TW201626674A - 無均流母線的並聯均流裝置和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種無均流母線的並聯均流裝置和控制方法，用於實現複數個功率變換子模組直流輸出並聯均流，包括電壓控制模組和複數個功率變換子模組。電壓控制模組與並聯輸出的複數個功率變換子模組構成電壓外環；各個功率變換子模組包括自身的電流內環且採樣自身的電流回饋訊號生成電流內環控制訊號與所述電壓外環控制訊號疊加控制各個功率變換子模組的輸出；無需單獨電流母線，只需要一條單向的控制電壓外環，在實現傳統裝置相同功能的同時使裝置電路的設計、生產、調試更加簡單和簡潔，進而實現多機並聯動態回應快，消除地線環流提高了裝置抗干擾能力，且非常容易實現類比控制或數位控制的開關電源、線性電源的多模組並聯均流。

Description

無均流母線的並聯均流裝置和控制方法
本發明涉及一種電源控制系統，尤其涉及一種用於複數個模組無均流母線的並聯均流裝置和控制方法。
傳統大功率開關電源並聯均流控制方法，如主從法、平均值法、最大電流法，主要通過電流母線回饋最大電流或者平均電流和自身電流形成誤差來調整模組電壓基準從而實現均流，如圖1所示。這些均流方法需要將複數個控制環串聯，導致系統回應變慢，尤其是多台電源並聯。
這些傳統均流方法需要使用電流母線，要求模組電流訊號能夠併入母線，同時母線訊號又能夠傳輸到各個模組與模組電流回饋訊號進行誤差放大；也就是說電流母線訊號傳輸是雙向的。在電磁干擾嚴重的場合下，希望使用差分傳輸來獲得很高的共模抑制比，而差分傳輸需要兩套收發裝置才能使訊號雙向傳輸，這無疑增加了採用電流母線實現均流的成本，設計和生產的複雜度。
為了提高輸出電壓的負載調整率和精度，通常需要在並聯系統的外部放置一個電壓控制模組，如圖2所示，把設定參考和並聯電壓輸出終端回饋訊號進行誤差放大產生總控制訊號，該總控制訊號是單向的，可通過一套差分裝置傳輸給各個子模組作為控制參考。如果採用上述傳統均流控制方法，系統則需要使用兩條控制母線才能夠實現電壓遠端補償和模組電流均衡，這無疑增加了系統複雜度以及故障率。
一般情況下模組電流訊號是通過二極體或者電阻併入電流母線，電流母線訊號直接傳輸到模組誤差放大器輸入端，模組之間存在複數個共地點，這可能產生地線環流，導致均流環路、甚至系統極易受到干擾，從而使系統的穩定性變差。
很多的控制系統希望均流控制方法既能夠通過類比電路實現，也能夠通過數位方式實現，既能夠應用到開關電源，也能夠應用到線性電源，這就要求均流控制方法實現應非常簡潔，才具有很高的靈活性。而傳統的均流方法相對複雜。
上述傳統均流控制方法及裝置由於系統回應慢，需要多條控制母線，不利於訊號差分傳輸，易產生環流，抗干擾能力差，電路設計、生產、裝配、調試複雜，且不能夠靈活的應用於其他類型控制系統，從而使其應用範圍受到限制。
本發明的目的是提供一種無均流母線的並聯均流裝置和控制方法，解決傳統並聯均流裝置設置有單獨電流母線，電壓外環和電壓內環雙環電路複雜，多機並聯動態回應慢，地線環流抗干擾能力差，設計、生產、調試複雜等問題。
為了實現上述目的，本發明提供一種無均流母線的並聯均流控制方法，用於實現複數個功率變換子模組直流輸出並聯均流，包括電壓控制模組和複數個功率變換子模組，電壓控制模組與並聯輸出的複數個功率變換子模組構成電壓外環，電壓控制模組採樣功率變換子模組並聯輸出的終端電壓訊號，輸出電壓外環控制訊號至各個功率變換子模組，各個功率變換子模組接收電壓外環控制訊號；各個功率變換子模組包括自身的電流內環且採樣自身的電流回饋訊號生成電流內環控制訊號與所述電壓外環控制訊號疊加控制各個功率變換子模組的輸出。
較佳地，終端電壓訊號與電壓設定參考比較進行電壓誤差放大產生電壓外環控制訊號；電壓外環控制訊號一路作為本功率變換子模組的電流誤差放大參考，與本功率變換子模組自身輸出的電流回饋訊號比較進行電流誤差放大產生電流內環控制訊號，另一路則與本功率變換子模組產生的電流內環控制訊號疊加產生本功率變換子模組的疊加控制訊號，疊加控制訊號依次經過本功率變換子模組的驅動部分和功率變換部分，控制各個功率變換子模組的輸出穩壓均流。
較佳地，終端電壓訊號和電壓外環控制訊號的傳輸是單方向，且採用差分方式傳輸。
較佳地，電流內環頻寬小於電壓外環頻寬，電流內環和電壓外環的控制環回應速度不同。
較佳地，功率變換子模組為開關電源或線性電源，電壓外環和電流內環的訊號傳輸採用類比訊號控制或數位訊號控制。
本發明還提供一種無均流母線的並聯均流控制裝置，用於實現複數個功率變換子模組直流輸出並聯均流，包括電壓控制模組和複數個功率變換子模組，複數個功率變換子模組並聯，電壓控制模組與並聯輸出的複數個功率變換子模組並聯構成電壓外環，電壓控制模組採樣複數個功率變換子模組並聯輸出的終端電壓訊號，輸出電壓外環控制訊號至各個功率變換子模組，各個功率變換子模組接收電壓外環控制訊號；每個功率變換子模組包括一個電流內環，複數個電流內環之間無電流母線連接，各個電流內環分別採集其對應的功率變換子模組獨立輸出的電流回饋訊號，生成電流內環控制訊號，電流內環控制訊號與所述電壓外環控制訊號疊加控制各個功率變換子模組的輸出。
較佳地，所述電壓控制模組包括第一差分放大器、電壓誤差放大器和差分驅動器，第一差分放大器採樣複數個功率變換子模組並聯輸出的終端電壓訊號，按一定比例縮放連接到電壓誤差放大器“-”輸入端，電壓設定參考連接到電壓誤差放大器“+”輸入端，輸出誤差放大訊號，經差分驅動器差分輸出到各個功率變換子模組作為電壓外環控制訊號。
較佳地，電流內環包括電流放大器、電流誤差放大器、第二差分放大器和加法器，第二差分放大器採樣提取電壓外環控制訊號輸出，其中一路輸出連接到電流誤差放大器“+”輸入端，作為其參考，另一路輸出連接到加法器；通過電流放大器採樣功率變換子模組的電流經過比例縮放後連接到電流誤差放大器“-”輸入端，電流誤差放大器輸出誤差放大訊號連接到加法器與另一路輸出訊號求和輸出疊加控制訊號控制功率變換子模組。
較佳地，電壓控制模組以差分方式採樣複數個功率變換子模組並聯輸出的終端電壓訊號，輸出電壓外環控制訊號以差分方式單向輸入給第二差分放大器。
本發明將單獨電流母線與電壓母線合成為一條電壓外環控制母線，且控制母線是單向的，非常適合差分方式傳送，使得系統具有出色的干擾抑制能力；且功率變換子模組內部無電壓內環，電壓控制模組直接控制各功率變換子模組輸出，從而使系統動態回應很快；功率變換子模組內的電流內環強迫使正負輸入引腳相等，間接調整電壓外環輸出，使得各功率變換子模組均流；應用中可將電流內環頻寬取小，而電壓外環頻寬取高，從而實現動態回應獲得電壓外環的速度，穩態下獲得電流內環的均流。
本發明的有益效果是無需單獨電流母線，只需要一條單向的控制電壓外環，在實現傳統裝置相同功能的同時使裝置電路的設計、生產、調試更加簡單和簡潔，進而實現多機並聯動態回應快，消除地線環流提高了裝置抗干擾能力，且非常容易實現類比控制或數位控制的開關電源、線性電源的多模組並聯均流。
下面結合附圖詳細說明本發明的較佳實施例。
實施例一，如圖2和圖3所示，本實施例提供一種無均流母線的並聯均流控制裝置，包括一個電壓控制模組10和三個功率變換子模組20，電壓控制模組10包括第一差分放大器101、電壓誤差放大器和差分驅動器104，電壓誤差放大器包括電壓減法器102和PID調節器103。並聯的三個功率變換子模組20總輸出的終端電壓訊號通過第一差分放大器101採樣，按一定比例縮放連接到電壓外環的電壓減法器102的“-”輸入，電壓設定參考連接到電壓減法器102的“+”，誤差訊號經過PID調節器103放大後，通過差分驅動器104輸出分別連接到三個功率變換子模組20，作為一個電壓外環控制訊號，電壓外環控制訊號的輸入和輸出均採用差分傳輸，使得電壓外環具有非常高的共模抑制比，能夠有效抑制雜訊。
每個功率變換子模組20包括電流放大器201、電流誤差放大器、第二差分放大器204、加法器205、驅動訊號轉換模組206和功率變換模組207，所述電流誤差放大器包括電流減法器202和PI調節器203，通過第二差分放大器204採樣提取電壓外環控制訊號，該電壓外環控制訊號一路連接到電流減法器202的輸入“+”，作為其參考，另一路連接到加法器205；功率變換子模組20的輸出電流Io通過電流放大器201比例縮放後連接到電流減法器202的輸入“-”，誤差訊號經過PI調節器203放大輸出訊號連接到加法器205與電壓外環控制訊號疊加求和，再通過驅動訊號轉換模組206輸出驅動訊號，驅動功率變換模組207進行輸出控制。
疊加求和訊號通過驅動訊號轉換模組206產生驅動訊號，該驅動訊號轉換模組206根據電源類型進行選擇，如果是開關電源，則通過與三角波比較電路產生PWM驅動訊號；如果是線性電源，則按照一定比例縮放線性的控制功率開關器件，本實施例可應用於複數個模組並聯的開關電源或線性電源，實現模組均流。
本實施例還提供一種無均流母線的並聯均流控制方法，用於實現複數個功率變換子模組直流輸出並聯均流，包括一個電壓控制模組和三個功率變換子模組，電壓控制模組與並聯輸出的三個功率變換子模組構成電壓外環，電壓控制模組採樣功率變換子模組並聯輸出的終端電壓訊號，輸出電壓外環控制訊號至各個功率變換子模組，各個功率變換子模組接收電壓外環控制訊號；各個功率變換子模組包括自身的電流內環且採樣自身的電流回饋訊號生成電流內環控制訊號與所述電壓外環控制訊號疊加控制各個功率變換子模組的輸出。
終端電壓訊號與電壓設定參考比較進行電壓誤差放大產生電壓外環控制訊號；電壓外環控制訊號一路作為本功率變換子模組的電流誤差放大參考，與本功率變換子模組自身輸出的電流回饋訊號比較進行電流誤差放大產生電流內環控制訊號，另一路則與本功率變換子模組產生的電流內環控制訊號疊加產生本功率變換子模組的疊加控制訊號，疊加控制訊號依次經過本功率變換子模組的驅動部分和功率變換部分，控制各個功率變換子模組的輸出穩壓均流。
終端電壓訊號和電壓外環控制訊號的傳輸是單方向，且採用差分方式傳輸。
電流內環頻寬小於電壓外環頻寬，電流內環和電壓外環的控制環回應速度不同。
本實施例的工作原理為，當其中一個功率變換子模組電流大，另一個功率變換子模組電流小時，其參考訊號相同，電流大的模組電流誤差訊號小，其電流環產生的控制量小，電流小的模組則反之。假定此時電流參考訊號均大於這兩個模組的電流回饋訊號，且輸出電壓已經穩定，因為電流誤差都為正，那麼電流誤差輸出為正，並疊加到電壓外環控制量，使輸出電壓增大。電壓外環檢測到輸出電壓升高，不斷減小控制量，當電壓外環控制量等於或略小於電流大的模組回饋電流，但大於電流小的模組時，電流大的模組控制量開始減小，其模組電流也開始減小，電流小的模組電流控制量依然增大，其電流也增大。外環輸出電壓回饋仍然大於電壓設定參考，電壓外環仍然減小控制量，電流大的模組電流仍然減小，而電流下的模組電流逐漸增大。當電流小的模組電流誤差放大器輸入訊號相等時，此時電流大的模組電流誤差放大器輸入訊號也相等，從而獲得模組間的均流。假設某一條件破壞當前平衡，比如其中一個模組輸入電壓突然減小，這將導致該模組輸出電流變小，輸出電壓也相對減小，為了達到設定電壓，電壓外環控制量增大，因為電壓外環的速度更快，很快使輸出穩定。電流環參考訊號增大，意味著每個模組電流誤差增大，電流控制量增大，如上述，電壓外環減小控制量，電流大的模組減小電流控制量，電流小的模組增大電流控制量，直至所有電流環輸入相等，最終恢復電流均衡。
本實施例使用差分方式傳輸訊號的優點，一是實現輸入與輸出的高阻隔離，使模組並聯後不存在地線環流，解決環流導致的訊號干擾，控制不穩定。二是輸出電壓採樣可能需要放在遠端來補償線路阻抗對輸出電壓的損失，採樣訊號線必然很長，這將導致訊號線極易受到干擾；而差分採樣具有出色的共模抑制能力，可以有效的抑制雜訊。
而現有技術均流控制，如最大電流法，如圖1所示，其電流訊號通過電流放大器201縮放後，一路輸入到電流誤差放大器的輸入“-”，另一路通過二極體210併入電流母線，當本模組電流Ui1大於I-Bus電壓時，二極體210導通，該模組開始控制電流母線；當本模組電流Ui1小於I-Bus電壓時，二極體210不導通，電流誤差放大器輸出訊號為正，疊加到電壓誤差放大器“+”輸入，其中，電壓誤差放大器包括減法器208及PID調節器209，增大參考訊號，從而使本模組電流增大。其電流母線是雙向的，模組既要能夠把訊號傳送至電流母線，又要能夠輸入電流母線訊號，這導致傳統需電流母線均流控制方法使用差分傳輸訊號相對困難。而本實施例只有一條電壓母線，且是單向的，使得系統非常方便使用差分方式傳輸訊號，從而提高系統的抗干擾能力。
實施例二，如圖3所示，本實施例為包括一個電壓控制模組10和一個功率變換子模組20，其餘技術方案如實施例一。
本實施例的工作原理為當一個模組運行，假定輸出電壓為零，輸出電流為零，當電壓控制模組設定參考後，因為此時誤差很大，電壓外環產生一個很大的控制量傳輸給功率變換子模組20，因為電流內環相對較慢，對其參考變化並不敏感，此時主要起控制作用的是電壓外環，其促使輸出電壓快速上升，使輸出電壓穩定到設定電壓。電壓外環的控制量同時也作為電流內環的參考，電流內環誤差為正，其通過PI運算產生一個正的控制訊號疊加到電壓外環上。對於已經穩定的輸出電壓，增大控制量必然導致輸出電壓升高。當電壓外環檢測到輸出電壓大於設定值，其會減小控制量使輸出電壓減小，等效作用於電流環的參考訊號減小。但此時電流環誤差仍然為正，輸出電流進一步增大，而電壓外環控制量在逐漸減小，使得電流環的誤差訊號和控制量逐漸變小，最終使電壓外環的控制量等於電流內環的回饋電流，也就是電壓外環控制訊號在穩態下等於模組電流訊號。當某一條件破壞當前平衡後，比如負載突然減小，此時電流減小，電壓相對升高，電壓外環迅速減小控制量，來減小輸出電壓，假定此時電流誤差放大器參考訊號仍大於電流回饋訊號，那麼電流誤差放大器仍會增大其輸出，電流輸出增大，這導致輸出電壓仍然很高，那麼電壓外環不得不再減小控制量，直至使電流誤差放大器輸入訊號相等重新建立平衡。
10‧‧‧電壓控制模組
101‧‧‧第一差分放大器
102‧‧‧電壓減法器
103‧‧‧PID調節器
104‧‧‧差分驅動器
20‧‧‧功率變換子模組
201‧‧‧電流放大器
202‧‧‧電流減法器
203‧‧‧PI調節器
204‧‧‧第二差分放大器
205‧‧‧加法器
206‧‧‧驅動訊號轉換模組
207‧‧‧功率變換模組
208‧‧‧減法器
209‧‧‧PID調節器
210‧‧‧二極體
圖1為現有技術最大電流法需單獨電流母線的控制框圖；
圖2為本發明實施例無單獨電流母線的多模組並聯均流連接框圖；
圖3為本發明實施例無單獨電流母線的單模組並聯均流控制框圖。
10‧‧‧電壓控制模組
101‧‧‧第一差分放大器
102‧‧‧電壓減法器
103‧‧‧PID調節器
104‧‧‧差分驅動器
20‧‧‧功率變換子模組
201‧‧‧電流放大器
202‧‧‧電流減法器
203‧‧‧PI調節器
204‧‧‧第二差分放大器
205‧‧‧加法器
206‧‧‧驅動訊號轉換模組
207‧‧‧功率變換模組

Claims (9)

  1. 一種無均流母線的並聯均流控制方法，用於實現複數個功率變換子模組直流輸出並聯均流，包括一電壓控制模組和該複數個功率變換子模組，其中：該電壓控制模組與並聯輸出的該複數個功率變換子模組構成電壓外環，該電壓控制模組採樣該功率變換子模組並聯輸出的一終端電壓訊號，輸出一電壓外環控制訊號至各個該功率變換子模組，各個該功率變換子模組接收該電壓外環控制訊號；各個該功率變換子模組包括自身的電流內環且採樣自身的一電流回饋訊號生成一電流內環控制訊號與該電壓外環控制訊號疊加控制各個該功率變換子模組的輸出。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的無均流母線的並聯均流控制方法，其中：該終端電壓訊號與電壓設定參考比較進行電壓誤差放大產生該電壓外環控制訊號；該電壓外環控制訊號一路作為該功率變換子模組的電流誤差放大參考，與該功率變換子模組自身輸出的該電流回饋訊號比較進行電流誤差放大產生該電流內環控制訊號，另一路則與該功率變換子模組產生的該電流內環控制訊號疊加產生該功率變換子模組的一疊加控制訊號，該疊加控制訊號依次經過該功率變換子模組的驅動部分和功率變換部分，控制各個該功率變換子模組的輸出穩壓均流。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述的無均流母線的並聯均流控制方法，其中：該終端電壓訊號和該電壓外環控制訊號的傳輸是單方向，且採用差分方式傳輸。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的無均流母線的並聯均流控制方法，其中：電流內環頻寬小於電壓外環頻寬，電流內環和電壓外環的控制環回應速度不同。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的無均流母線的並聯均流控制方法，其中：該功率變換子模組為開關電源或線性電源，電壓外環和電流內環的訊號傳輸採用類比訊號控制或數位訊號控制。
  6. 一種無均流母線的並聯均流控制裝置，用於實現複數個功率變換子模組直流輸出並聯均流，包括一電壓控制模組和該複數個功率變換子模組，其中：該複數個功率變換子模組並聯，該電壓控制模組與並聯輸出的該複數個功率變換子模組並聯構成電壓外環，該電壓控制模組採樣該複數個功率變換子模組並聯輸出的一終端電壓訊號，輸出一電壓外環控制訊號至各該個功率變換子模組，各個該功率變換子模組接收一電壓外環控制訊號；每個該功率變換子模組包括一個電流內環，該複數個電流內環之間無電流母線連接，各個該電流內環分別採集其對應的該功率變換子模組獨立輸出的一電流回饋訊號，生成一電流內環控制訊號，該電流內環控制訊號與該電壓外環控制訊號疊加控制各個該功率變換子模組的輸出。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的一種無均流母線的並聯均流裝置，其中：該電壓控制模組包括一第一差分放大器、一電壓誤差放大器和一差分驅動器，該第一差分放大器採樣該複數個功率變換子模組並聯輸出的該終端電壓訊號，按一定比例縮放連接到該電壓誤差放大器“-”輸入端，電壓設定參考連接到該電壓誤差放大器“+”輸入端，輸出誤差放大訊號，經該差分驅動器差分輸出到各個該功率變換子模組作為該電壓外環控制訊號。
  8. 如申請專利範圍第6或7項所述的無均流母線的並聯均流裝置，其中：該電流內環包括一電流放大器、一電流誤差放大器、一第二差分放大器和一加法器，該第二差分放大器採樣提取該電壓外環控制訊號輸出，其中一路輸出連接到該電流誤差放大器“+”輸入端，作為其參考，另一路輸出連接到該加法器；通過該電流放大器採樣該功率變換子模組的電流經過比例縮放後連接到該電流誤差放大器“-”輸入端，該電流誤差放大器輸出誤差放大訊號連接到該加法器與另一路輸出訊號求和輸出一疊加控制訊號控制該功率變換子模組。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的無均流母線的並聯均流裝置，其中：該電壓控制模組以差分方式採樣該複數個功率變換子模組並聯輸出的該終端電壓訊號，輸出該電壓外環控制訊號以差分方式單向輸入給第二差分放大器。
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