of DC output voltages to power the consumers connected to the device. The conversion is carried out inside N cells connected in parallel, some of which work for consumers, the other remains in reserve. The use of keys as part of cells allows you to group cells to provide power to both one powerful and several consumers of lower power with the ability, if necessary, to redistribute their connections to the device. The power of the created channels is set by interconnecting the external power terminals of the SMP cells intended for connection to the consumer, and by switching the input and output keys inside the corresponding cells (see Fig. 7). The connection can be made with jumpers or with separate switches rated for the appropriate voltage and current level. In addition to the switching task, the keys implement the functions of protection, regulation and diagnostics.

Защита по току входных и выходных ключей выполняется по схеме ограничения мощности за счет увеличения падения напряжения на силовом транзисторе ключа (элементы 32, 36 на фиг. 2), в результате чего организуется дополнительное сопротивление в цепи коммутации тока и, таким образом, происходит ограничение тока на заданном уровне. Поскольку ключи соединены последовательно с модулями питания в пределах своей ячейки, принцип работы токовой защиты МП ячеек не является в рассматриваемой концепции основополагающим. Токовая защита МП предназначена только для работы при резких изменениях выходного тока МП, в основном при включении. Уровень срабатывания токовой защиты МП выставляется выше аналогичного уровня токовой защиты ключа (см. фиг. 3).Current protection of the input and output switches is performed according to the power limiting scheme by increasing the voltage drop across the power transistor of the switch (elements 32, 36 in Fig. 2), as a result of which additional resistance is organized in the current switching circuit and, thus, the current is limited at a given level. Since the keys are connected in series with the power modules within their cell, the principle of operation of the current protection of the MP cells is not fundamental in the concept under consideration. The current protection of the MP is intended only for operation with sharp changes in the output current of the MP, mainly when turned on. The level of operation of the current protection of the MP is set above the same level of the current protection of the switch (see Fig. 3).

На принципе изменения напряжения на входном (выходном) ключах реализованы новые качества в работе защиты по ограничению входного (выходного) тока: при продолжительном превышении током порогового значения IЗ (фиг. 3) напряжение на выходе ключа уменьшается до величины Uогр, при этом ток ключа также уменьшается до величины Iогр, тем самым ограничивая потери мощности на неисправной ячейке. Данное нововведение позволяет ограничить ток до величины, позволяющей осуществление нормального функционирования аппаратуры при коротких замыканиях как в МП, так и у потребителя. On the principle of changing the voltage at the input (output) keys, new qualities are implemented in the operation of protection to limit the input (output) current: when the current continues to exceed the threshold value I З (Fig. 3), the voltage at the output of the key decreases to the value U ogr , while the current key also decreases to the value of I ogr , thereby limiting power losses in the faulty cell. This innovation makes it possible to limit the current to a value that allows the normal functioning of the equipment in case of short circuits both in the MP and at the consumer.

Вольт-амперная характеристика, поясняющая работу предлагаемой токовой защиты, приведена на фиг. 3. В соответствии с ней система токовой защиты ключей определяется тремя уровнями:The current-voltage characteristic, which explains the operation of the proposed current protection, is shown in Fig. 3. In accordance with it, the current protection system of the keys is defined by three levels:

1. ток штатного режима защиты от короткого замыкания IЗ,1.current of normal mode of protection against short circuit I З ,

2. ток режима ограничения Iогр,2.current of the limiting mode I ogr ,

3. напряжение ограничения Uогр.3. voltage limitation U lim .

Работа в режиме ограничения (Iогр и Uогр) позволяет увеличить ёмкость выходных конденсаторов ключей (соответственно, входного и выходного конденсаторов МП) без потери работоспособности при включении ячейки (фиг. 4). Operation in the limitation mode (I ogr and U ogr ) allows to increase the capacity of the output capacitors of the switches (respectively, the input and output capacitors of the MP) without loss of performance when the cell is turned on (Fig. 4).

Используя режим ограничения, входным ключом можно ограничить величину пускового тока, а с помощью выходного ключа задать величину ёмкости выходного конденсатора. Using the limiting mode, the input switch can limit the starting current, and using the output switch, you can set the capacity of the output capacitor.

За счет ограничения входного тока ячейки изменение напряжения на входе МП происходит не по экспоненциальному закону, а по ломаному линейному (фиг. 5).Due to the limitation of the input current of the cell, the voltage change at the input of the MF occurs not according to an exponential law, but according to a broken line (Fig. 5).

В штатном режиме превышающий номинальное значение (Iном) ток ячейки ограничивается максимальной величиной IЗ, определяемой входным ключом, например In the normal mode, the cell current exceeding the nominal value (I nom ) is limited by the maximum value I З determined by the input key, for example

Iвх max = IЗ вх = 1,1 Iвх ном I in max = I З in = 1.1 I in nom

При использовании выходного ключа выходной ток будет ограничен по аналогии с входным ключом, например,When using an output switch, the output current will be limited by analogy with the input switch, for example,

Iвых max = IЗ вых = 1,1 Iвых ном I out max = I З out = 1.1 I out nom

При исчезновении дестабилизирующих факторов (большой пусковой ток, короткое замыкание во входной или выходной цепях) ячейки самостоятельно восстанавливают свои функции, возвращаясь из режима ограниченного функционирования в штатный режим работы в случае, если не потребовалось их полного отключения системой управления, что также возможно и реализуется подачей сигнала ДУ на аппаратном уровне управления для размыкания силового транзисторного коммутатора (блоки 32, 36 на фиг. 2) в составе ключей. With the disappearance of destabilizing factors (large starting current, short circuit in the input or output circuits), the cells independently restore their functions, returning from the mode of limited operation to the normal mode of operation if they did not need to be completely turned off by the control system, which is also possible and is implemented by feeding control signal at the hardware control level to open the power transistor switch (blocks 32, 36 in Fig. 2) as part of the keys.

Входной ключ позволяет задавать уровень стабилизации входного напряжения МП (см. фиг. 6), поступающего на него от первичного источника питания, что также облегчает работу МП ячейки. При ограничении входного напряжения Uвх с ростом температуры на входном ключе может включиться тепловая защита 29 (фиг. 1), обеспечивающая полное выключение ячейки СМП за счет размыкания силового транзисторного коммутатора ключа до момента остывания и прекращения работы термозащиты.The input switch allows you to set the level of stabilization of the input voltage of the MP (see Fig. 6) supplied to it from the primary power source, which also facilitates the operation of the MP cell. When the input voltage U in is limited with an increase in temperature at the input key, thermal protection 29 (Fig. 1) can turn on, providing complete shutdown of the SMP cell by opening the power transistor switch of the key until the cooling and termination of the thermal protection.

Выходной ключ обладает функцией коррекции выходного напряжения модуля питания своей ячейки, для чего у него предусмотрен отдельный управляющий вывод, подключаемый к выводу «Рег.» модуля при его наличии. Учитывая выполняемую задачу, данный вывод ключа также обозначен как «рег.» (фиг. 2). Вследствие изменения качества токовой защиты в МП ячеек потенциально появляется возможность расширить диапазон регулировки выходного напряжения до величин гораздо больших, чем в готовых покупных серийно выпускаемых модулях питания.The output switch has the function of correcting the output voltage of the power supply module of its cell, for which it has a separate control output connected to the "Reg." module if available. Given the task being performed, this key output is also designated as "reg." (Fig. 2). Due to the change in the quality of current protection in MP cells, it is potentially possible to expand the range of adjustment of the output voltage to values much larger than in ready-made commercially available commercially available power modules.

Также выходной ключ, помимо регулировки выходного напряжения МП с помощью функции «рег.», позволяет его ограничить в случае нештатного увеличения сверх необходимого уровня Uвых ст (по аналогии с ограничением напряжения Uвх входным ключом, показанным на фиг. 6).Also, the output switch, in addition to adjusting the output voltage of the MP using the "adj." Function, allows it to be limited in the event of an abnormal increase in excess of the required level U out st (by analogy with limiting the voltage U in with the input switch shown in Fig. 6).

Возможность включения и выключения ячейки в системе может осуществляться несколькими методами: путем включения (выключения) как входного или выходного ключей, так и МП ячеек, если в нём предусмотрена возможность дистанционного выключения; таким образом организуется возможность создания сложной структуры управления всей системой.The possibility of turning on and off a cell in the system can be carried out in several ways: by turning on (turning off) both the input or output keys and the MP cells, if it provides for the possibility of remote shutdown; thus, the possibility of creating a complex management structure for the entire system is organized.

Выходные ключи выполняют функцию распределительного диода (проводят ток в одну сторону), что осуществляется за счёт управления проводимостью транзисторного коммутатора (блок 36 на фиг. 2) со стороны внутренней схемы управления 38, реагирующей на изменение направления тока, но, в отличие от схем с использованием диодов, падение напряжения на ключах будет значительно меньше (0,1 – 0,2 В). В условиях большой мощности выходные ключи позволяют использовать их параллельное соединение на одного потребителя. The output switches perform the function of a distribution diode (conduct current in one direction), which is carried out by controlling the conductivity of the transistor switch (block 36 in Fig. 2) from the side of the internal control circuit 38, responsive to a change in the direction of the current, but, unlike circuits with using diodes, the voltage drop across the keys will be much less (0.1 - 0.2 V). In conditions of high power output switches allow using their parallel connection for one consumer.

Для полного открытия силовых элементов входных и выходных ключей используются маломощные источники DC-DC (блоки 22, 23 на фиг. 1 и фиг. 2) питающие входные и выходные ключи и имеющие различные выходные напряжения для различных структур силовых транзисторов, используемых при коммутации ключей (от 3,3 В до 12 В).To completely open the power elements of the input and output switches, low-power DC-DC sources are used (blocks 22, 23 in Fig. 1 and Fig. 2) supplying input and output switches and having different output voltages for various structures of power transistors used for switching keys ( 3.3V to 12V).

Введение дополнительных источников DC-DC для питания входных и выходных ключей позволяет выключить СМП, не прибегая к размыканию всех входных или выходных ключей, либо отключению всех модулей питания.The introduction of additional DC-DC sources for supplying input and output switches makes it possible to turn off the SMP without having to open all input or output switches, or turn off all power modules.

Система управления СМП имеет трехуровневую иерархию, задачи между уровнями которой распределены следующим образом. Внутреннее управление осуществляется локально внутри каждой ячейки, обеспечивая её саморегулирование для поддержания уровня выходного напряжения и перехода в ограниченный режим работы в момент запуска и в случае неполадок. Данный уровень управления реализуется за счет внутренних схем управления входных и выходных ключей (блоки 34, 38 на фиг. 2) и модулей питания 20 ячеек, а также линий связи между ними и показан на фиг. 1 в виде отдельного блока 24 исключительно для удобства восприятия. Аппаратный метод управления осуществляется на уровне управления ячейками и связан с возможностью их включения или выключения через сигналы ДУ (сигналы 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17 на фиг. 2 и аналогичные выводы шины аппаратного уровня на фиг. 1), позволяя изменять количество находящихся в резерве ячеек для перераспределения мощности питания подключенного к соответствующим ячейкам потребителя, не допустить случаев перегрева и исключить из схемы СМП «сгоревшие» ячейки. Помимо этого, на аппаратном уровне реализуется задача выравнивания мощности между параллельно работающими в штатном режиме в пределах своей группы ячейками путем считывания и обработки информационных сигналов (сигналы СИ 2, 6, 8, 12, 14, 18 ключей и 4, 10, 16 МП на фиг. 2 и аналогичные выводы шины аппаратного уровня на фиг. 1) о значениях токов каждой ячейки и формирования ответного управляющего воздействия (сигналы ДУ 5, 11, 17 на МП и выходной ключ на фиг. 2 и аналогичные выводы шины аппаратного уровня на фиг. 1) для их выравнивания. Внешнее управление используется в случаях, когда два из перечисленных выше метода не позволяют полностью решить вопросы функционирования аппаратуры вследствие недостаточной оставшейся мощности СМП. Оно призвано обеспечить такое вмешательство в работу системы, при котором происходит восстановление её работоспособности путём перераспределения подключений потребителей (см. фиг. 7) и ячеек. Также в рамках предлагаемой концепции использование внешнего управления с помощью управляющих сигналов ДУ (сигналы 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17 на фиг. 2 и аналогичные выводы шины внешнего уровня на фиг. 1), либо ручной регулировкой параметров подстроечных элементов в схемах управления позволяет изменить параметры функционирования отдельных ячеек: Uвых, Iз вх, Iогр вх, Iз вых, Iогр вых, Uогр вх, Uогр вых (см фиг. 3) и Uвх ст, Uвых ст (см. фиг. 6).The NSR management system has a three-level hierarchy, the tasks between the levels of which are distributed as follows. Internal control is carried out locally within each cell, ensuring its self-regulation to maintain the output voltage level and transition to a limited mode of operation at the time of start-up and in the event of malfunctions. This level of control is implemented by internal control circuits of input and output switches (blocks 34, 38 in Fig. 2) and power modules 20 cells, as well as communication lines between them and is shown in Fig. 2. 1 as a separate block 24 solely for ease of reference. The hardware control method is carried out at the cell control level and is associated with the possibility of turning them on or off through the remote control signals (signals 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17 in Fig. 2 and similar terminals of the hardware level bus in Fig. 1), allowing to change the number of cells in reserve for redistribution of power supply of the consumer connected to the corresponding cells, to prevent cases of overheating and to exclude “burnt out” cells from the SMP scheme. In addition, at the hardware level, the task of power equalization is realized between cells operating in parallel in the normal mode within their group by reading and processing information signals (SI signals 2, 6, 8, 12, 14, 18 keys and 4, 10, 16 MP on Fig. 2 and similar terminals of the hardware-level bus in Fig. 1) about the values of the currents of each cell and the formation of a response control action (signals of the remote control 5, 11, 17 on the MP and the output switch in Fig. 2 and similar terminals of the hardware-level bus in Fig. 1) to align them. External control is used in cases when two of the methods listed above do not completely solve the problems of the equipment functioning due to the insufficient remaining power of the NSR. It is designed to provide such an intervention in the operation of the system, in which its operability is restored by redistributing the connections of consumers (see Fig. 7) and cells. Also, within the framework of the proposed concept, the use of external control using control signals of the remote control (signals 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17 in Fig. 2 and similar outputs of the external level bus in Fig. 1), or manual adjusting the parameters of the trimming elements in the control schemes allows you to change the parameters of the functioning of individual cells: U out , I s in , I ogr in , I s out , I ogr out , U ogr in , U ogr out (see Fig. 3) and U in st , U out st (see Fig. 6).

С целью обеспечения требуемых значений выходных напряжений для разных потребителей в СМП допускается возможность выставить на выходном выводе каждой ячейки значение из доступного набора уровней: +5 В, +12 В и т.д. (см. фиг. 7) при условии, что в ячейках СМП используются модули питания с соответствующей предусмотренной возможностью настройки. Использовать МП с жестко заданным значением выходного напряжения и варьировать уровень выходного напряжения ячейки только за счет ограничения его выходным ключом возможно, однако приведёт к значительному тепловыделению на ключе, ухудшая КПД преобразования. Альтернативой также является смена модуля на новый, обеспечивающий иное значение выходного напряжения, но данное решение ограничит универсальность и не позволит использовать одну из отличительных возможностей СМП.In order to ensure the required values of output voltages for different consumers in the SMP, it is possible to set at the output terminal of each cell a value from the available set of levels: +5 V, +12 V, etc. (see Fig. 7), provided that power modules with the corresponding provision for configuring are used in the cells of the EMS. It is possible to use a MP with a rigidly set value of the output voltage and vary the level of the output voltage of the cell only by limiting it to the output switch, but it will lead to significant heat generation on the switch, deteriorating the conversion efficiency. Another alternative is to change the module to a new one that provides a different value of the output voltage, but this solution will limit the versatility and will not allow using one of the distinctive features of the SMP.

Набор уровней выходных напряжений закладывается в систему управления разработчиком и может быть изменен только внешним управлением. С целью упрощения переключения между уровнями выходных напряжений ячеек предлагается использовать кодированный сигнал. Формирование кодированного сигнала осуществляется на аппаратном и внешнем уровне системы управления. В зависимости от подачи на группу выводов управления МП (каналы 3, 9, 15 на фиг. 2 и аналогичные выводы шины внешнего уровня на фиг. 1) различных комбинаций логических уровней «0» и «1» на силовых выходных выводах ячеек выставляются необходимые потребителям уровни напряжения. Группировка ячеек для питания нескольких отдельных потребителей осуществляется с помощью двухуровневой коммутации, на первом уровне которой выполняется соединение (перемычками, либо отдельными коммутаторами, рассчитанными на соответствующий уровень напряжения и тока) между собой силовых выходных выводов ячеек для образования группы, на втором уровне коммутацией входного и выходного ключей ячеек определяется, какая часть ячеек образует резерв (см. фиг. 7). The set of output voltage levels is included in the control system by the developer and can only be changed by external control. In order to simplify switching between the levels of output voltages of the cells, it is proposed to use a coded signal. The formation of the coded signal is carried out at the hardware and external level of the control system. Depending on the supply to the group of control terminals of the MP (channels 3, 9, 15 in Fig. 2 and similar outputs of the external level bus in Fig. 1) of various combinations of logic levels "0" and "1" on the power output terminals of the cells, the required consumers are set voltage levels. The grouping of cells for powering several individual consumers is carried out using two-level switching, at the first level of which the connection (by jumpers or by separate switches designed for the appropriate voltage and current level) is made between the power output terminals of the cells to form a group, at the second level by switching the input and of the output keys of the cells, it is determined which part of the cells forms a reserve (see Fig. 7).

Разные режимы работы будут характеризоваться разными показателями КПД. При таком подходе критерий КПД не является основополагающим. Упор сделан на простоту схем, надежность и универсальность, что не позволяет до конца решить вопрос эффективности.Different modes of operation will be characterized by different efficiency indicators. With this approach, the efficiency criterion is not fundamental. Emphasis is placed on simplicity of circuits, reliability and versatility, which does not allow to fully resolve the issue of efficiency.

С целью унификации и упрощения системы аппаратный и внешний уровни управления могут осуществляться при помощи микроконтроллера, размещённого отдельно от ячеек внутри корпуса СМП. Управление достигается посредством обмена данными между микроконтроллером и другими устройствами. Внутри СМП взаимодействие происходит по каналам 1…18 (шины аппаратного и внешнего уровня на фиг. 1). На внешнем уровне управления получаемые от внешнего по отношению к СМП управляющего устройства данные после обработки микроконтроллером по каналам 1…18 (шины внешнего уровня на фиг. 1) производят корректировку параметров режима работы ячеек (меняют сигналы задания на выходное напряжение и работу цепей защиты для внутреннего контура управления) и меняют структуру подключений ячеек внутри СМП (изменяют количество работающих ячеек путём замыкания/размыкания входных и выходных ключей или включения/выключения модулей питания). In order to unify and simplify the system, the hardware and external control levels can be carried out using a microcontroller located separately from the cells inside the SMP case. Control is achieved through the exchange of data between the microcontroller and other devices. Inside the SMP, interaction occurs via channels 1 ... 18 (hardware and external buses in Fig. 1). At the external control level, the data received from the control device external to the SMP after processing by the microcontroller through channels 1 ... 18 (the buses of the external level in Fig. 1) adjust the parameters of the operating mode of the cells (change the reference signals to the output voltage and the operation of the protection circuits for the internal control loop) and change the structure of cell connections inside the SMP (change the number of operating cells by closing / opening input and output switches or turning on / off power modules).

Также следует отметить, что включение ячеек при запуске СМП может происходить как одновременно, так и с задержкой друг относительно друга. Данную задержку могут обеспечить аппаратный и внешний уровни системы управления.It should also be noted that the inclusion of cells at the start of the NSR can occur both simultaneously and with a delay relative to each other. This delay can be provided by the hardware and external levels of the control system.

Источники информацииInformation sources

1. Патент RU 2692089 C2. Интеллектуальная система преобразования напряжения постоянного тока для динамически изменяющейся нагрузки / Берг В. Р., Бродников С. Н., Михеев В. В., Гуров А. А., Буланов Р. Н., патентообладатель Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации (RU) – опубл. 21.06.2019 Бюл. № 18.1. Patent RU 2692089 C2. Intelligent DC voltage conversion system for dynamically changing load / Berg V.R., Brodnikov S.N., Mikheev V.V., Gurov A.A., Bulanov R.N., patent holder of the Russian Federation, on behalf of which the Ministry acts Defense of the Russian Federation (RU) - publ. 06/21/2019 Bul. No. 18.

2. Application note 3, rev. A «Parallel operation of DC power modules», Wall Industries, inc. 2016.2. Application note 3, rev. A "Parallel operation of DC power modules", Wall Industries, inc. 2016.

3. Патент RU 2525232 C2. Преобразователь напряжения / Гончаров А. Ю. (CZ), Гончаров М. Ю. (RU) – опубл. 27.10.2013, Бюл. № 30.3. Patent RU 2525232 C2. Voltage converter / A. Yu. Goncharov (CZ), M. Yu. Goncharov (RU) - publ. 27.10.2013, Bul. No. 30.

4. Патент RU 99254 U1. Двухтактный преобразователь с импульсной нагрузкой / Кириенко В. П., патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) (RU) – опубл. 10.11.2010.4. Patent RU 99254 U1. Push-pull converter with impulse load / Kirienko V.P., patent holder State educational institution of higher professional education Nizhny Novgorod State Technical University named after V.P. R.E. Alekseeva (NSTU) (RU) - publ. 10.11.2010.

5. Патент RU 2396684 C1. Блок вторичного электропитания / Швецов Ю. К., патентообладатель Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" (RU) – опубл. 10.08.2010.5. Patent RU 2396684 C1. Secondary power supply unit / Yu. K. Shvetsov, patent holder Open Joint Stock Company "Russian Institute of Radio Navigation and Time" (RU) - publ. 10.08.2010.

6. Патент RU 182804 U1. Ограничитель тока / Миронов А. А., патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Александер Электрик источники электропитания" (RU) – опубл. 04.09.2018.6. Patent RU 182804 U1. Current limiter / A. A. Mironov, patentee, Alexander Electric, Limited Liability Company, Power Sources (RU) - publ. 09/04/2018.

7. Патент RU 144731 U1. Устройство защиты от выбросов входного тока / Гончаров М. Ю., патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "АЕДОН" (RU) – опубл. 27.08.2014.7. Patent RU 144731 U1. Input current surge protection device / M. Yu. Goncharov, patent holder AEDON Limited Liability Company (RU) - publ. 27.08.2014.

8. Справочные материалы «DC/DC преобразователи серии МИРАЖ МДМ7,5-П, МДМ10-П», Группа компаний Александер Электрик. – 2011 г.8. Reference materials "DC / DC converters of the MIRAZH MDM7,5-P, MDM10-P series", Alexander Electric Group of Companies. - 2011

9. Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование. Пер с англ. – К. «МК-Пресс», 2007. С. 101–102.9. Brown M. Power sources. Calculation and design. Per from English. - K. "MK-Press", 2007. S. 101-102.

10. Datasheet «TPS2475x 12-A eFuse Circuit Protector with Current Monitor TPS24750, TPS24751», Texas Instruments Inc. – October 2013, revised December 2018.10. Datasheet "TPS2475x 12-A eFuse Circuit Protector with Current Monitor TPS24750, TPS24751", Texas Instruments Inc. - October 2013, revised December 2018.

Claims (2)

1. Система преобразования напряжения постоянного тока для динамически изменяющейся нагрузки, состоящая из нескольких (N) включенных параллельно ячеек с возможностью их группировки в соответствии с требованиями питания потребителя, образующих структуру N = M(1 + n1), где M – число работающих ячеек, n1 ϵ (0…1] – коэффициент дублирования, отличающаяся тем, что каждая из ячеек представляет собой последовательно соединённые входной ключ, модуль питания и выходной ключ, образущие единый самовосстанавливающийся модуль, где входной и выходной ключи ячеек содержат силовой транзисторный коммутатор, схему токовой защиты, схему управления с контуром обратной связи и питаются от отдельных маломощных преобразователей напряжения постоянного тока, при этом группировка ячеек осуществляется с помощью двухуровневой коммутации, на первом уровне которой выполняется соединение между собой силовых выходных выводов ячеек для образования группы, на втором уровне коммутацией входного и выходного ключей ячеек определяется, какая часть ячеек образует резерв.1. A DC voltage conversion system for a dynamically changing load, consisting of several (N) cells connected in parallel with the possibility of their grouping in accordance with the requirements of the consumer's power supply, forming a structure N = M (1 + n 1 ), where M is the number of operating cells , n 1 ϵ (0 ... 1] - duplication coefficient, characterized in that each of the cells is a series-connected input switch, a power module and an output switch, forming a single self-healing module, where the input and output keys of the cells contain a power transistor switch, a circuit current protection, a control circuit with a feedback loop and are powered from separate low-power DC voltage converters, while the cells are grouped using two-level switching, at the first level of which the power output terminals of the cells are interconnected to form a group, at the second level by switching the input and output cell keys it is determined what part of the cells forms a reserve. 2. Система преобразования напряжения постоянного тока в напряжение постоянного тока по п. 1, отличающаяся тем, что содержит несколько динамических нагрузок. 2. The system for converting DC voltage into DC voltage according to claim 1, characterized in that it contains several dynamic loads.
RU2020127684A 2020-08-19 2020-08-19 Fault-tolerant power supply system with flexible parameter settings RU2746221C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020127684A RU2746221C2 (en) 2020-08-19 2020-08-19 Fault-tolerant power supply system with flexible parameter settings

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020127684A RU2746221C2 (en) 2020-08-19 2020-08-19 Fault-tolerant power supply system with flexible parameter settings

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2020127684A RU2020127684A (en) 2021-01-18
RU2020127684A3 RU2020127684A3 (en) 2021-03-24
RU2746221C2 true RU2746221C2 (en) 2021-04-09

Family

ID=74185163

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020127684A RU2746221C2 (en) 2020-08-19 2020-08-19 Fault-tolerant power supply system with flexible parameter settings

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2746221C2 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19805926A1 (en) * 1998-02-13 1999-08-19 Bosch Gmbh Robert Device and method for the controlled parallel operation of DC / DC converters
US6166934A (en) * 1999-06-30 2000-12-26 General Motors Corporation High efficiency power system with plural parallel DC/DC converters
US6906501B2 (en) * 2002-10-22 2005-06-14 Uis Abler Electronics Co., Ltd. Control method for parallel-connected power converters
RU2324272C2 (en) * 2006-06-13 2008-05-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральное конструкторское бюро морской техники "Рубин" Smart dc voltage converter for dynamically varying load
RU2598080C2 (en) * 2012-06-27 2016-09-20 Адб Бвба Modular dc regulator
RU2692089C2 (en) * 2017-10-26 2019-06-21 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации Intelligent dc voltage conversion system for dynamically varying load

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19805926A1 (en) * 1998-02-13 1999-08-19 Bosch Gmbh Robert Device and method for the controlled parallel operation of DC / DC converters
US6166934A (en) * 1999-06-30 2000-12-26 General Motors Corporation High efficiency power system with plural parallel DC/DC converters
US6906501B2 (en) * 2002-10-22 2005-06-14 Uis Abler Electronics Co., Ltd. Control method for parallel-connected power converters
RU2324272C2 (en) * 2006-06-13 2008-05-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральное конструкторское бюро морской техники "Рубин" Smart dc voltage converter for dynamically varying load
RU2598080C2 (en) * 2012-06-27 2016-09-20 Адб Бвба Modular dc regulator
RU2692089C2 (en) * 2017-10-26 2019-06-21 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации Intelligent dc voltage conversion system for dynamically varying load

Also Published As

Publication number Publication date
RU2020127684A (en) 2021-01-18
RU2020127684A3 (en) 2021-03-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10013012B2 (en) Control method and apparatus
US7773395B2 (en) Uniform converter input voltage distribution power system
EP2757647B1 (en) Reconfigurable matrix-based power distribution architecture
CN108370175B (en) Data center power distribution system with dynamic power source indication
US20080164759A1 (en) Redundant power supply architecture with voltage level range based load switching
US10298006B2 (en) Energy storage system and method of driving the same
US9559607B1 (en) Power supply and distribution systems and operating strategy
Maqsood et al. Integration of Z-source breakers into zonal DC ship power system microgrids
US11368101B2 (en) Power conversion system
US10855197B2 (en) Power supply system
US20050116547A1 (en) Uninterruptible power system with two current conversion units
EP4012908A1 (en) Integrated pfc and dc dc converter for dual dc bus for online ups application
US10673319B2 (en) Modular multilevel converter system
RU2746221C2 (en) Fault-tolerant power supply system with flexible parameter settings
CN109391024A (en) Emergency electric supply unit and emergency electric system
CN115940302A (en) Persistent DC circuit breaker
Papadimitriou et al. A DC-microgrid control strategy using DC-bus signaling
CN116667516A (en) Power supply control circuit, electronic device and power supply control method
EP4156493A1 (en) Fault handling system of solid-state transformer
CN100502218C (en) Source transfer circuit, and power supply system of using the circuit
RU2317626C1 (en) Redundant-architecture dc voltage converter
RU2414788C1 (en) Multi-channel uninterrupted power supply of modular construction
JPH05146098A (en) Uninterruptible power supply
JP2020198736A (en) DC cooperation system
US20240178766A1 (en) Power conversion system and auxiliary power supplying method thereof