CN104795988A - 电源系统及其直流转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电源系统及其直流转换器，主要由一非隔离型转换模块和一隔离型转换模块组成一直流转换器，该非隔离型转换模块是一冗余架构，其包括一第一电源转换回路、一第二电源转换回路及一储能元件，该第一、第二非隔离型电源转换模块连接且共用该储能元件，且储能元件又和隔离型转换模块的输入端连接；该非隔离型转换模块的第一、第二电源转换回路将二电池组输出的直流电源转换后输出给隔离型转换模块，再由隔离型转换模块供应直流电源给负载；利用上述设计可解决传统电源系统中直流转换器由两组隔离型转换器组成时其变压器占用体积的问题。

Description

电源系统及其直流转换器

技术领域

本发明是一种电源系统及其直流转换器，特别涉及一种由作为前级的一非隔离型转换模块和作为后级的一隔离型转换模块组成的直流转换器，用以解决传统直流转换器由二组以上隔离转换器组成所衍生变压器占用体积空间的问题。

背景技术

如图7所示是一种电源系统，其包括一交直流转换器80、一直流转换器70及两电池组73、74，其中，交直流转换器80具有一交流电源输入端及一直流电源输出端，其交流电源输入端用以连接交流市电，其直流电源输出端则与直流转换器70的直流电源输入端连接，而两电池组73、74分别跨接在直流转换器70的直流电源输入端上作为备援，当交流市电异常时，由直流转换器70将电池组73、74电源转换为要求的电压后，持续供应给负载。

当前述电源系统运用在通信系统时，其直流转换器70须有负输出电压，而具有负输出电压直流转换器70的基本架构是如图8所示，包括一第一电源转换模块71、一第二电源转换模块72，该第一电源转换模块71、第二电源转换模块72分别具有一正电源输入端Vcom及一负电源输入端RTN1、RTN2，该第一、第二电源转换模块71、72的正电源输入端Vcom共同连接至二电池组73、74的正电源端，其负电源输入端RTN1、RTN2则分别独立地连接至电池组73、74的负电源端。再者，该第一、第二电源转换模块71、72分别具有一组电源输出端，且作并联连接。

上述的直流转换器是采用一冗余架构，其可各自地进行直流电源转换，而共同地对负载供应直流电源。当电池组73、74的一异常或与电池组73、74对应的任一、第一电源转换模块71或第二电源转换模块72异常时，正常的第一电源转换模块71或第二电源转换模块72仍可维持对负载供电，而达到冗余供电的效果。

由于上述直流转换器的第一电源转换模块71、第二电源转换模块72都是由隔离型转换器所构成，而隔离型转换器具备至少一变压器，对于接受供电的通信系统或服务器系统而言，不论其本身或其使用的电源系统，如何缩小体积、减少占用空间一直是一个重要的课题，然而上述的直流转换器，其由隔离型转换器构成的两个电源转换模块71、72分别具有一变压器，而极占空间的变压器自然成为缩小体积的最大障碍。

由上述可知，现有电源系统中具有冗余架构的直流转换器，因其具有二个以上分别由隔离型转换器构成的电源转换模块，而衍生变压器占用空间且令直流转换器无法缩小体积的问题，故现有直流转换器有待进一步检讨并谋求可行的解决方案。

发明内容

因此本发明主要目的在提供一种直流转换器，主要是由一采用非隔离型的前级转换模块和一隔离型的后级转换模块所组成，可解决传统直流转换器由二组以上隔离转换器组成所衍生变压器占用体积空间的问题。

为达成前述目的采取的主要技术手段是令前述直流转换器包括有：

一非隔离型转换模块，是一冗余架构，其包括一第一电源转换回路、一第二电源转换回路及一储能元件，该第一、第二电源转换回路连接且共用该储能元件；

一隔离型转换模块，具有一组输入端及一组输出端，该组输入端是与储能元件连接；

前述的直流转换器主要是由其非隔离型转换模块的第一、第二电源转换回路将二电池组输出的直流电源转换后输出给隔离型转换模块，再由隔离型转换模块供应直流电源给负载；其有益效果在于：由于非隔离型转换模块中的第一、第二电源转换回路未含有变压器，在体积上可大幅缩小，而搭配后级的隔离型转换模块也只有一个变压器，因此相较于传统的直流转换器已大幅缩小体积，并解决传统直流转换器采用两组隔离型转换器所衍生变压器占用空间的体积问题。

本发明又一目的在提供一种可缩小体积的电源系统，为达成前述目的是令该电源系统包括有：

一交直流转换器，具有一交流电源输入端及一直流电源输出端，其交流电源输入端用以连接交流市电；

一直流转换器，是由前述的直流转换器构成，其具有一直流电源输入端及一电源输出端，其直流电源输入端是与交直流转换器的直流电源输出端连接；

两电池组，分别跨接在直流转换器的直流电源输入端上。

上述电源系统包括前述直流转换器，其有益效果在于：有助于缩小电源系统的体积。

附图说明

图1是本发明直流转换器一较佳实施例的系统方框图。

图2是本发明非隔离型转换模块的一较佳实施例电路图。

图3是本发明非隔离型转换模块又一较佳实施例电路图。

图4是本发明非隔离型转换模块再一较佳实施例电路图。

图5是本发明非隔离型转换模块另一较佳实施例电路图。

图6是本发明电源系统的方框图。

图7是现有电源系统的方框图。

图8是现有直流转换器的系统方框图。

具体实施方式

以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。

关于本发明直流转换器一较佳实施例的基本架构，请参考图1所示，包括一非隔离型转换模块10、一隔离型转换模块20及一控制器30；其中：

该非隔离型转换模块10主要是由一第一电源转换回路11和一第二电源转换回路12组成，该第一、第二电源转换回路11、12分别具有一正电源端Vcom、一负电源端RTN1、RTN2。在本实施例中，本发明的直流转换器进一步包括一第一EMI滤波器41及一第二EMI滤波器42，该非隔离型转换模块10的第一电源转换回路11、第二电源转换回路12以其正电源端Vcom、负电源端RTN1、RTN2分别通过第一EMI滤波器41、第二EMI滤波器42与一第一电池组103、一第二电池组104连接，其中第一、第二电池组103、104的正极端V+共接且分别与第一、第二电源转换回路11、12的正电源端Vcom连接，第一、第二电池组103、104的负极端则分别与第一、第二电源转换回路11、12的负电源端RTN1、RTN2连接。

该控制器30分别和非隔离型转换模块10的第一电源转换回路11、第二电源转换回路12和隔离型转换模块20连接，以控制该非隔离型转换模块10和隔离型转换模块20的电源转换工作。

关于该非隔离型转换模块10一较佳实施例的具体构造，请参考图2所示，在本实施例中，该非隔离型转换模块10的第一、第二电源转换回路11、12分别为一降压型转换器；其中：

该第一电源转换回路11包括一第一二极管D1、一第一开关Q1、一第一电感L1及一储能元件；在本实施例中，储能元件为一输出电容C，该输出电容C具有一第一端及一第二端，其第一端和第一二极管D1的阴极连接至正电源端Vcom，其第二端和第一电感L1的一端连接，第一电感L1的另一端和第一二极管D1的阳极、第一开关Q1连接，本实施例中，第一开关Q1为一场效应晶体管，其以漏极和第一电感L1的另一端、第一二极管D1的阳极连接，第一开关Q1的源极连接负电源端RTN1，其栅极则连接并受控于该控制器30。

该第二电源转换回路12包括一第二二极管D2、一第二开关Q2、一第二电感L2及一储能元件；在本实施例中，储能元件与第一电源转换回路11共用该输出电容C，该输出电容C的第一端是和第二二极管D2的阴极共同连接至正电源端Vcom，第二端则和第二电感L2的一端连接，第二电感L2的另一端和第二二极管D2的阳极、第二开关Q2连接，与第一电源转换回路11相同的是：第二开关Q2为一场效应晶体管，其以漏极和第二电感L2的另一端、第二二极管D2的阳极连接，第二开关Q2的源极连接负电源端RTN2，其栅极和控制器30连接，而受该控制器30所控制。

前述输出电容C的第一端、第二端并分别构成非隔离型转换模块10的正电源输出端Vout和负电源输出端RTN，且和隔离型转换模块20的该组输入端连接。

前述非隔离型转换模块10的第一、第二电源转换回路11、12在控制器30的交替驱动下，分别将第一、第二电池组103、104电源转换为一设定电压的直流电源传送给隔离型转换模块20转换为另一设定电压的直流电源再供应给负载。关于非隔离型转换模块10的工作原理详如以下所述：

就第一电源转换回路11而言，当其第一开关Q1导通，电流流经输出电容C、第一电感L1，此时输出电容C的电压升高，而第一电感L1进行储能。待第一开关Q1关断，存储在第一电感L1上的能量通过第一二极管D1对输出电容C充电。另一方面，当第二电源转换回路12的第二开关Q2导通，电流流经输出电容C、第二电感L2，此时输出电容C的电压升高，并由第二电感L2进行储能。而在第二开关Q2关断，存储在第二电感L2上的能量通过第二二极管D2对输出电容C充电。如此交替的驱动，共同地输出直流电源给该隔离型转换模块20，该隔离型转换模块20输出的直流电源可以是正电压，也可以是负电压。

由于非隔离型转换模块10的第一、第二电源转换回路11、12并未使用变压器，在其后级的隔离型转换模块20也只有一个变压器，因此可以有效解决变压器占用空间所衍生的体积问题。

关于前述非隔离型转换模块10的又一较佳实施例，请参考图3所示，其第一、第二电源转换回路11’、12’是由升压型转换器所构成，其中：

该第一电源转换回路11’包括一第一二极管D1、一第一开关Q1、一第一电感L1及一输出电容C，该输出电容C具有一第一端及一第二端，其第一端和第一开关Q1的漏极连接至正电源端Vcom，其第二端和第一二极管D1的阳极连接，第一二极管D1的阴极和第一开关Q1的源极连接，其源极又和第一电感L1的一端连接，第一电感L1的另一端是连接至负电源端RTN1，第一开关Q1的栅极则和控制器30连接。

该第二电源转换回路12’包括一第二二极管D2、一第二开关Q2、一第二电感L2及一输出电容C，该输出电容C是与第一电源转换回路12’共用，其第一端和第二开关Q2的漏极连接至正电源端Vcom，其第二端和第二二极管D2的阳极连接，第二二极管D2的阴极和第二开关Q2的源极连接，第二开关Q2的源极又和第二电感L2的一端连接，第二电感L2的另一端是连接至负电源端RTN2，第二开关Q2的栅极则和控制器30连接。

上述实施例与前一实施例的差异，非隔离型转换模块10的第一、第二电源转换回路11’、12’是对第一、第二电池组103、104的电源进行升压转换，再由隔离型转换模块20转换为其他设定电压的直流电源，其依然可以是正电压，也可以是负电压。关于上述非隔离型转换模块10的工作原理详如以下所述：

关于第一电源转换回路11’的工作方式，当其第一开关Q1导通，是对第一电感L1储能。待第一开关Q1关断，存储在第一电感L1上的能量对输出电容C放电，电流流经输出电容C及第一二极管D1。

关于第二电源转换回路12’的工作方式是：当第二开关Q2导通，即对第二电感L2储能。待第二开关Q2关断，存储在第二电感L2上的能量对输出电容C放电，电流流经输出电容C及第二二极管D2。如此交替的驱动，共同地输出直流电源给该隔离型转换模块20，同样的，该隔离型转换模块20输出的直流电源可以是正电压，也可以是负电压。

关于本发明直流转换器的又一较佳实施例，请参考图4所示，该非隔离型转换模块10的第一、第二电源转换回路11、12在其负电源端RTN1、RTN2上分设有一电流检测元件51、52，该电流检测元件51、52分别连接至控制器30，以便由控制器30感测非隔离型转换模块10的输入电流。所述的电流检测元件51、52可以是霍尔元件、电阻或比流器(CT)。

由于第一、第二电源转换回路11、12的正电源端Vcom共接，而第一、第二电源转换回路11、12在其负电源端RTN1、RTN2分设电流检测元件51、52，可由控制器30分别准确地判断第一、第二电源转换回路11、12的输入电流，并由控制器30控制第一、第二电源转换回路11、12以执行均流，当非隔离型转换模块10的输出电流为Iout，第一、第二电源转换回路11、12的输出电流分别为I1、I2时，则Iout=I1+I2，且I1=I2。至于控制器30实现均压、均流的技术可使用主仆式控制法(Master-Slave method)或主动式均流法(Active current sharing method)。另一方面，前述设计同时可方便决定非隔离型转换模块10前级无熔丝开关105、106的规格(请参考图1所示)，通过这些方式决定的无熔丝开关若得以降低规格，则可降低成本。

前述实施例是以降压型的第一、第二电源转换回路11、12为例说明，对于所属技术领域具有通常知识者可以理解的是：其也可以运用在升压型的第一、第二电源转换回路11’、12’上(如图5所示)。

由上述可知，本发明的直流转换器主要是由一非隔离型转换模块与一隔离型转换模块所构成，由于非隔离型转换模块中的第一、第二电源转换回路不具有变压器，搭配作为后级的隔离型转换模块也只一个变压器，因此相较于至少有二个变压器的传统直流转换器可大幅缩小占用空间，并解决体积问题。

请参考图6所示，是一种包括有前述直流转换器的电源系统100，该电源系统100包括：

一交直流转换器101，具有一交流电源输入端及一直流电源输出端，其交流电源输入端用以连接交流市电；

一直流转换器102，可分别由前述各实施例的直流转换器所构成，该直流转换器102具有一直流电源输入端及一电源输出端，其直流电源输入端由其第一、第二电源转换回路的正、负电源端所构成，且与该交直流转换器101的直流电源输出端连接；

两电池组，分别跨接在直流转换器102的直流电源输入端上；更具体的说，两电池组包括一第一电池组103、一第二电池组104，该第一、第二电池组103、104的正极端共同和直流转换器102中第一、第二电源转换回路的正电源端连接，第一电池组103的负极端是与直流转换器102中第一电源转换回路的负电源端连接，第二电池组104的负极端是与直流转换器102中第二电源转换回路的负电源端连接。

前述电源系统因采用上述各实施例的直流转换器，该直流转换器的设计可减少使用变压器，有助于缩小体积，而电源系统运用了该直流转换器，对系统而言也有助于体积的缩小。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种直流转换器，其特征在于，该直流转换器包括有：

一非隔离型转换模块，是一冗余架构，其包括一第一电源转换回路、一第二电源转换回路及一储能元件，该第一、第二电源转换回路连接且共用该储能元件；

一隔离型转换模块，具有一组输入端及一组输出端，该组输入端是与储能元件连接。

2.如权利要求1所述的直流转换器，其特征在于，该非隔离型转换模块的第一、第二电源转换回路分别为一降压型转换器，且分别具有一正电源端、一负电源端，该储能元件为一输出电容，该输出电容具有一第一端及一第二端；其中：

该第一电源转换回路包括一第一二极管、一第一开关、一第一电感；该输出电容的第一端和第一二极管的阴极连接至第一电源转换回路的正电源端，其第二端和第一电感的一端连接，第一电感的另一端和第一二极管的阳极、第一开关连接，该第一开关为一场效应晶体管，其以漏极和第一电感的另一端、第一二极管的阳极连接，第一开关的源极连接第一电源转换回路的负电源端，其栅极连接至一控制器；

该第二电源转换回路包括一第二二极管、一第二开关、一第二电感，该输出电容的第一端是和第二二极管的阴极共同连接至第二电源转换回路的正电源端，第二端和第二电感的一端连接，第二电感的另一端和第二二极管的阳极、第二开关连接；第二开关为一场效应晶体管，其以漏极和第二电感的另一端、第二二极管的阳极连接，第二开关的源极连接第二电源转换回路的负电源端，其栅极和控制器连接，而受该控制器控制；

该输出电容的第一端、第二端并分别构成非隔离型转换模块的正电源输出端和负电源输出端，且和隔离型转换模块的该组输入端连接。

3.如权利要求1所述的直流转换器，其特征在于，该非隔离型转换模块的第一、第二电源转换回路分别为一升压型转换器，且分别具有一正电源端、一负电源端，该储能元件为一输出电容，该输出电容具有一第一端及一第二端；其中：

该第一电源转换回路包括一第一二极管、一第一开关及一第一电感，该输出电容的第一端和第一开关的漏极连接至第一电源转换回路的正电源端，其第二端和第一二极管的阳极连接，第一二极管的阴极和第一开关的源极连接，其源极又和第一电感的一端连接，第一电感的另一端是连接至第一电源转换回路的负电源端，第一开关的栅极和一控制器连接；

该第二电源转换回路包括一第二二极管、一第二开关及一第二电感，该输出电容的第一端和第二开关的漏极连接至第二电源转换回路的正电源端，其第二端和第二二极管的阳极连接，第二二极管的阴极和第二开关的源极连接，第二开关的源极又和第二电感的一端连接，第二电感的另一端是连接至第二电源转换回路的负电源端，第二开关的栅极和控制器连接；

该输出电容的第一端、第二端分别构成非隔离型转换模块的正电源输出端和负电源输出端，且和隔离型转换模块的该组输入端连接。

4.如权利要求2或3所述的直流转换器，其特征在于，该非隔离型转换模块的第一、第二电源转换回路在其负电源端上分设有一电流检测元件，两电流检测元件分别连接至控制器。

5.如权利要求4所述的直流转换器，其特征在于，该非隔离型转换模块的第一电源转换回路、第二电源转换回路的正电源端、负电源端分别连接一第一EMI滤波器及一第二EMI滤波器。

6.如权利要求4所述的直流转换器，其特征在于，该电流检测元件为一霍尔元件。

7.如权利要求4所述的直流转换器，其特征在于，该电流检测元件为一电阻。

8.如权利要求4所述的直流转换器，其特征在于，该电流检测元件为一比流器。

9.一种电源系统，其特征在于，该电源系统包括有：

一交直流转换器，具有一交流电源输入端及一直流电源输出端，其交流电源输入端用以连接交流市电；

一直流转换器，是由权利要求1至8中任一项所述的直流转换器构成，其具有一直流电源输入端及一电源输出端，其直流电源输入端是与交直流转换器的直流电源输出端连接；

两电池组，分别跨接在直流转换器的直流电源输入端上。

10.如权利要求9所述的电源系统，其特征在于，该非隔离型转换模块的第一、第二电源转换回路分别具有一正电源端、一负电源端，两电池组包括一第一电池组、一第二电池组，该第一、第二电池组的正极端共同和直流转换器中第一、第二电源转换回路的正电源端连接，第一电池组的负极端是与直流转换器中第一电源转换回路的负电源端连接，第二电池组的负极端是与直流转换器中第二电源转换回路的负电源端连接。