本發(fā)明屬于電源技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電源系統(tǒng)和控制方法，尤其是一種開關(guān)電源系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，單臺開關(guān)電源無法滿足低電壓大電流的帶負(fù)載要求，大功率電源的需求不斷提高，應(yīng)用越來越廣泛。并聯(lián)均流技術(shù)可以降低電流應(yīng)力，提高電源的可靠性，是實現(xiàn)大功率電源的關(guān)鍵和發(fā)展趨勢，近年來，已成為電力電子研究的熱點課題。相對于傳統(tǒng)集中式電源系統(tǒng)，分布式并聯(lián)均流技術(shù)具有很多優(yōu)點，如：系統(tǒng)設(shè)計靈活、更高的開關(guān)頻率、高功率密度、低重量、小體積、單個模塊電流應(yīng)力小、可靠性高、維護(hù)方便、易于實現(xiàn)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化等。

在電源系統(tǒng)可并聯(lián)工作之前，有兩個問題有待解決：首先是選擇性過壓問題。如果運行中的某個電源單體由于故障產(chǎn)生過壓，此電源單體必須及時退出分布式并聯(lián)系統(tǒng)，同時保證系統(tǒng)中的其它的電源單體仍然正常運行。其次是配流問題；即各個電源模塊之間合理地分配電流，防止某電源單體運行在極限工作狀態(tài)。另外，即使是同批次生產(chǎn)的電源單體，它們的特性通常也是不完全相同的，在參數(shù)上存在不同程度的差別。假使沒有合理有效的配流策略，可能導(dǎo)致單個或多個電源單體承載過大的電流，致使該電源單體的電流熱應(yīng)力增加。一旦電子元器件溫度上升過大，其使用壽命必將大大降低，從而導(dǎo)致分布式電源系統(tǒng)的可靠性降低。

并聯(lián)運行的各模塊特性不一致，可能使電壓調(diào)整率小的模塊承擔(dān)較大的電流甚至過載，熱應(yīng)力大；外特性較差的模塊運行于輕載甚至是空載。傳統(tǒng)的電源均流策略主要是被動地實現(xiàn)各電源單體的均流，不能根據(jù)電源單體間的差異性主動進(jìn)行合理地配流。被動配流依據(jù)既定的準(zhǔn)則為有差異性的各個電源模塊統(tǒng)一分配電流，如果某個電源模塊性能較差，仍與較好性能的電源模塊承擔(dān)一樣的電流，一旦長時間運行，性能較差的電源模塊往往容易出現(xiàn)故障，降低了整個并聯(lián)供電系統(tǒng)的可靠性，隱形地增加了系統(tǒng)的維護(hù)成本。

電源數(shù)字化、模塊化、智能化是未來的發(fā)展趨勢，隨著芯片、控制器的飛速發(fā)展，其集成化、小體積、高密度、高可靠的優(yōu)勢越來越突出，同時，人們對智能化的高期待，引進(jìn)數(shù)字控制器，實現(xiàn)電源的數(shù)字智能控制是必走之路。因此，對并聯(lián)式開關(guān)電源智能化的主動配流技術(shù)具有極強的研究意義和巨大的應(yīng)用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠有效避免特性較差的電源模塊承載過大電流，能夠有效實現(xiàn)主動配流的開關(guān)電源系統(tǒng)及其電流控制方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的解決方案是：

一種開關(guān)電源系統(tǒng)，包括多個并聯(lián)連接的開關(guān)電源單體單元，以提供電源；與各所述開關(guān)電源單體單元的母線連接的母線信號采集變送單元，以采集、處理和發(fā)送所述開關(guān)電源單體單元的母線信息，以及與各所述開關(guān)電源單體單元和所述母線信號采集變送單元均連接的主控單元，以監(jiān)控各所述開關(guān)電源單體單元的工作狀態(tài)和母線狀態(tài)，并根據(jù)所述工作狀態(tài)和所述母線狀態(tài)對各所述開關(guān)電源單體單元進(jìn)行主動配流。

各所述開關(guān)電源單體單元相同。

所述主動配流的內(nèi)容包括：對性能越差的所述開關(guān)電源單體單元，分配越低的電流。

每個所述開關(guān)電源單體單元均包括單體拓?fù)潆娐罚鳛樘峁╇娫吹膩碓?，以及與所述單體拓?fù)潆娐泛退鲋骺貑卧B接的單體信號采集變送模塊，以采集、放大、變送和跟隨處理所述單體拓?fù)潆娐返碾娏餍盘柡碗妷盒盘枺⑺鰡误w拓?fù)潆娐返碾娏餍盘柡碗妷盒盘柗答佒了鲋骺貑卧?/p>

每個所述開關(guān)電源單體單元還包括單體協(xié)控模塊，所述單體協(xié)控模塊與所述單體拓?fù)潆娐贰⑺鰡误w信號采集變送模塊和所述主控單元均連接，以將所述單體信號采集變送模塊的信息傳送給所述主控單元，并接受所述主控單元的主動配流決策參數(shù)和基于所述主動配流決策參數(shù)控制所述單體拓?fù)潆娐返碾娏鳎粌?yōu)選的，所述主動配流決策參數(shù)包括分配給各開關(guān)電源單體單元的工作狀態(tài)參數(shù)；進(jìn)一步優(yōu)選的，所述主動配流決策參數(shù)包括各開關(guān)電源單體單元所承擔(dān)的配流值。

每個所述開關(guān)電源單體單元還包括與所述單體拓?fù)潆娐愤B接的電源保護(hù)模塊，以實現(xiàn)對所述單體拓?fù)潆娐返谋Ｗo(hù)；優(yōu)選地，所述保護(hù)包括過流保護(hù)，和/或過壓保護(hù)，和/或欠壓保護(hù)。

所述單體拓?fù)潆娐钒üβ书_關(guān)器件及功率開關(guān)器件驅(qū)動電路，所述單體協(xié)控模塊與所述功率開關(guān)器件驅(qū)動電路連接，以由所述功率開關(guān)器件及所述功率開關(guān)器件驅(qū)動電路協(xié)同配合控制所述單體拓?fù)潆娐愤M(jìn)行輸出。

所述主控單元通過所述單體協(xié)控模塊和所述母線信號采集變送單元實時監(jiān)測各所述單體拓?fù)潆娐泛湍妇€的供電狀態(tài)參數(shù)，監(jiān)測各所述單體拓?fù)潆娐返墓β书_關(guān)器件的高頻驅(qū)動信號占空比參數(shù)，對各所述單體拓?fù)潆娐返墓╇姞顟B(tài)參數(shù)進(jìn)行一致性分析，對各所述單體拓?fù)潆娐返墓β书_關(guān)器件的高頻驅(qū)動信號占空比參數(shù)進(jìn)行變化程度分析和飽和度分析，結(jié)合所述單體拓?fù)潆娐返臉?biāo)準(zhǔn)負(fù)載性能參考參數(shù)和電源母線供電參考參數(shù)決策所述開關(guān)電源系統(tǒng)的主動配流方案并通過各所述單體協(xié)控模塊控制實現(xiàn)。

所述開關(guān)電源系統(tǒng)包含n個所述開關(guān)電源單體單元，且滿足：

npi≥po

其中，n為不小于2的正整數(shù)；

pi為各所述開關(guān)電源單體單元的額定功率；

po為所述開關(guān)電源系統(tǒng)的額定功率。

或者，所述開關(guān)電源系統(tǒng)包含(n+m)個開關(guān)電源單體，且滿足：

npi≥po

以及

l(n+m)pi≥po

其中，l為單個開關(guān)電源單體單元的應(yīng)力降額使用的分?jǐn)?shù)值，小于1；

n為所述開關(guān)電源系統(tǒng)的并聯(lián)額定數(shù)，且為不小于2的正整數(shù)；

m為任務(wù)可靠性的冗余個數(shù)，且為正整數(shù)；

pi為各所述開關(guān)電源單體的額定功率；

po為所述開關(guān)電源系統(tǒng)的額定功率。

優(yōu)選地，所述開關(guān)電源系統(tǒng)滿足：

優(yōu)選地，在處于工作狀態(tài)的所述開關(guān)電源單體單元發(fā)生故障時，所述主控單元協(xié)調(diào)控制冗余的開關(guān)電源單體單元開始工作，以替代發(fā)生故障的開關(guān)電源單體單元為負(fù)載供電。

一種根據(jù)上述開關(guān)電源系統(tǒng)的電流控制方法，包括以下步驟：

(1)以各開關(guān)電源單體單元均流的方式啟動所述開關(guān)電源系統(tǒng)；

(2)啟動后，檢測各所述開關(guān)電源單體單元的特性，根據(jù)各所述開關(guān)電源單體單元的特性重新動態(tài)地主動配置各所述開關(guān)電源單體單元的電流。

所述步驟(2)包括：

(21)檢測各開關(guān)電源單體單元的輸出電流紋波大小；

(22)根據(jù)各開關(guān)電源單體單元的輸出電流紋波大小，確定待配置給各開關(guān)電源單體單元的電流，并主動對所述開關(guān)電源單體單元配置所述電流。

所述步驟(22)中，開關(guān)電源單體單元的輸出電流紋波越大，待配置給所述開關(guān)電源單體單元的電流越小。

由于采用上述方案，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明開關(guān)電源系統(tǒng)在啟動后，對各開關(guān)電源單體單元進(jìn)行主動配流，有效避免了由于某些開關(guān)電源單體單元的性能較差而導(dǎo)致的整個開關(guān)電源系統(tǒng)的可靠性和壽命大大降低的缺陷；同時，本發(fā)明還提出了以冗余的方式構(gòu)件開關(guān)電源系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了開關(guān)電源系統(tǒng)的壽命和可靠性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例中開關(guān)電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例中開關(guān)電源系統(tǒng)的工作流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖所示實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

一種開關(guān)電源系統(tǒng)，圖1所示為其結(jié)構(gòu)示意圖。該開關(guān)電源系統(tǒng)包括多個并聯(lián)連接的開關(guān)電源單體單元、母線信號采集變送單元和主控單元。其中，并聯(lián)連接的開關(guān)電源單體單元提供電源；母線信號采集變送單元連接這些開關(guān)電源單體單元的母線上，以采集、處理和發(fā)送這些開關(guān)電源單體單元的母線信息，包括母線電壓和母線電流；主控單元則與各開關(guān)電源單體單元和母線信號采集變送單元均連接，以監(jiān)控這些開關(guān)電源單體單元的工作狀態(tài)(如以開關(guān)電源單體單元的電流和電壓體現(xiàn))和母線狀態(tài)(如以母線電流和母線電壓體現(xiàn))，并據(jù)此對這些開關(guān)電源單體單元進(jìn)行主動配流。該主動配流的主要內(nèi)容是，對性能越差的開關(guān)電源單體單元，分配越低的電流，從而能夠?qū)π阅茌^差的開關(guān)電源單體單元施加輕載或者空載，有力地保障整個開關(guān)電源系統(tǒng)的可靠性。

本實施例中，各開關(guān)電源單體單元相同。每個開關(guān)電源單體單元均包括單體拓?fù)潆娐?、信號采集變送模塊、電源保護(hù)模塊和單體協(xié)控模塊。單體拓?fù)潆娐芳丛撻_關(guān)電源單體中的電源部分，提供電源供應(yīng)；信號采集變送模塊和電源保護(hù)模塊均與單體拓?fù)潆娐吠ㄟ^電流、電壓采樣電路連接，且均連接單體協(xié)控模塊。單體拓?fù)潆娐钒üβ书_關(guān)器件和功率開關(guān)器件驅(qū)動電路，單體協(xié)控模塊還通過單體拓?fù)潆娐分械墓β书_關(guān)器件驅(qū)動電路與單體拓?fù)潆娐愤B接，以由功率開關(guān)器件及功率開關(guān)器件驅(qū)動電路協(xié)同配合控制單體拓?fù)潆娐愤M(jìn)行恒壓輸出。信號采集變送模塊和電源保護(hù)模塊通過單體協(xié)控制模塊的實現(xiàn)類型選擇合適的電路接口與單體協(xié)控制模塊連接，因而信號采集變送模塊和電源保護(hù)模塊將采樣結(jié)果經(jīng)各自調(diào)理、變送后，能干傳送到單體協(xié)控模塊。

信號采集變送模塊采集、放大、變送和跟隨處理單體拓?fù)潆娐返碾娏骱碗妷盒盘?，并將該電流和電壓信號通過單體協(xié)控模塊反饋至主控單元，以確保單體拓?fù)潆娐肪哂袥Q策的恒定輸出。

電源保護(hù)模塊對單體拓?fù)潆娐愤M(jìn)行保護(hù)，包括過流保護(hù)、過壓保護(hù)和欠壓保護(hù)。

本發(fā)明中，單體協(xié)控模塊能夠數(shù)字化實現(xiàn)，亦能夠由模擬元器件組合電路實現(xiàn)?；跀?shù)字化實現(xiàn)的單體協(xié)控模塊，通過通信總線形式與開關(guān)電源系統(tǒng)的主控制單元實現(xiàn)雙向通信，通信內(nèi)容包括上行傳輸(即從單體協(xié)控模塊到主控單元的傳輸)的開關(guān)電源單體單元的負(fù)載狀態(tài)、工作狀態(tài)和下行傳輸(即從主控單元到單體協(xié)控模塊的傳輸)的主動配流決策參數(shù)。該主動配流決策參數(shù)包括分配給各開關(guān)電源單體單元的工作狀態(tài)參數(shù)。該主動配流決策參數(shù)尤其包括各開關(guān)電源單體單元所承擔(dān)的配流值?；谀M元器件組合電路實現(xiàn)的單體協(xié)控模塊，通過模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換接口和開關(guān)狀態(tài)接口與開關(guān)電源系統(tǒng)的主控單元實現(xiàn)雙向通信，通信內(nèi)容包括上行傳輸?shù)拈_關(guān)電源單體的負(fù)載狀態(tài)、工作狀態(tài)和下行傳輸?shù)闹鲃优淞鳑Q策參數(shù)。

上述開關(guān)電源系統(tǒng)由兩個及以上開關(guān)電源單體單元并聯(lián)后共同為負(fù)載供電，是能夠?qū)崿F(xiàn)各個開關(guān)電源單體單元差異化配流控制的分布式電源系統(tǒng)。

本實施例中，母線信號采集變送單元與單體信號采集變送模塊具有相似的電路原理，目的在于采樣系統(tǒng)母線的電壓、電流，經(jīng)調(diào)理、變送后通過模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換接口與主控制單元連接。

上述主控制單元基于數(shù)字化實現(xiàn)，通過合適的信號接口與各開關(guān)電源單體單元的單體協(xié)控模塊和系統(tǒng)的母線信號采集變送單元連接，綜合分析各開關(guān)電源單體單元和系統(tǒng)母線的電流、電壓采樣數(shù)據(jù)，依據(jù)主動配流策略實現(xiàn)該類型分布式電源系統(tǒng)的主動配流。

開關(guān)電源具有脈寬調(diào)制的特征，是一個強非線性離散系統(tǒng)，具有如表1所述的特征。鑒于此，依據(jù)主動配流策略，在恒壓或恒流并聯(lián)供電系統(tǒng)中，在保證輸出電壓或輸出電流恒定的情況下，電源控制器根據(jù)配流策略對各個電源模塊的輸出電流進(jìn)行分配，實現(xiàn)電源系統(tǒng)的最佳綜合性能，進(jìn)行合理地非線性配流。

表1

本實施例的主動配流策略，核心在于實時評估各開關(guān)電源單體的負(fù)載程度，據(jù)此表征各開關(guān)電源單體的性能差異。各開關(guān)電源單體單元的負(fù)載程度表現(xiàn)為其中單體拓?fù)潆娐分泄β书_關(guān)器件的高頻驅(qū)動信號占空比參數(shù)特征。該功率開關(guān)器件的高頻驅(qū)動信號具有典型的非線性，其占空比參數(shù)特征包括占空比數(shù)值和變化程度。而且，在該開關(guān)電源單體單元的有效負(fù)載范圍內(nèi)，負(fù)載越大，占空比數(shù)值越大；恒定負(fù)載下，占空比數(shù)值變化程度可表征輸出穩(wěn)定性程度。

因此，主控單元通過單體協(xié)控模塊和母線信號采集變送單元實時監(jiān)測各單體拓?fù)潆娐泛湍妇€的供電狀態(tài)參數(shù)，通過單體協(xié)控模塊監(jiān)測各單體拓?fù)潆娐返墓β书_關(guān)器件的高頻驅(qū)動信號占空比參數(shù)，對各單體拓?fù)潆娐返墓╇姞顟B(tài)參數(shù)進(jìn)行一致性分析，對各單體拓?fù)潆娐返墓β书_關(guān)器件的高頻驅(qū)動信號占空比參數(shù)進(jìn)行變化程度分析和飽和度分析，結(jié)合單體拓?fù)潆娐返臉?biāo)準(zhǔn)負(fù)載性能參考參數(shù)和電源母線供電參考參數(shù)決策開關(guān)電源系統(tǒng)的主動配流方案并通過各單體協(xié)控模塊控制實現(xiàn)。

圖2所示為本實施例中開關(guān)電源系統(tǒng)的工作流程圖，該開關(guān)電源系統(tǒng)在主控單元的協(xié)調(diào)下以均流模式完成系統(tǒng)啟動。如圖2所示，在啟動完成后，主控制單元通過和各單體協(xié)控模塊間的通信實時獲取各開關(guān)電源單體單元的工作狀態(tài)參數(shù)，通過母線信號采集變送單元獲取母線狀態(tài)參數(shù)，通過主動配流策略建立主動配流方案，實現(xiàn)開關(guān)電源系統(tǒng)的主動配流。

本發(fā)明中，可以設(shè)置n個相同的開關(guān)電源單體進(jìn)行并聯(lián)組網(wǎng)，考慮到基于任務(wù)可靠性的功率匹配問題，其在功率上需要滿足：

npi≥po式(1)

其中，n為不小于2的正整數(shù)；

pi為各開關(guān)電源單體的額定功率；

po為所述開關(guān)電源系統(tǒng)的額定功率。

此外，本發(fā)明開關(guān)電源系統(tǒng)還可以采用并聯(lián)冗余電源方案，每個開關(guān)電源單體單元在低于額定運行狀態(tài)下工作，利于開關(guān)電源單體單元的長時間工作，即使某個開關(guān)電源單體單元發(fā)生了故障問題而停止向負(fù)載供電，冗余設(shè)計的開關(guān)電源單體單元在主控制單元的協(xié)調(diào)下，也能夠及時承擔(dān)故障的開關(guān)電源單體的負(fù)載，而不會導(dǎo)致開關(guān)電源系統(tǒng)的工作失常，確保了系統(tǒng)的可靠性。此時，該開關(guān)電源系統(tǒng)設(shè)置(n+m)個相同的開關(guān)電源單體進(jìn)行并聯(lián)組網(wǎng)，除了滿足式(1)外，還滿足：

l(n+m)pi≥po

其中，l為單個開關(guān)電源單體單元的應(yīng)力降額使用的分?jǐn)?shù)值，小于1；

n為所述開關(guān)電源系統(tǒng)的并聯(lián)額定數(shù)，且為不小于2的正整數(shù)；

m為任務(wù)可靠性的冗余個數(shù)，且為正整數(shù)；

pi為各所述開關(guān)電源單體的額定功率；

po為所述開關(guān)電源系統(tǒng)的額定功率。

本發(fā)明中，在多開關(guān)電源并聯(lián)主動配流點與系統(tǒng)冗余設(shè)計時要考慮如下原則：

若n，m已知，則：

若l，m為已知，則：

若l，n為已知，則：

本發(fā)明還提出了一種上述開關(guān)電源系統(tǒng)的電流控制方法，該方法包括以下步驟：

(1)以各開關(guān)電源單體單元均流的方式啟動開關(guān)電源系統(tǒng)；

(2)啟動后，檢測各開關(guān)電源單體單元的特性，根據(jù)各開關(guān)電源單體單元的特性重新動態(tài)地主動配置各開關(guān)電源單體單元的電流。

上述步驟(2)包括：

(21)檢測各開關(guān)電源單體單元的輸出電流紋波大??；

(22)根據(jù)各開關(guān)電源單體單元的輸出電流紋波大小，確定待配置給各開關(guān)電源單體單元的電流，并主動對開關(guān)電源單體單元配置該電流；

上述步驟(22)中，開關(guān)電源單體單元的輸出電流紋波越大，待配置給開關(guān)電源單體單元的電流越小。

上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。