直流电源模块的控制电路的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种控制电路，其用于控制单相电源模块的直流输出，其中该单相直流电源模块直流输出与至少另一个单相直流电源模块并联，该控制电路包括：稳压均流环，配置成通过反馈控制该单相电源模块中开关电源的开启时间或开启频率来稳定所述直流输出的输出电压并均衡其输出电流；纹波抑制环，配置成以负反馈方式将与检测到的所述输出电流相对应的信号叠加到所述稳压均流环中的反馈控制信号上，其中所述稳压均流环中的反馈控制信号用于控制所述开关电源的开启时间或开启频率。
【专利说明】直流电源模块的控制电路
【技术领域】
[0001 ] 本发明总体涉及直流电源模块，尤其涉及并联方式运行的直流电源模块。
【背景技术】
[0002]直流电源系统适于给一些需要不间断电源的用电装置提供直流供电电源，这些需要不间断电源的用电装置例如包括设置在如电厂、变电站等特殊机构中的那些用作控制、通信、自动保护、事故照明等的用电设备。
[0003]目前，常见的直流电源系统一般是通过对三相交流电信号进行交/直流变换来得到直流输出。图1示例性地示出了一种常见的三相直流电源模块。这种电源模块可以采用三相四线交流输入，且采取三相电流并联输出，因而无相序要求，无中线电流损耗等。具体地，如图1所示，三相直流电源模块包括分别针对每个单相交流电信号进行变换的单相直流电源模块。每个单相直流电源模块进一步包括:用于将单相交流电转换为中间直流电压的AC/DC变换模块(该模块可带有功率因数校正功能(PFC)，例如图1所示PFC_A?PFC_C模块)；用于将该中间直流电压转换为所需直流输出的DC/DC变换模块(例如图1中的DC/DC_A?DC/DC_C模块)。由此得到的三相的直流输出最后并联在一起形成最终送到母线上的一路直流输出Vout。这里，三相直流输出可采用多种方式彼此并联。一种示例性的方式是如图1所示在每个单相直流输出线路上串联一个二极管，从而实现三相直流输出并联。或者，该二极管也可以由场效应管来替代。
[0004]由于图1所示的这种三相直流电源模块采取了三相直流并联输出的方式，因此每个单相直流电源中的DC/DC模块的输出不仅需要稳定到一个预定的输出电压Vo_set，还要实现三个单相直流电源模块之间的均流控制，即，使得每相直流电源模块分担近乎相等的电流，以确保彼此并联的三相之间的电流应力和热应力的分布均衡。
[0005]图2示例性地示出了图1中带有稳压均流控制环100的单相DC/DC模块的拓扑结构。如图2所示，在此DC/DC模块中，开关电源10接收来自图1中例如PFC_A的输出。开关电源10的输出送入变压器20，并由变压器20变换到总线上所需的直流电压。该直流电压进一步经整流滤波单元30处理后形成输出到总线上的直流输出Out。由于负载的变化等原因，该直流输出Out的输出电压Vout和其输出电流1ut可能会发生波动。为了使得该输出电压Vout稳定在预定电压值Vo_set并且实现如上所述的均流控制，图2中的DC/DC电源模块还配备有一个稳压均流控制环100 (以下简称稳压均流环)。该稳压均流环100配置成通过反馈控制图2中的开关电源10的开启时间或开启频率来实现对直流输出Out的稳压和均流。图2还示例性给出了一种稳压均流环的配置方式。具体地，稳压均流环100中的电压采样电路110采样直流输出Out的输出电压Vout，并将其送入比较电路120。在比较电路120中，采样的输出电压Vout与一参考电压Vref进行比较，该参考电压Vref为用于稳压控制的期望输出电压Vo_set和用于均流控制的调节电压Vo_adj之和。比较电路输出采样的输出电压Vout与参考电压Vref之间的电压差值，并将其作为反馈控制信号Ctrl输出给作为开关电源控制电路的例如一个脉宽调制电路(PWM) 130，其用于控制开关电源10的开启时间或开启频率。由此图2所述的稳压均流环可以使得单相直流电源模块的直流输出不仅具有稳定电压还能达到期望的均流值。
[0006]然而，由于直流输出中还存有部分低频的交流分量，当输出电压较高时，在直流输出端Out会出现较大的纹波电流。例如，对于输出电压大约为几十伏的情况，纹波电流的频率可以达到约IOOHz，纹波电流峰峰值为4.3A左右，振荡幅值为额定输出电流的大约54%。
【发明内容】
[0007]本发明的一个目的在于提出一种新的用于单相直流电源的控制电路，其能够较为有效地抑制直流输出中的纹波。本发明的又一个目的在于利用简单的电路来实现纹波抑制，且在最小程度上影响现有电路设计。
[0008]为实现上述目的，本发明提出了一种控制电路，其用于控制单相电源模块的直流输出，其中该单相直流电源模块直流输出与至少另一个单相直流电源模块并联，该控制电路包括:稳压均流环，配置成通过反馈控制该单相电源模块中开关电源的开启时间或开启频率来稳定所述直流输出的输出电压并均衡其输出电流；纹波抑制环，配置成以负反馈方式将与检测到的所述输出电流相对应的信号叠加到所述稳压均流环中的反馈控制信号上，其中所述稳压均流环中的反馈控制信号用于控制所述开关电源的开启时间或开启频率。
[0009]优选地，所述纹波抑制环包括:电流采样电路，用于采样所述直流输出的输出电流；叠加电路，用于将与采样出的输出电流对应的信号和所述反馈控制信号反向叠加，叠加后的反馈控制信号用于控制所述单相电源模块中开关电源的开启时间或开启频率。更为优选地，所述纹波抑制环还包括:第一增益电路，用于以预定比例放大所述电流采样电路采样出的输出电流；所述叠加电路，用于计算所述稳压均流环中的所述反馈控制信号与所述电流增益电路的输出之间的差值，所述差值作为所述叠加后的反馈控制信号。
[0010]在本发明的一个实施例中，所述稳压均流环包括:电压采样电路，用于采样所述直流输出的输出电压；比较电路，用于将采样出的输出电压与一预定参考电压进行比较，所得到的二者之间的电压差值，用于形成所述反馈控制信号，其中所述预定参考电压为期望的稳定电压与用于均流的调节电压之和；开关电源控制电路，用于响应于输入的反馈控制信号而调整开关电源的开启时间或开启频率。优选地，所述稳压均流环还包括:比例积分电路，用于对所述比较电路输出的电压差值进行比例积分(PI)运算，所得到的比例积分值用于形成所述反馈控制信号。更为优选地，所述稳压均流环还包括:第二增益电路，用于按预定增益放大所述叠加后的反馈控制信号。在本发明例举的实施例中，所述开关电源控制电路为脉宽调制电路，用于响应于所述叠加后的反馈控制信号，调制用于控制开关电源驱动的脉冲频率和/或脉冲宽度。
[0011 ] 由于在本发明中，单相直流电源模块的控制电路部分除了稳压均流控制环路之外增加了一个纹波抑制环路，即在稳压均流环中间加入输出电流的前馈，因而单相直流电源模块可以具有较快的动态下垂特性。同时，由于纹波抑制环路中输出电流的前馈点叠加在稳压均流控制环的反馈控制信号，例如比例积分电路的输出上，所以对直流电源模块的输出负载调整率没有任何影响。由此，纹波抑制环能够有效地优化均流后的电流输出特性，即，达到了降低低频电流纹波的效果。此外，本发明提出的电路中纹波抑制环路控制可增加到任何类型的现有稳压均流控制环上，而无需对现有电路进行过多更改，因此本发明结构简单，便于移植，且可以应用到模块和模块之间的均流优化应用中，而不限于本发明实施例中所给出的三相直流电源模块。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]本发明的目的、特点、特征和优点通过以下结合附图的详细描述将变得更加显而易见。其中:
[0013]图1示出了现有三相直流电源模块的结构示意图；
[0014]图2示出了现有的具有稳压均流控制环的单相直流电源中的DC/DC模块的示意图；
[0015]图3示出了根据本发明一个实施例的具有纹波抑制环的单相直流电源控制电路。【具体实施方式】
[0016]以下将结合附图描述本发明的各个实施例。通过以下描述，本发明的上述优势将
会更容易理解。
[0017]直流输出中纹波的出现主要原因在于现有直流电源模块的稳压均流控制环路在低频部分的增益较低，例如在IOOHz处的增益接近为零。这导致稳压均流控制环对于IOOHz左右的纹波的抑制能力降低。而且，由于直流电源模块的输出范围较大，负载范围广，因而如果纯碎通过稳压均流控制环来解决纹波问题，且同时保证整个工作范围内的控制环路特性达到期望的要求，则具有一定的难度。鉴于此，本发明提出了在图2所示的稳压均流控制环路之外增加一个纹波抑制环路，即在稳压均流环中间加入输出电流的前馈，以使单相直流电源模块具有较快的动态下垂特性。同时，由于纹波抑制环路中输出电流的前馈点叠加在稳压均流控制环中的反馈控制信号Ctrl (其用于控制开关电源的开启时间或开启频率)上，因而具有纹波抑制环的直流电源模块所产生的输出电压的负载调整率相较与传统直流电源模块更高。由此，纹波抑制环能够有效地优化均流后的电流输出特性，即，达到降低低频电流纹波的效果。
[0018]图3示例性地示出了根据本发明一个实施例的具有上述纹波抑制环的单相直流电源的控制电路。在图3中，稳压均流环100配置成通过反馈控制开关电源10的开启时间或开启频率来实现对直流输出Out的稳压和均流。具体地，图3中，稳压均流环100包括电压采样电路110、比较电路120以及脉宽调制电路(PWM)130。其中，电压采样电路110从整流滤波后的直流输出端Out处采样实际的输出电压Vout。比较电路120将采样得到的输出电压Vout与一个参考电压Vref进行比较，并将二者之间的电压差值Vd作为反馈控制信号Ctrl输出给PWM 130。PWM 130响应于该反馈控制信号Ctrl而调整开关电源10的脉冲宽度/脉冲频率/移相角。
[0019]在图3所示的例子中，为了稳压和均流，参考电压Vref为用于稳压的预定电压Vo_set和用于实现均流的调节电压Vo_adj之和。其中，均流调节电压Vo_adj可以是根据均流策略通过DSP (数字信号处理手段)处理后得到的调节电压，其目的是使得例如图1种所示的三相直流输出的电流彼此均衡。然而，本领域技术人员可以理解的是，稳压均流环还可以有多种其他的实现方式。比如，均流方法可以采用下垂法、有源均流法等，其中有源均流法又可以包括最大电流法(也称之为民主均流法)、平均电流法、主从均流法等多种均流策略。这些均流方法和策略均可以用来替换图3所示的稳压均流环。此外，图3所示的稳压均流环也还可以配置成包括稳压环和均流环的多种不同控制结构。例如，稳压均流环可以配置成均流环和稳压环双环调整的方式，即稳压环输出的反馈控制信号与均流环的反馈控制信号叠加在一起后一起用于控制PWM。这些变化，对于本领域技术人员而言同样是显而易见的。
[0020]再者，在图3给出的例子中，比较电路120输出的电压差值Vd还优选地送入一个比例积分(PI)电路140，以对电压变化进行积分得到比例积分值Vint，防止短时突变引起的错误调节。这时，比例积分值Vint即可用作反馈控制信号Ctrl。此外，图3给出的例子中，稳压均流环100还包括一个增益电路150，其用于将来自比例积分电路140的输出放大后送入PWM 130。整个稳压均流环的增益将决定该控制环的环路特性。本领域技术人员可以根据实际需要调整稳压均流环中各个电路的增益大小。
[0021]图3中的单向直流电源的控制电路部分除了稳压均流环100之外还包括一个纹波抑制环200。纹波抑制环200至少包括一个电流采样电路210和一个叠加电路220。电流采样电路210用于对该单相DC/DC模块输出端的输出电流1ut进行采样。叠加电路220用于将采样出的输出电流1ut以负反馈的方式叠加到稳压均流环100中用于控制PWM 130的反馈控制信号Ctrl上。优选地，纹波抑制环200还可以包括一个增益电路230，用于对采样出的输出电流1ut进行放大，并将放大后的输出电流送入叠加电路220。
[0022]具体地，例如，如图3所示，叠加电路220为一个反向叠加电路，即，将来自比例积分电路140的用作稳压均流环中的反馈控制信号的比例积分值Vint与放大后的采样电流信号1ut 二者做差，所得差值作为叠加后的反馈控制信号Ctrl+输出给PWM 130。这样，在图3中，如果采样到的输出电流1ut因纹波的存在而增大时，则纹波抑制环200将该增加的输出电流反馈到叠加电路220,并从比例积分电路140输出的积分值Vint中减去该输出电流，从而得到经电流补偿(或叠加)后的反馈控制信号Ctrl+。由此，PWM 130将相应调整开关电源的脉冲频率或宽度，以在一定程度上通过降低输出电压来抑制该电流纹波。
[0023]采用图3所示的带有纹波抑制环的控制电路可以较为有效地实现优化均流的目的。同样在输出电压为例如几十伏的情况下，IOOHz处的电流振荡幅值能够衰减为之前的
6.5%，而最大电流纹波的峰峰值也可降为0.68A，振荡幅值为额定输出电流的8%，处于可接受的合理范围内。
[0024]图3所示出了纹波抑制环200的具体电路结构同样可以有多种实现方式。比如，该电流采样电路可以采用由运放构成的采样放大电路，也可以采用电阻、三极管等元件搭建的采样放大电路。这些变化对于本领域技术人员而言同样是显而易见的。此外，根据实际需要在纹波抑制环200中还可以加入其他辅助电路。
[0025]另外，虽然在本说明书中的图1-3都是以三相直流电源模块为例来描述本发明，但是本领域技术人员可以理解的是，上述带纹波抑制环的控制电路还可以应用在其他模块和模块之间(例如两个或多个模块之间)的均流方案中，而不局限于三相直流电源模块。
[0026]此外，以上所述的控制电路的结构是示例性的。根据实际需要中，控制电路所包括的各个电路可以合并或拆分成不同的电路，也可以集成在一个电路中。这一点对于本领域技术人员而言是显而易见的。
[0027]本领域技术人员应当理解，上面所公开的各个实施例可以在不偏离发明实质的情况下做出各种改变和修改，这些改变和修改都应当落在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书来限定。
【权利要求】
1.一种控制电路，用于控制单相电源模块的直流输出(Out)，其中该单相直流电源模块直流输出与至少另一个单相直流电源模块并联，该控制电路包括: 稳压均流环(100)，配置成通过反馈控制该单相电源模块中开关电源的开启时间或开启频率来稳定所述直流输出(Out)的输出电压(Vout)并均衡其输出电流(1ut)； 纹波抑制环(200)，配置成以负反馈方式将与检测到的所述输出电流(1ut)相对应的信号叠加到所述稳压均流环(100)中的反馈控制信号(Ctrl)上，其中所述稳压均流环(100)中的反馈控制信号(Ctrl)用于控制所述开关电源的开启时间或开启频率。
2.如权利要求1所述的控制电路，其中，所述纹波抑制环(200)包括: 电流采样电路(210)，用于采样所述直流输出(Out)的输出电流(1ut)； 叠加电路(220)，用于将与采样出的输出电流(1ut)对应的信号和所述反馈控制信号(Ctrl)反向叠加，叠加后的反馈控制信号(Ctrl+)用于控制所述单相电源模块中开关电源的开启时间或开启频率。
3.如权利要求2所述的控制电路，其中，所述纹波抑制环(200)还包括: 第一增益电路(230)，用于以预定比例放大所述电流采样电路(210)采样出的输出电流(1ut)； 所述叠加电路(220)，用于计算所述稳压均流环中的所述反馈控制信号(Ctrl)与所述第一增益电路(230)的输出之间的差值，所述差值作为所述叠加后的反馈控制信号(Ctrl+)。
4.如权利要求1-3中任一所述的控制电路，其中，所述稳压均流环(100)包括: 电压米样电路(I 10)，用于米样所述直流输出(Out)的输出电压(Vout)； 比较电路(120)，用于将采样出的输出电压(lout)与一预定参考电压(Vref )进行比较，所得到的二者之间的电压差值(Vd)用于形成所述反馈控制信号(Ctrl)，其中所述预定参考电压(Vref)为期望的稳定电压(Vo_set)与用于均流的调节电压(Vo_adj)之和； 开关电源控制电路(130)，用于响应于输入的反馈控制信号而调整开关电源的开启时间或开启频率。
5.如权利要求4所述的控制电路，其中，所述稳压均流环(100)还包括: 比例积分电路(140)，用于对所述比较电路(120)输出的电压差值(Vd)进行比例积分运算，所得到的比例积分值(Vint)用于形成所述反馈控制信号(CtrI)。
6.如权利要求1-3中任一所述的控制电路，其中，所述稳压均流环(100)还包括: 第二增益电路(150)，用于按预定增益放大所述叠加后的反馈控制信号(Ctrl+)。
7.如权利要求1所述的控制电路，其中，所述开关电源控制电路为脉宽调制电路(130)，用于响应于所述叠加后的反馈控制信号(Ctrl+)，调制用于控制开关电源驱动的脉冲频率和/或脉冲宽度。
【文档编号】H02M3/28GK103516219SQ201210201915
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年6月15日 优先权日:2012年6月15日
【发明者】胡小勇, 黄蕾, 王磊, 蒋大卫, 潘叶辉, 徐永强 申请人:西门子（中国）有限公司