专利名称：一种直流开关电源并联系统均流控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及开关电源技术领域，尤其涉及ー种直流开关电源并联系统均流控制装置。
背景技术：
八十代开始，为适应大功率供电系统负载安全性的考虑，开始对分布式电源系统进行初歩研究。传统的供电系统为提高供电的可靠性，每个负载需要备有两套完全一祥的电源设备，其成本増加了一倍。分布式电源系统利用新电源理论和技木，采用较小的电源功率电路，组合成模块式、智能化的大功率电源系统。在分布式电源系统中，模块电源具有独立性和灵活性，这种设计打破了功率上的局限，其容量可根据用户的需求或依负载变化进 行扩展，使电源系统的体积、重量大为降低；且系统可方便地采用冗余设计，提高了系统的可靠性。当某一模块发生故障，能够方便地更换此模块，而不影响系统的正常工作，提高了系统的安全性。由于系统由标准化的模块组合而成，电源产品便于规范化，不但降低电源的设计成本和重复投资，还可減少生产和维护费用。在模块化分布电源系统中，为了实现完全稳定可靠的工作，模块化电源的并联技术则显得尤为重要。由于并联运行中每个模块的外特性不一致，外特性好(电压调整率小)的模块，可能承担更多的电流，甚至过载，而某些外特性差的模块运行于轻载或者空载的状态下，其结果是分担电流多的模块可靠性大大降低。因而在模块并联运行系统中必须设计有效的负载分配控制策略。并联模块均流技术是实现模块化大功率电源系统的重点，以保证各模块间电应カ和热应カ的均匀、合理分配，防止一个或多个模块工作于电流极限状态。因此，并联均流理论和技术成为当前电カ电子技术的研究重点。在电源并联系统中，实现均流控制常用的并联均流方法共有六种输出阻抗法、主从设置法、热应カ自动均流法、外加均流控制器法、平均电流自动均流法、最大电流自动均流法。①输出阻抗法是通过调节电源的输出阻抗以达到并联模块接近均流的目的。在并联电源模块系统中，各个电源模块是独立工作的。每个模块根据其外特性以及电压參数值来确定输出电流。该方法本质上属于开环控制，因此该方法简单，不需要外加专门的均流装置。但是，该方法使得电源的调整精度不高，每个模块必须进行个别调整，如果并联的模块功率不同的话，容易出现模块间电流不平衡的现象。②主从设置法是将多个并联电源模块中的一个作为主模块，其他模块跟随主模块工作。主模块的工作电流与输出反馈信号进行比较，将差值信号反馈回各电源模块(包括主模块和从模块)的控制电路，从而调节各模块的输出电流大小。主从设置法属于闭环控制，不需要外加专门控制电路，因此均流精度比较高。但是各个模块间需要有通信联系，连线比较复杂，而且一旦主模块出现故障，则整个电源系统将崩溃，不适用于冗余并联系统。③热应力自动均流法是利用监测电源系统中每个电源模块单元的温度来实现自动均流。电源系统中各并联模块在电源柜中所处的位置不同，对流情况和散热条件也不同，结果有的模块温度高，有的模块温度低。该方法使其温度高的模块单元输出电流小，温度低的电源模块输出电流大，从而达到均流的目的。由于对噪声不敏感，该方法无需考虑电源对噪声的屏蔽，但需要附加控制器，且连线较多。④外部控制器法是在各并联电源模块之外，加一个专门进行并联均流控制的外部模块。每个模块的输出电流采样，转化为电压信号，与给定的电压进行比较，所得差值输入到各电源模块的控制部分，这样就可以实现各模块输出电流的并联均流。该方法均流效果非常好，各模块输出电流基本相等，但需要外加专门控制器，而且控制器与个电源模块要进行多路连接，连线较复杂。⑤平均电流自动均流法要求并联各模块的电流放大器输出端通过ー个电阻R接到一条公用母线上，称为均流母线。直流开关电源并联系统的平均电流自动均流法如图I所示。该方法电路简单，可以精确地实现均流，但当均流母线发生短路，接在母线上的任一 个模块不能工作时，母线平均电压下降，将促使各模块电压下调，甚至到达其下限，结果造成故障，不适用于具有电源模块故障自动退出机制的电源并联系统。⑥最大电流自动均流法是ー种自动设定主模块和从模块的方法，即在n个并联的模块中，输出电流最大的模块，将自动成为主模块，而其余的模块则为从模块，它们的电压误差依次被整定，以校正负载电流分配的不平衡，又称为“自动主从控制法”。直流开关电源并联系统的最大电流自动均流法如图2所示。采用该方法的并联模块电源间不是孤立的，而是通过一条均流母线联系起来。它为每ー个模块电源提供了一个电流基准值，而所有并联模块电源则依据这个基准值来调整其输出电流，实现系统总输出电流在各并联电源中的精确均分，因而是ー种优良的均流方法。采用这种方法可以实现较好的冗余，不会因为某ー模块的故障而影响整个系统的运行，而且均流母线的抗干扰性能较好。但是由于主从模块总处于不断的切換中，会导致各个模块的输出电流产生ー个低频振荡；同时由于各个电源是以“最大电流”为输出电流基值，除实际输出电流为最大值的那个电源外，其他电源的输出电流都要向上调节，只有输出电流为最大值的那个电源的输出电流才会下降，在负载不变情况下，必然出现多个电源输出电流的増加量大于单个电源输出电流的减少量，结果导致电源输出端电压高于额定电压，产生“过电压”，这种“过电压” 一方面必然会对电源和负载的可靠性、安全性带来不利影响，另一方面会被动地增加电源已经很高的调节频率，从而影响整个系统的动态响应。针对以上六种方法的缺点，有学者发明了“并联直流开关电源双均流母线均流控制电路及控制方法”，并提出了基于智能控制器(CPU)的四种均流控制方法。整体上，该电源并联系统由于每ー个电源模块都应用了智能控制器(CPU)和软件编程技木，同时求取最大电流值和最大电流差值的硬件电路比较复杂，因而会系统成本大大增加。同时提出的四种均流控制方法也各有不足之处①最小电流均流控制方法每ー个电源模块的智能控制器根据A/D转换电路传送来的第一均流母线和第二均流母线上的信号(最大电流值和最大电流差值)计算出在电源模块中最小输出电流。以最小输出电流为基准，除实际最小输出电流电源模块外，其他电源模块的的输出电流都向下调节，在负载不变情况下，必然出现多个电源模块输出电流減少量大于单个电源模块输出电流增加量，结果导致电源模块输出端电压低于额定电压，产生“欠电压”，这种“欠电压” 一方面满足不了负载对电源性能的要求，另ー方面也会被动增加电源已经很高的调节频率，从而影响整个系统的动态响应。②简化最小电流均流控制方法智能控制器(CPU)通过将采集到的自身输出电流信号与最大电流信号相比较，判断出自身是否为输出电流为最大值的电源模块，只有最大输出电流的电源模块以最小输出电流为基准调节，其他电源并不进行均流控制，随着最大输出电流电源模块输出电流的下降，在负载不变情况下，其他直流开关电源的输出电流上升，必然会有另外ー个电源的输出电流成为最大值，则这 个新的最大输出电流电源模块开始以最小输出电流为基准进行调节，原先最大输出电流电源模块则退出调节。理论上，说该方法由于一次只调节ー个电源模块，因而并联系统电源的调节频率应该很低，但是由于最大输出电流电源模块输出电流的下降，会导致其他电源模块的输出电流上升，电源调节频率反而增加，从而影响系统动态响应；同时该方法没有考虑到有多个电源模块输出电流为最大值的情况，当多个最大输出电流电源模块的输出电流都向最小电流值靠近时将会导致其他直流开关电源的输出电流更多地上升，电源调节频率会更大，影响系统动态响应。③中间电流均流控制方法每个电源模块的智能控制器(CPU)根据最大电流值和最大电流差值计算出一个中间电流值，并以中间电流值作为基准，调节输出电流。输出电流大于中间电流值的电源模块都减小其输出电流，而输出电流小于中间电流值的电源模块都増加其输出电流。该方法会导致所有电源模块都參与调节，因而系统的调节频率本身会很高，同时是以中间电流值作为基准，并不是以平均电流值为基准，因而系统的调节频率本身会更高，进而影响系统动态响应。④简化中间电流均流控制方法每个电源模块的智能控制器(CPU)通过将采集到的自身电流信号与最大电流信号和最小电流信号相比较，可以判断出自身是否为输出电流最大值或最小值的那个最大电流。最大输出电流和最小输出电流的那两个输出电流以中间电流值为基准进行调节，其他输出电流并不进行均流控制，随着最大电流值的下降和最小电流值的上升，必然会有其他的电源模块取代原有的最大输出电流电源模块和最小输出电流电源模块，进而对其自身输出电流进行调节。理论上，说该方法由于一次只调节两个电源模块，因而并联系统电源的调节频率比较很低，但是由于最大输出电流电源模块输出电流的下降和最小输出电流电源模块输出电流的上升是以中间电流值作为基准，并不是以平均电流值为基准，电源调节频率反而增加，从而影响系统动态响应；同时该方法没有考虑到有多个电源模块输出电流为最大值和最小值的情况，当多个最大输出电流电源模块的输出电流増加量和多个最小输出电流电源模块的输出电流减少量不相等时，将会导致电源并联系统不是“过电压”就是“欠电压”，进而影响电源输出性能，同时会使调节频率増加，影响系统动态响应。实现开关电源模块的合理并联运行成为提高电源系统运行可靠性和扩大供电容量而急需解决的重要问题，也成了近年来国内外电源领域研究的一个热点问题。现有各种均流控制方法的缺点，限制住了直流电源并联运行的整体性能，随着直流电源功率的不断增长，急需改进或提出新的、均流效果更为理想的均流控制电路及方法。因此，提出ー种电源模块调节频率低、动态响应快、具有电源模块故障退出机制、可用于具有冗余结构电源系统的均流方法是未来直流开关电源并联系统的趋势。
发明内容[0017]为克服直流开关电源并联系统常用均流方法的不足，本实用新型提出了ー种直流开关电源并联系统均流控制装置，适用于具有冗余结构的电源并联系统，提高了电源系统及负载的可靠性和安全性；并且在不用智能控制器(CPU)和复杂的编程技术，降低了电源设备成本，实现了并联系统的均流目的，降低了系统电源模块的调节频率，有效避免了输出电流广生低频振荡，进而提闻了系统动态响应。为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案一种并联开关电源均流控制装置，包括若干个并联的开关电源均流模块、极值电流选择电路；所述若干个并联的开关电源均流模块的负载输出端与负载相连，所述若干个并联的开关电源均流模块的极值电流选择端与极值电流选择电路相连；所述并联的开关电源均流模块包括开关电源模块、电流检测电路、和值控制器、均流控制器、运行/故障指示电路、极值电流选择电路；所述电流检测电路的输入端与开关电源模块主电路相连接，电流
检测电路的第一输出端电压信号^与运行/故障指示电路相连接，电流检测电路的第二输
出端电压信号^通过输出给定偏差电压At；的均流控制器与和值控制器相连接，电流检测
电路的第三输出端电压信号^通过电阻RS与选出最大电流和最小电流的极值电流选择电
路的输入端相连接；所述和值控制器的第一输入端与并联开关电源模块的给定电压K相连接，所述和值控制器的输出端与开关电源模块的输入电压控制端相连接。ー种新型并联开关电源均流控制装置，极值电流选择电路是利用电流检测电路输
出的电压信号^通过最大电流选择母线和最小电流选择母线选出输出电流最大和最小的并联开关电源模块的一种电路，由与若干个并联的开关电源均流模块数量相对应的ニ极管组并联构成，ニ极管组串联的连接点与开关电源均流模块的极值电流选择端相连。ー种新型并联开关电源均流控制装置，运行/故障指示电路是利用电流检测电路
输出的电压信号^通过光耦合器、继电器、运行指示灯、故障指示灯，构成决定并联开关电源模块投入或者退出运行的ー种电路。ー种新型并联开关电源均流控制装置，均流控制器是利用极值电流选择电路选出由电流检测电路输出的最大电压信号丽和最小电压信号之间的电压差作用在电
阻民和母线隔离电路4上，并通过电阻尽上的压降求输出最大电流和输出最小电流并联
开关电源模块各自所需要的电压差匕的一种控制器。ー种新型并联开关电源均流控制装置，和值控制器是利用均流控制器输出的给定偏差电压AK和并联开关电源模块的给定电压K产生并联开关电源模块的输入控制电压
K的一种控制器。由于采用如上所述的技术方案，本实用新型具有如下优越性ー种直流开关电源并联系统均流控制装置，由于采用了运行/故障指示电路，即使在某一基本単元故障情况下，也能使系统正常运行，从而可以适用于具有冗余结构的电源并联系统，提高了电源系统及负载的可靠性和安全性；本实用新型由于只使用了电阻和ニ极管组成的硬件电路就实现了并联系统的均流目的，而不是使用智能控制器(CPU)和复杂的编程技木，因而电源设备成本大大降低；同时该方法使得无论多少个基本単元被调节，但总有最大输出电流基本単元的电流减少量和最小输出电流基本単元的电流增加量相等。因此，在负载不变情况下，只有最大输出电流基本単元和最小输出电流基本単元的电源模块电流得到调节，而其他基本単元的电源模块电流基本不变，从而从本质上降低了系统电源模块的调节频率，有效避免了输出电流产生低频振荡，进而提高了系统动态响应。
图I.直流开关电源并联系统的平均电流自动均流法。图2.直流开关电源并联系统的最大电流自动均流法。图3.直流开关电源并联系统的极值电流自动均流法。 图4 J = I, J=I时极值电流选择电路等效图图5 i = > I时极值电流选择电路等效图图6 i > J = I时极值电流选择电路等效图图7 i > !■ J > I时极值电流选择电路等效图
具体实施方式
本实用新型直流开关电源并联系统均流控制装置的实施方式结合图3所示，有n个开关电源模块(基本単元)并联运行，分别为基本単元I到基本单元n ;所有基本单元通过极值电流选择电路联系在一起。在硬件电路结构上，包括开关电源模块主电路、电流检测电路、和值控制器、均流控制器、运行/故障指示电路、极值电流选择电路。开关电源模块主电路开关电源模块主电路可以采用现有的各种直流开关电源电路；包括直接直流-直流变换电路、间接直流-直流变换电路。电流检测电路电流检测电路由电流传感器CTl构成；电流传感器可采用现有的各种电流传感器，最好用霍尔型电流传感器，利用霍尔型电流传感器可以把电流信号转换为电压信号。均流控制器均流控制器利用电阻和运算放大器实现，电阻和运算放大器可以构成反相放大器电路，它可以实现如下计算びr_—= - xK(5)当> 0 时，Ai/r—_ <0 ;当り <0 时，>0 ;当 = 0 时，— 0 ;这样，就可以通过抑制极值电流实现均流的目的。和值控制器和值控制器利用电阻和运算放大器实现，电阻和运算放大器可以构成加(減)法器电路，它可以实现如下计算V; = Fr +(6)运行/故障指示电路运行/故障指示电路由光耦合器、直流继电器、为直流继电器供电小型直流电源、续流ニ极管、运行指示灯、故障指示灯、电阻构成，光耦合器最好用快速型的。[0044]极值电流选择电路极值电流选择电路由ニ极管、最大电流选择母线、最小电流选择母线及电阻构成，最大电流选择母线和最小电流选择母线采用具有屏蔽层的电缆线，电阻Aa阻值选择应该是电阻尽的十倍以上，ニ极管用低导通压降快速型的。当所有开关电源模块的电流信号い)到达极值电流选择电路时，只有最大的电流信号)才能让上桥臂ニ极管导通到达最大电流选择母线，经过电阻式* ,同时只有最小的电流信号( )才能让下桥臂ニ极管导通到达最小电流选择母线，这样，只有最大输出电流基本单兀和最小输出电流基本单兀的电阻民上电压K 本0 :最大输出电流基本单兀电阻上电压。=>0 ;最小输出电流基本单兀电阻見上电压=び衫<0。电压匕输入均流控制器，当K >0吋，<0 ;当匕<0吋，;当匕=0吋，=0。均流控制器的输出电压与电压K的极性相反。然后均流控制器的输出电压输入和值控制器，这样使得最大输出电流基本単元的给定电压=!
+ Arr_nm < Vr，从而使最大输出电流基本单元的输出电流减少；使得最小输出电流基本单
元的给定电压K = K+ AVr_^ > 6，从而使最小输出电流基本単元的输出电流増加。进而达到均流的目的。—种直流开关电源并联系统均流控制方法，是通过每ー个基本単元的电流检测电路得到代表基本単元输出电流大小的电压值^、匕2......然后送入到极值电
流选择电路，利用最小电流选择母线和最大电流母线得到，个输出电流最大(K'腿)的基
本単元和个输出电流最小(レ)的基本単元，利用极值电流选择电路电压匕和电
压^之间产生的电压差作用在电阻式和电阻I上，通过电阻式求输出电流最大和输
出电流最小基本単元各自所需要的电压差^_■ = >0和匕__ = Uせ<0,且分四种情况①当i = l、j = 1时，此时有ー个最大输出电流基本单元和ー个最小输出电流基本単元，极值电流选择电路等效图如图4所示。根据输入电阻I和输出电阻ん的电流相等原则，可以得到下式
「 I v e mas:^ e mici , TrTrへ、~- = -K_msx. — mia(I)
KjKs②当i = L J >〗时，此时有ー个最大输出电流基本单元和ノ个最小输出电流基本単元，极值电流选择电路等效图如图5所示。根据输入电阻和输出电阻的电流相等原则，可以得到下式[0050]
权利要求1.一种并联开关电源均流控制装置，其特征在于包括若干个并联的开关电源均流模块、极值电流选择电路；所述若干个并联的开关电源均流模块的负载输出端与负载相连，所述若干个并联的开关电源均流模块的极值电流选择端与极值电流选择电路相连；所述并联的开关电源均流模块包括开关电源模块、电流检测电路、和值控制器、均流控制器、运行/故障指示电路、极值电流选择电路；所述电流检测电路的输入端与开关电源模块主电路相连接，电流检测电路的第一输出端电压信号^与运行/故障指示电路相连接，电流检测电路的第二输出端电压信号通过输出给定偏差电压AP；的均流控制器与和值控制器相连接，电流检测电路的第三输出端电压信号匕通过电阻RS与选出最大电流和最小电流的极值电流选择电路的输入端相连接；所述和值控制器的第一输入端与并联开关电源模块的给定电圧相连接，所述和值控制器的输出端与开关电源模块的输入电压控制端相连接。
2.根据权利要求I所述的一种新型并联开关电源均流控制装置，其特征在于极值电流选择电路是利用电流检测电路输出的电压信号G通过最大电流选择母线和最小电流选择母线选出输出电流最大和最小的并联开关电源模块的一种电路，由与若干个并联的开关电源均流模块数量相对应的二极管组并联构成，二极管组串联的连接点与开关电源均流模块的极值电流选择端相连。
3.根据权利要求I所述的一种新型并联开关电源均流控制装置，其特征在于运行/故障指示电路是利用电流检测电路输出的电压信号G通过光耦合器、继电器、运行指示灯、故障指示灯，构成决定并联开关电源模块投入或者退出运行的一种电路。
4.根据权利要求I所述的一种新型并联开关电源均流控制装置，其特征在于均流控制器是利用极值电流选择电路选出由电流检测电路输出的最大电压信号匕_飄和最小电压信号之间的电压差作用在电阻尽和母线隔离电路I上，并通过电阻民上的压降求输出最大电流和输出最小电流并联开关电源模块各自所需要的电压差的一种控制器。
5.根据权利要求I所述的一种新型并联开关电源均流控制装置，其特怔在于和值控制器是利用均流控制器输出的给定偏差电压AP；和并联开关电源模块的给定电圧产生并联开关电源模块的输入控制电压< 的一种控制器。
专利摘要本实用新型涉及开关电源技术领域，公开一种直流开关电源并联系统均流控制装置，包括若干个并联的开关电源均流模块、极值电流选择电路；所述若干个并联的开关电源均流模块的负载输出端与负载相连，所述若干个并联的开关电源均流模块的极值电流选择端与极值电流选择电路相连。本实用新型能够使在某一基本单元故障情况下也能使系统正常运行，从而可适用于具有冗余结构的电源并联系统，提高了电源系统及负载的可靠性和安全性；并且在不用智能控制器(CPU)和复杂的编程技术，降低了电源设备成本，实现了并联系统的均流目的，降低了系统电源模块的调节频率，有效避免了输出电流产生低频振荡，进而提高了系统动态响应。
文档编号H02M3/00GK202405779SQ20112056501
公开日2012年8月29日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者何墉, 姬宣德, 张新娜, 曲振峰, 李婧, 段晓明, 王晓丽, 辛伊波, 郑玉丽, 黄兵兵 申请人:洛阳理工学院