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CN111740490A - 一种支持交直流冗余输入的直流输出装置 - Google Patents

一种支持交直流冗余输入的直流输出装置 Download PDF

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吴之光
戴晓龙
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Abstract

本发明提出了一种支持交直流冗余输入的直流输出装置，包括：交流输入电路，配置用于将输入的交流电整流以提供直流输出；直流输入电路，配置用于提供直流输出或接受来自交流输入电路的直流输入以对所述蓄电池进行充电；控制电路，配置用于监测与所述交流输入电路连接的交流电网的频率，并根据所述交流电网的频率控制直流输入电路向输出接口电路提供直流输出；输出接口电路，配置用于提供多个输出接口，以连接外部负载。本发明能在交流电网的输出功率不足时，控制直流输入电路介入以弥补交流电网输出功率的不足，在交流电网的输出功率充足时，控制直流输入电路接收来自交流电网的充电，以保证供电系统的稳定工作。

Description

一种支持交直流冗余输入的直流输出装置
技术领域
本发明涉及不间断电源设计领域，尤其涉及了一种支持交直流冗余输入的直流输出装置，用于保证供电系统的稳定工作。
背景技术
随着直流不间断电源的应用越来越广泛，其应用场景也越来越复杂，如何提供一种更具有通用性、可以更加安全有效的保证其所在供电系统稳定性的直流不间断电源是目前市场所急需的。
发明内容
为解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提出了一种支持交直流冗余输入的直流输出装置，所述直流输出装置包括：交流输入电路，所述交流输入电路与交流电网连接，配置用于将输入的交流电整流以提供直流输出；直流输入电路，所述直流输入电路包括蓄电池，配置用于提供直流输出或接受来自交流输入电路的直流输入以对所述蓄电池进行充电；控制电路，所述控制电路分别与所述直流输入电路和所述交流输入电路连接，配置用于监测与所述交流输入电路连接的交流电网的频率，并根据所述交流电网的频率控制直流输入电路向输出接口电路提供直流输出；输出接口电路，所述输出接口电路分别与所述直流输入电路和所述交流输入电路连接，配置用于提供多个输出接口，以连接外部负载。
在一个或多个实施例中，所述控制电路进一步配置为：响应于所述交流电网的频率小于等于预设阈值，控制直流输入电路和交流输入电路共同向输出接口电路输出直流电；响应于所述交流电网的频率大于预设阈值，控制直流输入电路截止向输出接口电路输出直流电，并接收来自交流输入电路的充电。
在一个或多个实施例中，所述直流输入电路还包括：直流雷击浪涌防护模块、直流EMI滤波模块、Boost升压模块、二极管D1以及二极管D2；其中，所述蓄电池、所述直流雷击浪涌防护模块以及所述直流EMI滤波模块依次连接，并与二极管D2的正极端连接；所述Boost升压模块与所述二极管D1的负极端连接，所述Boost升压模块与所述二级管D1串联耦合在所述蓄电池与所述二级管D2的负极端之间。
在一个或多个实施例中，所述交流输入电路包括：交流雷击浪涌防护模块、交流EMI滤波模块、AC-DC转换模块以及二极管D3；其中，所述交流电网、所述交流雷击浪涌防护模块以及所述交流EMI滤波模块依次连接，并与所述二级管D3的正极端连接；所述二极管D3的负极端与所述输出接口电路连接。
在一个或多个实施例中，所述控制电路包括：频率监测模块、控制模块以及双向可控IGBT；其中，所述频率监控模块分别与所述交流电网和所述控制模块连接，所述控制模块与所述双向可控IGBT连接，所述双向可控IGBT还分别与所述二极管D1和二极管D2的公共端以及所述二极管D3的负极端连接。
在一个或多个实施例中，所述控制模块配置为响应于所述电网频率小于等于预设阈值时，控制所述IGBT为第一导通状态；其中，在第一导通状态下，所述蓄电池依次通过所述直流雷击浪涌防护电路、直流EMI滤波电路、二极管D2以及双向可控IGBT与所述输出接口电路导通连接。
在一个或多个实施例中，所述控制模块配置为响应于所述电网频率大于预设阈值时，控制所述IGBT为第二导通状态；其中，在第二导通状态下，所述交流电网依次通过所述交流雷击浪涌防护模块、交流EMI滤波模块、AC-DC转换模块、二极管D3、双向可控IGBT、二极管D1以及Boost升压模块与所述蓄电池导通连接，并为所述蓄电池充电。
在一个或多个实施例中，所述双向可控IGBT为具有双向导通和双向截止能力的IGBT。
在一个或多个实施例中，所述输出接口电路包括多种DC-DC模块，用以提供多种电压的直流输出。
在一个或多个实施例中，所述多种DC-DC模块包括：升压DC-DC模块、降压DC-DC模块和/或升降压DC-DC模块。
本发明的有益效果包括：本发明的直流输出装置具有直流输入电路和交流输入电路，可以同时满足直流输入和交流输入以提供直流输出，在直流输入和交流输入均存在时，通过监测交流电网的频率，在交流电网的频率下降至预设阈值及以下时，即交流电网的输出功率不足时，控制直流输入电路介入供电，以弥补交流电网输出功率的不足，在交流电网的频率高于预设阈值时，即交流电网的输出功率充足时，控制直流输入电路处于充电状态，接收来自交流电网的充电。从而保证供电系统的工作的稳定性。此外，本发明的直流输入电路和交流输入电路均具有雷击浪涌防护模块以及EMI滤波模块，从而进一步保证的输出直流电的供电质量。并且，输出接口电路可以提供适配多种电压的接口以满足不同负载的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1为本发明的支持交直流冗余输入的直流输出装置的结构示意图；
图2为本发明的支持交直流冗余输入的直流输出装置的控制流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
为了适应复杂的应用场景，如具有交直流混合的应用场景，本发明提出了一种支持交直流冗余输入的直流输出装置，用以保证直流低压供电系统的稳定性。本发明的直流输出装置具体如下所示；
图1为本发明的支持交直流冗余输入的直流输出装置的结构示意图。在一个实施例中，本发明的直流输出装置包括：交流输入电路，交流输入电路与交流电网连接，配置用于将输入的交流电整流以提供直流输出；直流输入电路，直流输入电路包括蓄电池，配置用于提供直流输出或接受来自交流输入电路的直流输入以对蓄电池进行充电；控制电路，控制电路分别与直流输入电路和交流输入电路连接，配置用于监测与交流输入电路连接的交流电网的频率，并根据交流电网的频率控制直流输入电路向输出接口电路提供直流输出；输出接口电路，输出接口电路分别与直流输入电路和交流输入电路连接，配置用于提供多个输出接口，以连接外部负载。
本发明的直流输出装置能够同时提供直流输入和交流输入以为与其连接的低压直流系统供电。其中，以交流输入为主要的供电方式，以直流输入辅助供电方式，其中，直流输入不但可以起到备用电源的作用，还用于根据交流电网所提供负载的情况而选择性的加入，以保证低压直流供电系统的稳定性。例如，当交流电网的输出功率不足时，加入直流输入以保证低压负载的功率需求。其中，当交流电网的输出功率不足时，其往往伴随则电网的频率的下降，因此，本申请中提出，通过监测交流电网的频率以控制直流输入的加入，从而保证装直流输出置整体的直流输出的稳定性。直流输入的具体控制方式如下：
在进一步的实施例中，控制电路进一步配置为：响应于交流电网的频率小于等于预设阈值时，控制直流输入电路和交流输入电路共同向输出接口电路输出直流电；响应于交流电网的频率大于预设阈值时，控制直流输入电路截止向输出接口电路输出直流电，并接收来自交流输入电路的充电。为了能更加清楚的说明上述过程，以下将对本发明的直流输出装置的具体组成进行更加详细的说明。
在进一步的实施例中，直流输入电路还包括：直流雷击浪涌防护模块、直流EMI滤波模块、Boost升压模块、二极管D1以及二极管D2；其中，所述蓄电池、所述直流雷击浪涌防护模块以及所述直流EMI滤波模块依次连接，并与二极管D2的正极端连接；所述Boost升压模块与所述二极管D1的负极端连接，所述Boost升压模块与所述二级管D1串联耦合在所述蓄电池与所述二级管D2的负极端之间。
具体的，直流输出电路的第一级为直流雷击浪涌防护电路，用于直流输出装置或该装置所在系统的雷击浪涌保护，以防止瞬态高压损坏电源本身以及系统中其他设备；第二级为直流EMI滤波电路，主要有基本滤波元器件组成，包括：采用一级差模滤波，通过X电容跟差模扼流圈搭配抑制CPCI(紧凑型PCI)电源的低频差模噪声，采用二级共模滤波，通过Y电容跟共模扼流圈搭配抑制CPCI电源的高频共模噪声；第三级为理想二极管D2，防止在交流电源供电时产生电流倒灌，避免损坏直流供电设备。
在进一步的实施例中，交流输入电路包括：交流雷击浪涌防护模块、交流EMI滤波模块、AC-DC转换模块以及二极管D3；其中，所述交流电网、所述交流雷击浪涌防护模块以及所述交流EMI滤波模块依次连接，并与所述二级管D3的正极端连接；所述二极管D3的负极端与所述输出接口电路连接。
具体的，交流输出电路的第一级为交流雷击浪涌防护电路，用于直流输出装置或该装置所在系统的雷击浪涌保护，防止瞬态高压损坏电源本身以及系统中其他设备；第二级为交流EMI滤波电路，主要由基本的滤波元器件组成，包括：采用一级差模滤波，通过X电容跟差模扼流圈搭配抑制CPCI电源的低频差模噪声，采用二级共模滤波，通过Y电容跟共模扼流圈搭配抑制CPCI电源的高频共模噪声；第三级为AC-DC转换电路，为增加可靠性，降低占版面积，采用标准的砖式模块实现AC-DC的转换；第四级为理想二极管D3，防止在直流电源供电时产生电流倒灌，以避免损坏AC-DC电源模块。优选的，AC-DC转换电路采用标准的砖式模块实现，以方便适用于不同的交流电网。
在进一步的实施例中，控制电路包括：频率监测模块、控制模块以及双向可控IGBT；其中，所述频率监控模块分别与所述交流电网和所述控制模块连接，所述控制模块与所述双向可控IGBT连接，所述双向可控IGBT还分别与所述二极管D1和二极管D2的公共端以及所述二极管D3的负极端连接。
具体的，所述双向可控IGBT为具有双向导通和双向截止能力的IGBT，控制模块与其控制端连接，通过施加正向或反向电压控制器导通方向。响应于所述电网频率小于等于预设阈值时，控制所述IGBT为第一导通状态；其中，在第一导通状态下，所述蓄电池依次通过所述直流雷击浪涌防护电路、直流EMI滤波电路、二极管D2以及双向可控IGBT与所述输出接口电路导通连接。此时，输出接口电路中将分别获取来自直流输入电路和交流输出电路输出的直流电。此时，直流输出电路输出的直流电用于弥补交流输出电路输出功率的不足。
响应于所述电网频率大于预设阈值时，控制所述IGBT为第二导通状态；其中，在第二导通状态下，所述交流电网依次通过所述交流雷击浪涌防护模块、交流EMI滤波模块、AC-DC转换模块、二极管D3、双向可控IGBT、二极管D1以及Boost升压模块与所述蓄电池导通连接，并为所述蓄电池充电。此时，输出接口电路后方的外接低压直流设备和直流输入电路的蓄电池均作为交流电网的负载。
在进一步的实施例中，所述输出接口电路包括多种DC-DC模块，用以提供多种电压的直流输出。所述多种DC-DC模块包括：升压DC-DC模块、降压DC-DC模块和/或升降压DC-DC模块。
通过上述方法，本发明实现了支持交直流融入输入的直流输出，从而不但使得本发明直流输出装置的通用性更强，而且，通过监测电网频率，进而在交流电网输出功率不足时控制直流输入进行辅助供电，从而可以更加可靠的保证供电系统的工作稳定性。
在一个优选的实施例中，所述输入接口电路采用标准的砖式模块搭建，能够根据需要适当增加DC-DC模块数量来实现多种电压输出以及增加输出功率。
上述方案中，控制模块的控制流程如下所示：
图2为本发明的支持交直流冗余输入的直流输出装置的控制流程图。在本实施例中，控制流程包括：步骤S1、检测交流电网的频率；步骤S2、判断交流电网的频率是否大于预设阈值；步骤S3.1、响应于交流电网的频率大于预设阈值，控制直流输入电路截止向输出接口电路输出直流电，并接收来自交流输入电路的充电；步骤S3.2、响应于交流电网的频率小于等于预设阈值，控制直流输入电路和交流输入电路共同向输出接口电路输出直流电。
以上是本发明公开的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明实施例公开的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
应当理解的是，在本文中使用的，除非上下文清楚地支持例外情况，单数形式“一个”旨在也包括复数形式。还应当理解的是，在本文中使用的“和/或”是指包括一个或者一个以上相关联地列出的项目的任意和所有可能组合。
上述本发明实施例公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种支持交直流冗余输入的直流输出装置，其特征在于，所述直流输出装置包括：
交流输入电路，所述交流输入电路与交流电网连接，配置用于将输入的交流电整流以提供直流输出；
直流输入电路，所述直流输入电路包括蓄电池，配置用于提供直流输出或接受来自交流输入电路的直流输入以对所述蓄电池进行充电；
控制电路，所述控制电路分别与所述直流输入电路和所述交流输入电路连接，配置用于监测与所述交流输入电路连接的交流电网的频率，并根据所述交流电网的频率控制直流输入电路向输出接口电路提供直流输出；
输出接口电路，所述输出接口电路分别与所述直流输入电路和所述交流输入电路连接，配置用于提供多个输出接口，以连接外部负载。
2.如权利要求1所述的直流输出装置，其特征在于，所述控制电路进一步配置为：
响应于所述交流电网的频率小于等于预设阈值，控制直流输入电路和交流输入电路共同向输出接口电路输出直流电；
响应于所述交流电网的频率大于预设阈值，控制直流输入电路截止向输出接口电路输出直流电，并接收来自交流输入电路的充电。
3.如权利要求2所述的直流输出装置，其特征在于，所述直流输入电路还包括：直流雷击浪涌防护模块、直流EMI滤波模块、Boost升压模块、第一二极管以及第二二极管；
其中，所述蓄电池、所述直流雷击浪涌防护模块以及所述直流EMI滤波模块依次连接，并与第二二极管的正极端连接；
所述Boost升压模块与所述第一二极管的负极端连接，所述Boost升压模块与所述第一二级管串联耦合在所述蓄电池与所述第二二级管的负极端之间。
4.如权利要求3所述的直流输出装置，其特征在于，所述交流输入电路包括：交流雷击浪涌防护模块、交流EMI滤波模块、AC-DC转换模块以及第三二极管；
其中，所述交流电网、所述交流雷击浪涌防护模块以及所述交流EMI滤波模块依次连接，并与所述第三二级管的正极端连接；
所述第三二极管的负极端与所述输出接口电路连接。
5.如权利要求4所述的直流输出装置，其特征在于，所述控制电路包括：
频率监测模块、控制模块以及双向可控IGBT；
其中，所述频率监控模块分别与所述交流电网和所述控制模块连接，所述控制模块与所述双向可控IGBT连接，所述双向可控IGBT还分别与所述第一二极管和第二二极管的公共端以及所述第三二极管的负极端连接。
6.如权利要求5所述的直流输出装置，其特征在于，所述控制模块配置为响应于所述电网频率小于等于预设阈值，控制所述IGBT为第一导通状态；
其中，在第一导通状态下，所述蓄电池依次通过所述直流雷击浪涌防护电路、直流EMI滤波电路、第二二极管以及双向可控IGBT与所述输出接口电路导通连接。
7.如权利要求5所述的直流输出装置，其特征在于，所述控制模块配置为响应于所述电网频率大于预设阈值，控制所述IGBT为第二导通状态；
其中，在第二导通状态下，所述交流电网依次通过所述交流雷击浪涌防护模块、交流EMI滤波模块、AC-DC转换模块、第三二极管、双向可控IGBT、第一二极管以及Boost升压模块与所述蓄电池导通连接，并为所述蓄电池充电。
8.如权利要求5-7任意一项所述的直流输出装置，其特征在于，所述双向可控IGBT为具有双向导通和双向截止能力的IGBT。
9.如权利要求1所述的直流输出装置，其特征在于，所述输出接口电路包括多种DC-DC模块，用以提供多种电压的直流输出。
10.如权利要求9所述的直流输出装置，其特征在于，所述多种DC-DC模块包括：升压DC-DC模块、降压DC-DC模块和/或升降压DC-DC模块。
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