CN104571250B - 一种并联式大功率开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大功率开关电源领域，特别涉及一种并联式大功率开关电源，其包含系统控制单元以及一个以上并联的功率单元，还包括系统反馈单元，所述系统反馈单元的输入端与并联的各个功率单元的总输出回路连接，所述系统反馈单元的输出端与所述系统控制单元的输入端连接，所述系统控制单元的输出端与各个功率单元的控制端连接；本发明各功率单元给定方式由模拟给定和通讯给定结合，提高了电源的可靠性，同时具有系统反馈单元，且其兼容分流器反馈、霍尔反馈、内反馈电流叠加等三种反馈方式实现系统的整体闭环调节。

Description

一种并联式大功率开关电源

技术领域

本发明涉及大功率开关电源领域，特别涉及一种并联式大功率开关电源。

背景技术

随着时代的发展，大功率电源的应用愈来愈广泛，同时，不同行业对大功率电源的电压、电流都有着不同的需求，这就要求同一电源产品，最好可以提供多种电压、电流等级，为了能够适应这种市场需求，增强电源系统的灵活性，并联式大功率开关电源应运而生，但现有的并联式大功率开关电源大多只在各个并联的功率单元内部具有反馈电路，且各个功率单元之间缺乏有效配合，由此造成并联式大功率电源整体的稳定性和可靠性较差。

发明内容

本发明的目的在于为了克服现有的并联式大功率电源整体的稳定性和可靠性较差的问题，提供一种并联的各功率单元间配合更加有效的并联式大功率开关电源。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种并联式大功率开关电源包含系统控制单元以及一个以上并联的功率单元，所述并联式大功率开关电源还包括系统反馈单元，所述系统反馈单元的输入端与并联的功率单元的总输出回路连接，所述系统反馈单元的输出端与所述系统控制单元的输入端连接，所述系统控制单元的输出端与各个功率单元的控制端连接。

所述系统控制单元用于向并联的各个功率单元输出控制信号，用以控制各个功率单元的运行，所述控制信号包括启停信号、同步信号，启停信号用于控制各个功率单元的启停，同步信号用于保证各个并联的功率单元工作在相同时序下；所述系统反馈单元用于将各个功率单元输出电压值以及总输出电流值反馈至系统控制单元。

进一步的，所述功率单元包括功率控制单元、驱动单元、主回路单元以及内反馈单元。

所述功率控制单元的控制端与所述系统控制单元的输出端连接；所述功率控制单元的输入端与所述内反馈单元的输出端连接；所述功率控制单元的输出端与所述驱动单元的输入端连接；所述驱动单元的输出端与所述主回路单元的控制端连接；所述主回路单元的输入端与交流电源连接，所述主回路单元的输出端同时与负载以及所述内反馈单元连接。

所述内反馈单元用于将根据不同方式(如分流器反馈方式、霍尔反馈方式)从所述主回路单元输出端采集到的电压、电流值进行标准化处理并输出标准化的电压反馈值、电流反馈值；所述功率控制单元用于接收系统控制单元的控制信号，并根据所述内反馈单元反馈的电压反馈值、电流反馈值以及所述系统控制单元的控制信号产生驱动脉冲；所述驱动单元用于将所述功率控制单元产生的驱动脉冲信号放大并检测主回路单元的工作状态；所述主回路单元用于对外接交流电源进行交直-交直变换。

进一步的，所述功率控制单元包括基准电压单元、模拟量处理单元、逻辑控制器、电压电流调节器和脉冲宽度调节器；所述电压电流调节器包括给定信号接收端口；所述脉冲宽度调节器包括时钟信号接收端口和使能信号接收端口。

逻辑控制器与所述电压电流调节器和脉冲宽度调节器连接并控制上述各个单元的运行，所述基准电压单元向所述电压电流调节器输出基准电压，所述模拟量处理单元与所述内反馈单元输出端连接，其用于将接收到的电压反馈值、电流反馈值以及系统控制单元发送的模拟给定信号经模拟量处理后传输至所述电压电流调节器；所述电压电流调节器根据接收到的电压反馈值、电流反馈值、基准电压、给定信号(模拟给定信号为给定信号的一种)进行判决并输出脉冲调节信号至所述脉冲宽度调节器；所述脉冲宽度调节器根据接收到的脉冲调节信号、时钟信号、使能启停信号输出驱动脉冲。

进一步的，所述电压电流调节器包括第一选择开关、第二选择开关、电压PI调节器、电流PI调节器；所述第一选择开关的输入端与所述基准电压单元连接，第一选择开关的两个输出端分别与所述电压PI调节器的第一输入端、电流PI调节器的第一输入端连接；所述第二选择开关的输入端为给定信号接收端口，第二选择开关的两个输出端分别与所述电压PI调节器的第一输入端、电流PI调节器的第一输入端连接；电压PI调节器的第二输入端用于接收电压反馈值，电流PI调节器的第二输入端口用于接收电流反馈值；所述电压PI调节器的输出端、电流PI调节器的输出端均输出脉冲调节信号。

在进一步的，所述功率控制单元还包括通讯单元，所述通讯单元用于所述功率控制单元与所述系统控制单元进行通讯连接，所述通讯单元还用于接收所述系统控制单元发送的通讯给定信号并将其传送至所述逻辑控制器，所述通讯给定信号为给定信号的一种。

在进一步的，所述功率控制单元还包括转换单元；所述转换单元的输入端与所述模拟量处理单元连接，用于接收经过所述模拟量处理单元处理的电流反馈值；所述转换单元按照预定转换方式将接收到的电流反馈值转换为模拟电流信号并输出至所述系统反馈单元，这种模式下，系统反馈单元省去了专门的总电流采集单元，只需将各个功率单元传来的模拟电流信号进行累加、转换，即可得到各个功率单元的总电流输出值。

在另外一些实施例中，系统反馈单元包含分流器反馈单元或霍尔反馈单元，所述分流器反馈单元或霍尔反馈单元与所述并联的一个以上的功率单元的总输出回路连接，用于采集各个功率单元的总电流值。

因为各个功率单元为并联设置，因此总回路的电压值与各个功率单元的输出电压相同，系统反馈单元可直接采集总回路的电压值或由各个功率单元将电压反馈值直接传送至系统反馈单元(在各个功率单元直接将电流反馈值和电压反馈值传送给系统反馈单元的实施例中，系统反馈单元不需要专门的针对总回路的电流采集单元或电压采集单元)。

进一步的，所述功率单元还包括逆变电流反馈电路，所述逆变电流反馈电路将所述主回路单元中的逆变电流反馈至模拟量处理单元，经模拟量处理单元的模拟量处理后传送至所述脉冲宽度调节器，当逆变电流值低于预设定值时，脉冲宽度调节器保持输出；当逆变电流值高于预设定值时，脉冲宽度调节器封锁输出。

进一步的，所功率控制单元还包括数字量处理单元，所述数字量处理单元用于接收系统控制单元发送的启停信号、同步信号，并将上述信号进行数字量处理后发送至逻辑控制器，逻辑控制器根据接收到的启停信号情况，向所述脉冲宽度调节器发出使能信号；启停信号用于控制各个功率单元同时启动或停止工作。

逻辑控制器根据接收到的同步信号，向所述脉冲宽度调节器发出时钟信号。

进一步的，所述驱动单元还包括故障监测单元，所述故障监测单元实时监测所述主回路单元的工作状态，并根据监测结果发送故障信号(所述故障信号包括故障状态和正常状态两种)至所述数字量处理单元，所述数字量处理单元将故障信号进行数字量处理后传送至所述脉冲宽度调节器，当脉冲宽度调节器收到主回路存在故障的信号后封锁驱动脉冲。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供的并联式大功率开关电源具有以下有益效果：(1)各功率单元给定方式由模拟给定和通讯给定结合，提高了电源的可靠性。

(2)系统反馈单元的总电流反馈兼容分流器反馈方式、霍尔反馈方式、内反馈电流叠加方式等三种反馈方式实现系统的整体闭环调节。

(3)具有同步信号，可对各功率单元的驱动脉冲进行时序控制，提高电源的稳定性。

(4)系统具有功率单元内反馈单元控制以及系统反馈单元控制的双闭环反馈控制，电源的整体工作精度更高，稳定性更好。

附图说明：

图1为本发明实施例1提供的并联式大功率电源结构框图。

图2为本发明实施例2提供的并联式大功率电源结构框图。

图3为本发明中功率控制单元结构框图。

图4为本发明中电压电流调节器结构图。

图中标记：1-系统控制单元，2-功率单元，21-功率控制单元，211-基准电压单元、212-模拟量处理单元，213-电压电流调节器，214-脉冲宽度调节器，215-逻辑控制器，216-通讯单元，217-转换单元，218-数字量处理单元，22-驱动单元，23-主回路单元以，24-内反馈单元，3-系统反馈单元，31-系统总电流检测器件。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1：如图1所示，本发明的目的在于为了克服现有的并联式大功率电源整体的稳定性和可靠性较差的问题，提供一种并联的各功率单元间配合更加有效的并联式大功率开关电源，包含系统控制单元1以及一个以上并联的功率单元2，所述大功率开关电源还包括系统反馈单元3，所述系统反馈单元3的输入端与并联的各个功率单元2的总输出回路连接，所述系统反馈单元2的输出端与所述系统控制单元1的输入端连接，所述系统控制单元1的输出端与各个功率单元2的控制端连接。

所述系统控制单元1用于向并联的各个功率单元2输出控制信号，用以控制各个功率单元2的运行，所述控制信号包括启停信号、同步信号，启停信号用于控制各个功率单元的启停，同步信号用于保证各个并联的功率单元工作在相同或不同时序下；所述系统反馈单元3用于将各个功率单元2输出的电压值以及总输出电流值反馈至系统控制单元1。

进一步的，所述功率单元2包括功率控制单元21、驱动单元22、主回路单元23以及内反馈单元24。

所述功率控制单元21的控制端与所述系统控制单元1的输出端连接；所述功率控制单元21的输入端与所述内反馈单元24的输出端连接；所述功率控制单元21的输出端与所述驱动单元22的输入端连接；所述驱动单元22的输出端与所述主回路单元23的控制端连接；所述主回路单元23的输入端与交流电源连接，所述主回路单元23的输出端同时与负载以及所述内反馈单元24连接。

所述内反馈单元24采用霍尔反馈方式从所述主回路单元23输出端采集其输出电流值i_f，同时，内反馈单元24还从功率单元2的输出端接收输出电压u_f，并将其进行标准化处理后输出标准化的电压反馈值u′_f、电流反馈值i′_f；所述功率控制单元21用于接收系统控制单元1的控制信号，并根据所述内反馈单元24反馈的电压反馈值u′_f、电流反馈值i′_f以及所述系统控制单元1的控制信号产生驱动脉冲；所述驱动单元22用于将所述功率控制单元21产生的驱动脉冲信号放大；所述主回路单元23用于对外接交流电源进行交直-交直变换。

进一步的，如图3所示，所述功率控制单元21包括基准电压单元211、模拟量处理单元212、逻辑控制器215、电压电流调节器213和脉冲宽度调节器214；所述电压电流调节器213包括给定信号接收端口；所述脉冲宽度调节器214包括时钟信号接收端口、使能信号接收端口。

逻辑控制器215分别与所述电压电流调节器213和脉冲宽度调节器214连接并控制上述各个单元的运行，所述基准电压单元211向所述电压电流调节器213输出基准电压，所述模拟量处理单元212与所述内反馈单元24输出端连接，其用于将接收到的电压反馈值u′_f、电流反馈值i′_f进行模拟量处理为电压反馈量U_FK以及电流反馈量I_FK，并将其传输至所述电压电流调节器213；所述模拟量处理单元212同时还将系统控制单元发送的模拟给定信号进行模拟量处理(所述模拟给定信号为给定信号GDI_OUT的一种)，所述电压电流调节器213根据接收到的电压反馈量U_FK、电流反馈量I_FK、基准电压Vref、给定信号GDI_OUT输出脉冲调节信号SC_XZ至所述脉冲宽度调节器214；所述脉冲宽度调节器214根据接收到的脉冲调节信号SC_XZ、时钟信号TB(由逻辑控制器215发出)、使能信号EN(由逻辑控制器215发出)输出驱动控制脉冲。

进一步的，如图4所示，所述电压电流调节器213包括第一选择开关Q1、第二选择开关Q2、电压PI调节器、电流PI调节器；所述第一选择开关Q1的输入端与所述基准电压单元211连接，第一选择开关Q1的两个输出端分别与所述电压PI调节器的第一输入端、电流PI调节器的第一输入端连接；所述第二选择开关的Q2输入端为给定信号接收端口，第二选择开关的两个输出端分别与所述电压PI调节器的第一输入端、电流PI调节器的第一输入端连接；电压PI调节器的第二输入端用于接收电压反馈值，电流PI调节器的第二输入端口用于接收电流反馈值；所述电压PI调节器的输出端、电流PI调节器的输出端均输出脉冲调节信号SC_XZ。

当第一选择开关Q1的端2和端1连接、第二选择开关Q2的端2和端1连接时(Q1、Q2的端2为输入端，端1、端3为输出端)，电流反馈值I_FK和给定信号经电流PI调节器积分放大后产生第二调节量，电压反馈值U_FK和电压限制信号经电压PI调节器积分放大后产生第一调节量。第一调节量和第二调节量由二极管D1和二极管D2隔离，两个调节量中电平低的一个决定脉冲调节信号SC_XZ输出，二极管D3使脉冲调节信号SC_XZ与第一、第二调节量中低者电平一致。其用于功率部分内环电流负反馈调节，电压限制点可由参考电压Vref设定，此时的控制方式为电流闭环电压限制。

同理，当第一选择开关Q1的端2和端3连接，第二选择开关Q2的端2和端3连接时，电压反馈值U_FK和给定信号，电流反馈值I_FK和电流限制信号分别经电压PI调节器、电流PI调节器积分放大后产生输出脉冲调节信号SC_XZ此时的控制方式为电压闭环电流限制。

本实施例中，所述功率控制单元21还包括通讯单元216，所述通讯单元216用于所述功率控制单元21与所述系统控制单元1进行通讯连接，其用于将功率单元2的启停、复位、给定、故障信息、运行状态传送到系统控制1；所述通讯单元216还用于接收所述系统控制单元1发送的通讯给定信号并将其传送至所述逻辑控制器，所述通讯给定信号为给定信号GDI_OUT的一种，所述逻辑控制器通过控制第三选择开关Q3选择传送给电压电流调节器的给定信号GDI_OUT为通讯给定信号还是模拟给定信号；两种给定方式增加了系统的稳定性。

进一步的，所述功率控制单元21还包括转换单元217；所述转换单元217的输入端与所述模拟量处理单元212连接，其用于接收经过所述模拟量处理单元212处理的电流反馈量I_FK；所述转换单元217按照预定转换方式将接收到的电流反馈量I_FK转换为模拟电流信号(本实施例为将电流反馈量I_FK按照指定比例转换成0～20mA的标准模拟电流信号)并输出至所述系统反馈单元3，所述系统反馈单元3将各个功率单元2反馈回的模拟电流信号进行累加转换，从而得到所述并联大功率开关电源的总回路电流值，本实施例中，系统反馈单元3没有总输出电流的检测器件，仅采用将各个功率单元返回的电流反馈量I_F进行叠加的方式获得总回路的总电流值。

进一步的，所述功率单元2还包括逆变电流反馈电路，所述逆变电流反馈电路将所述主回路23中的逆变电流反馈至模拟量处理单元212，经模拟量处理单元212处理后传送至所述脉冲宽度调节器214作为逆变电流限制，即当逆变电流值i_n低于预设定值时，脉冲宽度调节器保持输出；当逆变电流值i_n高于预设定值时，脉冲宽度调节器封锁输出，增加电源工作的可靠性。

进一步的，所功率控制单元21还包括数字量处理单元218，所述数字量处理单元218用于接收系统控制单元1发送的启停信号、同步信号，并将上述信号进行数字量处理后发送至逻辑控制器215，逻辑控制器215根据接收到的启停信号情况，向所述脉冲宽度调节器214发出使能信号EN，启停信号用于控制各个功率单元2同时启动或停止工作。

逻辑控制器215还根据接收到的同步信号，向所述脉冲宽度调节器214发出时钟信号TB(所述时钟信号的频率可根据设定改变)，从而保证各个并联的功率单元能够同步或异步工作。

进一步的，所述驱动单元22还包括故障监测单元(图中未显出)，所述故障监测单元用于实时监测所述主回路单元23的工作状态，并根据监测结果发送故障信号DRF(所述故障信号包括故障状态和正常状态两种)至所述数字量处理单元218，所述数字量处理单元218将故障信号DRF进行数字量处理后传送至所述脉冲宽度调节器214，当脉冲宽度调节器214收到主回路存在故障的信号后立即封锁驱动脉冲。

实施例2：如图2所示，在本实施例中，除实施例1中所述的器件外，所述系统反馈单元还包括分流器反馈单元或霍尔反馈单元31，所述分流器反馈单元或霍尔反馈单元31与所述电源的总输出回路连接，用于采集各个功率单元的总电流值。

所述系统反馈单元还包括第四选择开关Q4，第四选择开关Q4用于选择所述系统反馈单元是采用反馈电流叠加方式进行总回路电流反馈还是采用分流器反馈方式或霍尔反馈方式进行总回路电流反馈。

Claims (8)

1.一种并联式大功率开关电源，包含系统控制单元以及一个以上并联的功率单元，其特征在于，还包括系统反馈单元，所述系统反馈单元的输入端与并联的各个功率单元的总输出回路连接，所述系统反馈单元的输出端与所述系统控制单元的输入端连接，所述系统控制单元的输出端与各个功率单元的控制端连接；

所述系统控制单元用于向并联的各个功率单元输出控制信号，用以控制各个功率单元的运行，所述控制信号包括启停信号、同步信号，启停信号用于控制各个功率单元的启停，同步信号用于控制各个并联的功率单元的工作时序；所述系统反馈单元用于将各个功率单元输出的电压值以及总电流值反馈至系统控制单元；

所述功率单元包括功率控制单元、驱动单元、主回路单元以及内反馈单元；

所述功率控制单元的输入端与所述内反馈单元的输出端连接；所述功率控制单元的输出端与所述驱动单元的输入端连接；所述驱动单元的输出端与所述主回路单元的控制端连接；所述主回路单元的输入端与交流电源连接，所述主回路单元的输出端同时与负载以及所述内反馈单元连接；

所述功率控制单元用于接收系统控制单元的控制信号，并根据所述内反馈单元反馈的电压反馈值、电流反馈值以及所述系统控制单元的控制信号产生驱动脉冲；所述驱动单元用于将所述功率控制单元产生的驱动脉冲信号放大；所述主回路单元用于对外接交流电源进行交直-交直变换；所述内反馈单元用于将所述主回路单元输出的电压反馈值、电流反馈值反馈至所述功率控制单元；

所述功率控制单元包括基准电压单元、模拟量处理单元、逻辑控制器、电压电流调节器和脉冲宽度调节器；所述电压电流调节器包括给定信号接收端口；所述脉冲宽度调节器包括时钟信号接收端口和使能信号接收端口；

逻辑控制器与所述电压电流调节器和脉冲宽度调节器连接并控制其运行，所述基准电压单元向所述电压电流调节器输出基准电压，所述模拟量处理单元与所述内反馈单元输出端连接，其用于将接收到的电压反馈值、电流反馈值以及系统控制单元发送的模拟给定信号进行模拟量处理，并将经过处理的上述信号传输至所述电压电流调节器；所述电压电流调节器根据接收到的电压反馈值、电流反馈值、基准电压、给定信号进行判决并输出脉冲调节信号至所述脉冲宽度调节器；所述脉冲宽度调节器根据接收到的脉冲调节信号、时钟信号、使能启停信号输出驱动脉冲。

2.如权利要求1所述的并联式大功率开关电源，其特征在于，所述电压电流调节器包括第一选择开关、第二选择开关、电压PI调节器、电流PI调节器；所述第一选择开关的输入端与所述基准电压单元连接，所述第一选择开关的两个输出端分别与所述电压PI调节器的第一输入端、电流PI调节器的第一输入端连接；所述第二选择开关的输入端为给定信号接收端口，所述第二选择开关的两个输出端分别与所述电压PI调节器的第一输入端、电流PI调节器的第一输入端连接；所述电压PI调节器的第二输入端用于接收电压反馈值，所述电流PI调节器的第二输入端口用于接收电流反馈值；所述电压PI调节器的输出端、电流PI调节器的输出端均输出脉冲调节信号。

3.如权利要求1所述的并联式大功率开关电源，其特征在于，所述功率控制单元还包括通讯单元，所述通讯单元与所述逻辑控制器连接，所述通讯单元用于所述功率控制单元与所述系统控制单元进行通讯，所述通讯单元还用于接收所述系统控制单元发送的通讯给定信号并将其传送至所述逻辑控制器。

4.如权利要求1所述的并联式大功率开关电源，其特征在于，所述功率控制单元还包括转换单元；所述转换单元的输入端与所述模拟量处理单元连接，用于接收经过所述模拟量处理单元处理的电流反馈值；所述转换单元的输出端与所述系统反馈单元的输入端连接。

5.如权利要求1所述的并联式大功率开关电源，其特征在于，所述功率单元还包括逆变电流反馈电路，所述逆变电流反馈电路将所述主回路单元中的逆变电流反馈至模拟量处理单元，经模拟量处理单元处理后传送至所述脉冲宽度调节器。

6.如权利要求1所述的并联式大功率开关电源，其特征在于，所功率控制单元还包括数字量处理单元，所述数字量处理单元的输入端与所述系统控制单元连接，其用于接收系统控制单元发送的启停信号、同步信号，所述数字量处理单元将上述信号进行数字量处理后传送至逻辑控制器。

7.如权利要求6所述的并联式大功率开关电源，其特征在于，所述驱动单元还包括故障监测单元，所述故障监测单元实时监测所述主回路单元的工作状态，并根据监测结果发送故障信号至所述数字量处理单元，所述数字量处理单元将故障信号进行数字量处理后传送至脉冲宽度调节器。

8.如权利要求1所述的并联式大功率开关电源，其特征在于，所述系统反馈单元包含分流器反馈单元或霍尔反馈单元，所述分流器反馈单元或霍尔反馈单元与各个功率单元的总输出回路连接，用于采集各个功率单元输出的总电流值。