电源模块串并联管理系统.pdf

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010254688.1 (22)申请日 2020.04.02 (71)申请人 西安科技大学 地址 710054 陕西省西安市雁塔路中段58 号 (72)发明人 程红丽史金鑫田富涛吴健铭 (74)专利代理机构 西安文盛专利代理有限公司 61100 代理人 佘文英 (51)Int.Cl. H02M 7/06(2006.01) H02M 3/335(2006.01) H02M 1/32(2007.01) (54)发明名称 一种电源模块串并联管理系统 (57)摘要 本发明公开了一种

2、电源模块串并联管理系 统， 包括AC-DC整流电路、 DC-DC电源模块电路、 故 障诊断电路、 容错控制电路、 均压均流控制电路。 DC-DC电源模块电路由四个反激变换器电源模块 组成， 输入端相互串并联连接， 输出端并联连接。 故障诊断电路通过采样电源模块输入电容电压 来进行故障的判断， 同时容错控制电路在系统正 常工作的前提下关闭故障模块， 保证系统的热插 拔。 均压均流控制电路采样输出电压和各电源模 块输出电流， 根据电源模块输出电流的差异来微 调基准电压， 通过PI控制输出PWM波， 保证输出电 压稳定的同时控制电源模块间功率平衡。 本发明 电源模块管理系统通过模块组合和控制策略来

3、提高供电系统的稳定性。 权利要求书2页 说明书6页 附图7页 CN 111313724 A 2020.06.19 CN 111313724 A 1.一种电源模块串并联管理系统， 其特征是包括AC-DC整流电路、 四个DC-DC电源模块 电路、 故障诊断电路、 容错控制电路、 均压均流控制电路； AC-DC整流电路输出接DC-DC电源模块电路， 将220V交流输入整流成波动直流电压， 为 DC-DC电源模块电路提供直流电压输入； 四个DC-DC电源模块电路分别由四个反激变换器电源模块组成； 连接方式为输入端两 两模块串联连接， 串联之后两串联部分再相互并联连接， 输出端全部并联连接； 将整流后输

4、 入的波动直流电压转化为稳定的直流输出， 为用电器提供电能； 每个DC-DC电源模块电路输 入端并联有一个电容； 故障诊断电路由输入电容电压采样电路、 主控制器组成， 主控制器以固定采样频率对 输入电容电压进行采样， 通过当前时刻与上一时刻采样信号的差值来进行故障的判断； 当 诊断出故障发生后， 输出控制信号驱动容错控制电路关闭故障模块， 保证供电系统输出稳 定， 容错控制电路由继电器组成； 均压均流控制电路由输出电压电流采样电路、 两个从控制器和MOSFET驱动电路组成； 从控制器采样输出电压和各DC-DC电源模块输出电流， 根据DC-DC电源模块输出电流的差异 来微调基准电压， 通过PI控

5、制输出PWM波， MOSFET驱动电路驱动各DC-DC电源模块开关管的 通断， 保证输出电压稳定的同时控制电源模块间功率平衡。 2.如权利要求1所述的一种电源模块串并联管理系统， 其特征是主控制器与两个从控 制器采用USART串口主从控制。 3.如权利要求1所述的一种电源模块串并联管理系统， 其特征是输入端相互串联的两 个电源模块的开关管采用同占空比控制方式， 由两个从控制器分别控制四个电源模块的开 关管， 同占空比方式可以保证相互串联的两个电源模块功率均衡。 4.如权利要求1所述的一种电源模块串并联管理系统， 其特征是从控制器各自采样自 己控制的两个电源模块的输出电流， 实时将采样信号与电流

6、基准值比较， 然后微调电压基 准值， 进而进行PI控制。 5.如权利要求1所述的一种电源模块串并联管理系统， 其特征是容错控制电路包括9个 继电器， 通过控制继电器开关来调整DC-DC电源模块输入侧连接方式， 从而在不间断供电的 情况下关闭故障模块。 6.如权利要求1所述的一种电源模块串并联管理系统， 其特征是DC-DC电源模块电路最 多允许两个电源模块出现故障。 7.如权利要求1所述的一种电源模块串并联管理系统， 其特征是系统的控制策略如下： 1)两个从控制器分别对四个DC-DC电源模块电路输出电压和输出电流进行采样， 将采 样电流值与电流基准值进行比较， 根据比较结果微调电压基准值， 然后

7、根据实时电压采样 值进行PI控制输出PWM波， 相互串联的两个电源模块的开关管采用同一占空比控制； 2)当系统启动后， 故障诊断电路开始工作， 将各个电源模块输入电容电压进行采样， 主 控制器将采样时间间隔设置为0.01秒， 当前时刻采样值与上一时刻采样值作差， 并与故障 设置阈值比较， 当大于或小于阈值时即为故障发生； 主控制器驱动继电器去关闭故障模块， 同时将故障信息发送给从控制器调整电流基准值； 根据故障电源模块在电路中的位置， 以 及多个电源模块故障时的故障顺序， 容错控制电路会根据16种控制方式去关闭故障电源模 块。 权利要求书 1/2 页 2 CN 111313724 A 2 8.

8、如权利要求7所述的一种电源模块串并联管理系统， 其特征是16种容错控制方式是： 第一电源模块故障、 第一电源模块故障后第二电源模块故障、 第一电源模块故障后第 三电源模块故障、 第一电源模块故障后第四电源模块故障； 第二电源模块故障、 第二电源模块故障后第一电源模块故障、 第二电源模块故障后第 三电源模块故障、 第二电源模块故障后第四电源模块故障； 第三电源模块故障、 第三电源模块故障后第一电源模块故障、 第三电源模块故障后第 二电源模块故障、 第三电源模块故障后第四电源模块故障； 第四电源模块故障、 第四电源模块故障后第一电源模块故障、 第四电源模块故障后第 二电源模块故障、 第四电源模块故

9、障后第三电源模块故障。 9.如权利要求7所述的一种电源模块串并联管理系统， 其特征是故障发生分为:正常状 态、 短路故障状态、 断路故障状态。 10.如权利要求9所述的一种电源模块串并联管理系统， 其特征是， (1)计算在0.01秒的采样间隔内， 当前时刻采样值与上一时刻采样值作差等于0， 即为 正常状态； (2)计算在0.01秒的采样间隔内电压下降了多少， 当小于阈值V下时， 即为出现短路故 障， V下的计算公式如下： 其中T为模块短路时由正常电压值下降到0的时间， C是输入电容的容值， Vin是DC-DC电 源模块电路的输入直流电压， P是单个电源模块的输入功率， R是单个电源模块的输入等

10、效 电阻， 取t等于0.01秒， 即可求出阈值V下； (3)计算在0.01秒的采样间隔内电压上升了多少， 当大于阈值V上同时相互串联的其 他电源模块没有出现短路故障时， 即为发生断路故障， 阈值V上计算公式如下： 其中C是输入电容的容值， Vin是DC-DC电源模块电路的输入直流电压， P是单个电源模 块的输入功率， 取t等于0.01秒， 即可求出阈值V上。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111313724 A 3 一种电源模块串并联管理系统 技术领域 0001 本发明涉及开关电源领域， 具体涉及电源模块的组合、 电源模块故障诊断和电源 模块间功率平衡的管理问题。 背景技术 0002 伴随

11、着当前科技的不断进步， 电气设备的实际应用对开关电源的输出功率与稳定 性提出了更高的要求， 传统的开关电源是定制的、 集中的， 根据负载功率的不同都有配套的 供电电源。 传统的电源不利于成本的降低和批量的管理。 特别是随着计算机、 通信设备的广 泛应用， 就要求组建大容量、 高稳定性的电源系统。 传统的电源模块通过ISOP、 IPOP、 IPOS和 ISOP四种方式根据用途和输出功率进行组合来为用电器供电， 解决了集中式电源制作成本 高、 器件热应力和电应力大、 功率器件故障率高的问题。 但是电源模块数量的增加也会出现 电源模块间协同工作的管理问题。 例如电源模块间承担的功率不均衡， 某个电源

12、模块出现 故障导致系统奔溃。 本发明在ISOP和IPOP组合方式相结合的基础上， 设计该组合方式均压 均流控制策略， 加入故障诊断与容错控制功能， 进一步提高供电电源的稳定性。 发明内容 0003 本发明的目的是提供一种电源模块串并联管理系统， 模块化的组合有利于设计成 本的降低、 系统的扩展和批量管理， 同时提高了供电系统的稳定性。 0004 本发明的技术方案是： 一种电源模块串并联管理系统， 其特征是包括AC-DC整流电 路、 DC-DC电源模块电路、 故障诊断电路、 容错控制电路、 均压均流控制电路； 0005 AC-DC整流电路输出接DC-DC电源模块电路， 将220V交流输入整流成波

13、动直流电 压， 为DC-DC电源模块电路提供直流电压输入； 0006 DC-DC电源模块电路由四个反激变换器电源模块组成； 连接方式为输入端两两模 块串联连接， 串联之后两串联部分再相互并联连接， 输出端全部并联连接； 将整流后输入的 波动直流电压转化为稳定的直流输出， 为用电器提供电能； 每个DC-DC电源模块电路输入端 并联有一个电容； 0007 故障诊断电路由输入电容电压采样电路、 主控制器组成， 主控制器以固定采样频 率对输入电容电压进行采样， 通过当前时刻与上一时刻采样信号的差值来进行故障的判 断； 当诊断出故障发生后， 输出控制信号驱动容错控制电路关闭故障模块， 保证供电系统输 出

14、稳定， 容错控制电路由继电器组成； 0008 均压均流控制电路由输出电压电流采样电路、 两个从控制器和MOSFET驱动电路组 成； 从控制器采样输出电压和各DC-DC电源模块输出电流， 根据DC-DC电源模块输出电流的 差异来微调基准电压， 通过PI控制输出PWM波， MOSFET驱动电路驱动各DC-DC电源模块开关 管的通断， 保证输出电压稳定的同时控制电源模块间功率平衡。 0009 一种电源模块串并联管理系统， 其特征是主控制器与两个从控制器采用USART串 口主从控制。 说明书 1/6 页 4 CN 111313724 A 4 0010 一种电源模块串并联管理系统， 其特征是输入端相互串

15、联的两个电源模块的开关 管采用同占空比控制方式， 由两个从控制器分别控制四个电源模块的开关管， 同占空比方 式可以保证相互串联的两个电源模块功率均衡。 0011 一种电源模块串并联管理系统， 其特征是从控制器各自采样自己控制的两个电源 模块的输出电流， 实时将采样信号与电流基准值比较， 然后微调电压基准值， 进而进行PI控 制。 0012 一种电源模块串并联管理系统， 其特征是容错控制电路包括9个继电器， 通过控制 继电器开关来调整DC-DC电源模块输入侧连接方式， 从而在不间断供电的情况下关闭故障 模块。 0013 一种电源模块串并联管理系统， 其特征是DC-DC电源模块电路最多允许两个电源

16、 模块出现故障。 0014 一种电源模块串并联管理系统， 其特征是系统的控制策略如下： 0015 1)四个从控制器分别对四个DC-DC电源模块电路输出电压和输出电流进行采样， 将采样电流值与电流基准值进行比较， 根据比较结果微调电压基准值， 然后根据实时电压 采样值进行PI控制输出PWM波， 相互串联的两个电源模块的开关管采用同一占空比控制； 0016 2)当系统启动后， 故障诊断电路开始工作， 将各个电源模块输入电容电压进行采 样， 主控制器将采样时间间隔设置为0.01秒， 当前时刻采样值与上一时刻采样值作差， 并与 故障设置阈值比较， 当大于或小于阈值时即为故障发生； 主控制器驱动继电器去

17、关闭故障 模块， 同时将故障信息发送给从控制器调整电流基准值； 根据故障电源模块在电路中的位 置， 以及多个电源模块故障时的故障顺序， 容错控制电路会根据16种控制方式去关闭故障 电源模块。 0017 一种电源模块串并联管理系统， 其特征是16种容错控制方式是： 0018 第一电源模块故障、 第一电源模块故障后第二电源模块故障、 第一电源模块故障 后第三电源模块故障、 第一电源模块故障后第四电源模块故障； 0019 第二电源模块故障、 第二电源模块故障后第一电源模块故障、 第二电源模块故障 后第三电源模块故障、 第二电源模块故障后第四电源模块故障； 0020 第三电源模块故障、 第三电源模块故

18、障后第一电源模块故障、 第三电源模块故障 后第二电源模块故障、 第三电源模块故障后第四电源模块故障； 0021 第四电源模块故障、 第四电源模块故障后第一电源模块故障、 第四电源模块故障 后第二电源模块故障、 第四电源模块故障后第三电源模块故障。 0022 与已有的技术相比， 本发明的优点是： 0023 1)通过电源模块在输入端串并联、 在输出端并联的组合方式来减小各电源模块的 电应力， 提高供电系统的稳定性； 模块化的组合也有利于设计成本的降低、 系统的扩展和批 量管理。 0024 2)通过均压均流控制电路控制各电源模块功率平衡， 防止电源模块功率过高或过 低。 0025 3)加入故障诊断与

19、冗余容错控制， 识别故障电源模块的同时关闭故障模块， 同时 不影响系统正常供电。 故障诊断从输入端入手， 不需要改变电源模块的内部结构， 利于系统 的稳定。 说明书 2/6 页 5 CN 111313724 A 5 附图说明 0026 图1是本发明的整体系统电路框图。 0027 图2是本发明故障诊断与容错控制电路原理图。 0028 图3是本发明均压均流控制电路原理图。 0029 图4是本发明电源模块正常工作时输入电容电压波形图。 0030 图5是本发明电源模块短路故障时输入电容电压波形图。 0031 图6是本发明短路故障电路简化图。 0032 图7是本发明电源模块断路故障时输入电容电压波形图。

20、 0033 图8是本发明断路故障电路简化图。 0034 图9是本发明故障诊断与容错控制的程序框图。 0035 图10是本发明均压均流控制一路PWM波输出的程序框图。 0036 图11是本发明的仿真结果波形图。 具体实施方式 0037 以下将结合附图和实例对发明的内容做进一步说明。 0038 如图1所示： 本发明电源模块串并联管理系统由AC-DC整流电路、 DC-DC电源模块电 路、 故障诊断电路、 容错控制电路、 均压均流控制电路组成。 0039 AC-DC整流电路输出接DC-DC电源模块电路， 将220V交流输入整流成波动直流电 压， 为DC-DC电源模块电路提供直流电压输入。 0040 D

21、C-DC电源模块电路通过串并联连接的C1、 C2、 C3、 C4输入电容将波动直流电压转 化为平滑的直流电压， 分别为DC-DC1、 DC-DC2、 DC-DC3、 DC-DC4提供输入， 4个电源模块正常 运行时， 各模块输入电压为总直流电压的一半， 各电源模块输入电流是总电流的一半。 通过 均压均流控制策略将波动直流电压转化为稳定的48V直流输出， 为用电器提供电能。 0041 如图2所示： 故障诊断电路由输入电容电压采样电路、 主控制器组成。 电压采样电 路负责采样C1、 C2、 C3、 C4的电压。 将采样电压信号送入主控制器， 主控制器根据采样信号判 断故障。 出现故障时驱动容错控制

22、电路关闭故障模块。 容错控制电路主要由9个继电器组 成， 出现故障时通过控制DC-DC电源模块电路输入侧连接方式来关闭故障模块。 同时将故障 信息发送给从控制器。 系统最多允许出现两个故障模块， 根据故障电源模块在电路中的位 置， 以及多个电源模块故障时的故障顺序， 容错控制电路会根据16种控制方式去关闭故障 电源模块。 0042 0043 表1-1 16种容错控制方式 0044 说明书 3/6 页 6 CN 111313724 A 6 0045 0046 如图3所示： 均压均流控制电路由输出电压电流采样电路、 从控制器和MOSFET驱动 电路组成。 从控制器采样各电源模块输出电流I1、 I2

23、、 I3、 I4， 将各个模块的实时采样电流值 与电流基准值进行比较， 根据比较结果微调电压基准值， 然后根据实时电压采样Vo值进行 PI控制输出PWM波， 驱动电源模块开关管。 相互串联的两个电源模块DC-DC1、 DC-DC2的开关 管由一个从控制器通过采样I1、 I2和Vo来输出一个PWM波进行同一占空比控制。 相互串联的 两个电源模块DC-DC3、 DC-DC4的开关管由另一个从控制器通过采样I3、 I4和Vo来输出一个 PWM波进行同一占空比控制。 同占空比方式可以保证相互串联的两个电源模块功率均衡。 两 路PWM波就可以控制四个电源模块间功率平衡， 同时输出稳定的目标电压。 004

24、7 如图4所示： 电源模块正常工作时， 输入电容电压以周期为0.01秒波动， 设置采样 时间间隔为0.01秒， 当前时刻采样值与上一时刻采样值作差等于0。 即为正常状态。 其中 Vac_in为交流输入电压， C为输入电容， Pin为输入功率， fine为交流电频率， Dch为电容充电 占空比： 0048 0049 0050 如图5所示： 电源模块在t1时刻出现开关管短路故障时， 输入电容电压的波形图。 DC-DC1和DC-DC2输入端相互串联， 正常状态时， 各输入电压相等均分， 在t1时刻时， DC-DC1 出现短路故障， 输入电容电压急速下降， 与此同时会影响正常的DC-DC2模块电压急速

25、上升。 只需计算在0.01秒的采样间隔内电压下降了多少， 当小于此阈值时， 即为出现短路故障。 此 阈值计算公式如下： 0051 如图6所示： 为短路故障电路简化图， DC-DC1与DC-DC2用输入电阻R代替。 0052 初始时两模块正常运行： 0053 0054 R1出现短路故障时， Vc1下降到0， Vc2上升到Vin， 根据能量守恒关系则有： 0055 Win+Wc1Wc2+WR2 (5) 0056 根据电容电压的变化求得各自吸收与释放的功率， 关系式如下： 0057 0058 0059 WR2PT (8) 0060 然后根据输入电压电流求得输入功率： 说明书 4/6 页 7 CN 1

26、11313724 A 7 0061 WinVinIinT (9) 0062 0063 结合公式(5)(6)(7)(8)(9)， 即可求出Vc1下降到0时的时间T： 0064 0065 0066 其中C是输入电容的容值， Vin是DC-DC电源模块电路的输入直流电压， P是单个电 源模块的输入功率， R是单个电源模块的输入等效电阻， 当t等于0.01秒时， 即可求出阈值 V下。 0067 如图7所示:电源模块在t1时刻出现开关管断路故障时， 输入电容电压的波形图。 DC-DC1和DC-DC2输入端相互串联， 正常状态时， 各输入电压相等均分， 在t1时刻时， DC-DC1 出现断路故障， 输入电

27、容电压升高， 与此同时会影响正常的DC-DC2模块电压下降。 需要计算 在0.01秒的采样间隔内电压上升了多少。 当大于此阈值同时相互串联的其他电源模块没有 出现短路故障时， 即为发生断路故障。 此阈值计算公式如下： 0068 如图8所示： 为断路故障电路简化图， DC-DC1与DC-DC2用输入电阻R代替。 0069 初始时两模块正常运行： 0070 0071 R1出现断路故障时， Vc1上升， Vc2下降， 设Vc1上升到Vc1 ,Vc2下降到Vc2 则有： 0072 Vc1+Vc2Vin (14) 0073 Vc1-VcVc-Vc2V (15) 0074 根据能量守恒关系， 出现故障时，

28、 R2功率为WR2,则有如下关系： 0075 WR2Win-WC1+WC2Pt (16) 0076 根据电容电压的变化求得各自吸收与释放的功率， 关系式如下： 0077 0078 0079 然后根据输入电压电流求得输入功率： 0080 0081 VinIintWin (20) 0082 结合公式(16)(17)(18)(19)(20)可以求出： 说明书 5/6 页 8 CN 111313724 A 8 0083 0084 其中C是输入电容的容值， Vin是DC-DC电源模块电路的输入直流电压， P是单个电 源模块的输入功率， 当t等于0.01秒时， 即可求出阈值V上。 0085 如图9所示：

29、为故障诊断与容错控制的程序框图， 首先， 配置好系统时钟和初始化 各个外设， 然后等待系统启动， 系统启动后以固定时间间隔对C1、 C2、 C3、 C4的电压进行采 样。 主控制器根据采样信号判断故障。 出现故障时驱动容错控制电路关闭故障模块。 同时将 故障信息发送给从控制器从而调整电流基准值。 0086 如图10所示： 为均压均流控制中其中一路PWM波输出的程序框图， 首先， 配置好系 统时钟和初始化各个外设， 设置电压电流基准值， 然后将采样电流与电流基准值进行比较， 根据比较结果微调电压基准值。 当采样电流大于电流基准值时， 将电压基准值调小0.5V， 当 采样电流小于电流基准值时， 将

30、电压基准值调大0.5V， 然后根据实时电压采样值与电压基 准值进行PI控制输出一路PWM波， 相互串联的两个电源模块的开关管采用同一PWM驱动。 两 路PWM波就可以控制四个电源模块间功率平衡， 同时输出稳定的目标电压。 0087 如图11所示： 为系统仿真输出电压波形图， 在t时刻前， 四个电源模块均正常工作， 输出电压稳定在47.6V。 在t时刻， DC-DC1出现短路故障， 输出电压短暂上升， 经过系统调整 后， 输出电压又逐步稳定到47.6V。 0088 系统输入市电电压220VAC， 输出电压为48VDC， 总功率为400W， 整体效率大于90。 系统由四个模块电源组成， 单个模块的

31、输入电压为140330VDC,输出电压为48VDC， 功率为 200W。 0089 系统能够为串并联的各个模块电源分配均匀的负载电流， 系统的各个模块电源之 间的电流误差不超过10。 0090 系统具有冗余性、 容错控制和故障诊断的功能， 当某个模块电源发生故障时， 系统 能够识别该模块， 通过控制开关来调整电源模块输入侧连接方式， 关闭故障电源的同时系 统继续正常工作。 0091 以上所述， 仅为本发明较佳的具体实施方式， 但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内， 可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。 说明书 6/6 页 9 CN 111313724 A 9 图1 图2 说明书附图 1/7 页 10 CN 111313724 A 10 图3 图4 说明书附图 2/7 页 11 CN 111313724 A 11 图5 图6 说明书附图 3/7 页 12 CN 111313724 A 12 图7 图8 说明书附图 4/7 页 13 CN 111313724 A 13 图9 说明书附图 5/7 页 14 CN 111313724 A 14 图10 说明书附图 6/7 页 15 CN 111313724 A 15 图11 说明书附图 7/7 页 16 CN 111313724 A 16