專利名稱：一種全負載范圍內精確均流裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及分布式直流電源系統，特別是涉及一種同容量輸出的直流電源模塊并聯時的自動均流裝置。
電源系統的發展方向之一是用分布式電源系統代替集中式電源供電系統。在通信電源系統中，分布式電源系統被普遍采用，即指N+n臺電源模塊并聯組合使用，其中N臺用以供給負載所需電流，n臺(一般n=1)為冗余模塊，它可以保證電源系統即使同時有n臺模塊發生故障，仍能提供100％的負載電流，增加了系統的容錯冗余功率。此外，采用冗余技術，還可實現熱更換，即在保證系統不間斷供電的情況下，更換系統的失效模塊。
因而，基于大功率負載需求和分布式電源系統的發展，電源模塊的并聯均流技術顯得日益重要。并聯均流技術可以保證模塊間的電流應力和熱應力的均勻分配，防止一臺或多臺模塊運行在限流狀態。它是實現大功率電源系統的關鍵，使各個電源模塊的功率半導體器件的電流應力減小，大幅提高系統的可靠性。并聯均流的基本要求是各模塊承受的電流能自動平衡，實現均流；為提高系統的可靠性，盡可能不增加外部均流控制的措施，并使均流與冗余技術結合；當輸入電壓或負載電流變化時，應保持輸出電壓穩定，并且均流的瞬態響應好。
目前，現有技術中均流裝置的方案有很多，其中基于平均電流法的自動均流裝置可以在一定范圍內實現均流，其均流母線上的參考值并不代表各模塊中的最大電流，而是各并聯模塊輸出電流的平均值。各并聯模塊無主從關系，相互之間的關系是平等的，故又稱之為無主低差自動均流法。這種裝置的電路結構簡單，它由均流控制器和輸出電壓調整器組成閉環系統，它們的均流控制調整方式是單向調整，這種單向調整方式的不足之處為并非所有的電源模塊主動地參與均流調節，而是只有輸出電流比平均電流大的模塊主動降低其輸出電壓，或者只有輸出電流比平均電流小的模塊主動抬高其輸出電壓，實現均流調節，因而均流動態調節范圍有限，不能實現全負載范圍內均流度一致的精確均流，只能保證某一段負載范圍內均流效果一致。要實現高精度的均流，單向調整方式的均流控制器參數設計較困難，有時只能在調試時進行參數試湊，很難達到最佳均流效果。
本發明就是基于平均電流法自動均流的基本原理提出了一種簡單實用的可實現全負載范圍內精確均流的裝置。
本發明一種全負載范圍內精確均流裝置，包括一個由第二運算放大器及外圍電路構成比例積分環節的電壓誤差放大器，其特征在于還包括能雙向調節的均流控制器，所述均流控制器中，反饋電阻R9與抗干擾電容C3并聯跨接在第一運算放大器負輸入端和正輸出端之間，兩偏置電阻R10、R11串聯后一端接第一運算放大器的正輸入端，一端接+5V電源，電阻R2的一端與第一運算放大器的正輸入端連接，電阻R4的一端與第一運算放大器的負輸入端連接，電阻R1的一端與R4相連后，接電流采樣放大電路，電阻R1的另一端與電阻R2相連后再連接到均流母線上；運算放大器的供電端接+15V電源，第一運算放大器的輸出端通過兩限流電阻R3和R5串聯后連接電壓誤差放大器的正輸入端。
本發明還采取了如下的技術措施，在第一運算放大器的輸出端的兩限流電阻R10、R11中間連接點接穩壓二極管；在第一運算放大器的供電端接入濾波電容C1。
下面結合附圖對本發明做進一步詳細說明。


圖1是與本發明最接近的現有技術采用的自動均流裝置原理示意圖；圖2是本發明全負載范圍內精確均流裝置原理圖。
在圖1中調節電源模塊輸出的電壓誤差放大器A一般是比例積分環節，它的輸入分別是輸出電壓反饋Vf和輸出電壓參考Vr，它的輸出是調節功率級變換電路占空度的電壓誤差信號Ve。從圖1中可以看出電壓誤差放大器的參考輸入端是受均流控制器的輸出Vi影響的。V1是本電源輸出電流經采樣放大后得到的反映本模塊輸出電流大小的電壓信號，作為均流控制器的一個輸入；V0是從通過一電阻R1與各電源模塊輸出電流信號相連的均流母線上取得的，反映各電源模塊輸出電流的平均電流值，作為均流控制器的另一個輸入；Vi是均流控制器的輸出。均流控制器是均流電路的核心，它的性能優劣直接影響系統的均流效果，其內部的具體實現電路不是很多，常見的是用積分運算放大器作為均流控制器或者用比較器和RC濾波器配合使用作為均流控制器，這些均流控制器的基本工作原理是在電源模塊單獨使用或者多個電源模塊并聯工作時本模塊輸出電流V1小于平均輸出電流V0時，均流控制器的輸出Vi是正向飽和輸出的，二極管D1反偏，均流控制器的輸出Vi對電壓誤差放大器A的參考輸入端不造成影響，只有當本模塊輸出電流V1大于平均輸出電流V0時，均流控制器的輸出Vi才從正向飽和輸出向下調整，直到二極管D1正偏，拉低電壓誤差放大器A的參考輸入端，進而降低電源模塊的輸出電壓，達到平均分配各電源模塊輸出電流的目的。所以，從均流控制器的基本工作原理可以得出，其均流控制調整方式是單向調整，即只有本模塊輸出電流大于平均輸出電流的模塊才參與調整，降低本模塊的輸出電壓，從而減小本模塊輸出電流，達到均流的目的。這種單向調整方式的不足之處是并非所有的電源模塊全部改變其輸出電壓，主動地參與均流調節，而是只有輸出電流比平均電流大的模塊主動降低其輸出電壓，參與均流調節，因而單向調整方式的均流動態調節范圍有限，不能實現全負載范圍內均流度一致的精確均流，只能保證某一段負載范圍內均流效果一致。此外，要實現高精度的均流，單向調整方式的均流控制器參數設計也較困難，有時只能在調試時進行參數試湊，不能達到最佳均流效果。
圖2給出了本發明全負載范圍內精確均流裝置原理圖，從圖2中可以看出調節電源模塊輸出的電壓誤差放大器仍采用與現有技術一樣的結構，故其參考輸入端還是受均流控制器的輸出Vi影響。第一運算放大器A1是帶偏置電路的線性比例放大器，起到均流控制器的作用。R9是放大器的反饋電阻，此電阻的阻值越大，則放大器的放大倍數越高，均流效果應越精確。抗干擾電容C3的作用是去除高頻干擾對均流控制器的影響，同時還能避免因均流控制器參與系統輸出電壓的調節而導致系統閉環不穩定。為使均流控制器能進行雙向調節，本發明特增加了由+5V電源與R10，R11構成此放大器的偏置電路，作為均流控制器的其中一個輸入；V1是本電源模塊輸出電流經采樣放大后得到的反映本模塊輸出電流大小的電壓信號，作為均流控制器的另一個輸入；V0是從通過一電阻R1與各電源模塊輸出電流信號相連的均流母線上取得的，V0反映了并聯的各電源模塊輸出電流的平均電流值，作為均流控制器的第三個輸入。Vi是均流控制器的輸出，送入到電壓誤差放大器的參考輸入端，進而調整電源模塊的輸出電壓，達到平均分配各電源模塊輸出電流的目的。比如當本模塊輸出電流V1小于平均輸出電流V0時，均流控制器的輸出Vi增大，電壓誤差放大器的參考輸入也隨之提高，本模塊的輸出電壓增大，本模塊輸出電流提高，反之亦然；從而使超過平均電流的電源模塊和低于平均電流值的模塊都可以得到調節，即實現了雙向調節。
穩壓二極管D1的作用是為了防止線性比例放大器A1失控，或損壞而導致正飽和輸出時，鉗位均流控制器的輸出，使其對電壓誤差放大器A2參考輸入端的影響限制在允許的范圍內。
單臺電源模塊工作時，均流母線浮空，不具有平均電流值的含義。均流控制器的輸入就只有+5V的偏置電路和反映本模塊輸出電流的電壓信號V1。此時先設定電阻參數R1=R4=R2=1K，經過推導可以發現，只要滿足條件R10+R11=2R9，則無論反映本模塊輸出電流大小的電壓信號V1如何改變，均流控制器的輸出Vi始終保持偏置電壓+5V不變。從而保證了單臺電源模塊工作時，其輸出負載調整率不會因為此均流控制器的加入而受影響。
推導過程如下根據線性電路的疊加原理，首先單獨將均流控制器的+5V偏置輸入端對地短接，線性比例放大器A1的第3腳電位是V3=V1×R10+R11R10+R11+R1+R2]]>線性比例放大器A1的第2腳與第3腳虛短，所以線性比例放大器A1的第2腳電位是均流控制器的輸出Vi1的電位是Vil=V2-V1R4×(R4+R9)+V1]]>綜合上述三個表達式，可以得出本模塊輸出電流V1與均流控制器輸出Vi1的關系為Vil=R4+R9R4(R10+R11R10+R11+R1+R2-1)×V1+V1]]>然后單獨將均流控制器的反映本模塊輸出電流大小的電壓信號端V1對地短接，線性比例放大器A1的第3腳電位是V3=5×R1+R2R1+R2+R10+R11]]>由于線性比例放大器A1的第2腳與第3腳虛短，所以線性比例放大器A1的第2腳電位是V2=V3均流控制器的輸出Vi2的電位是Vi2=V2R4×(R4+R9)]]>綜合上述三個表達式，可以得出+5V偏置輸入與均流控制器的輸出Vi2的關系為Vi2=R4+R9R4×R1+R2R1+R2+R10+R11×5]]>運用線性電路的疊加原理，均流控制器的總輸出Vi是Vi=Vi1+Vi2=-R4+R9R4×R1+R2R10+R11+R1+R2×V1+V1+R4+R9R4×R1+R2R1+R2+R10+R11×5]]>從上述表達式可以看出，只要合適地配置電阻參數，使之滿足以下表達式，就能使均流控制器的輸出Vi恒定為5V。即令R4+R9R4×R1+R2R10+R11+R1+R2=1]]>在上式中，為簡化分析，便于參數設計，先設R1=R4=R2=1K，再令R10+R11=2R9，即可滿足Vi恒定為5V。圖2給出的本發明中，取R10=51K，R11=3K，則R9=54K。
所以，均流控制器的輸出Vi不隨本模塊輸出電流大小的變化而變化，它只隨反映本模塊輸出電流大小的電壓信號V1和反映各電源模塊平均輸出電流的電壓信號V0的差值變化而變化，并且是以輸出偏置電壓+5V為基點，上下變化，達到增大或減小電壓誤差放大器的參考輸入的目的，從而實現了雙向調節電源模塊的輸出電壓平均分配輸出電流的目的。
本發明與現有技術相比具有如下優點1電路簡單。
用一帶偏置電路的線性運算放大器即可實現均流控制。線性運放的輸入端分別是本模塊輸出電流信號和平均輸出電流信號。同時，在運放的正輸入端施加了一正向偏置電路。在單模塊運行時，只要合理設置參數，就可實現無論本模塊輸出電流的大小如何變化，該運放的輸出都保持恒定不變。所以該均流電路不會影響單模塊測試時的負載調整率。
2用帶偏置電路的線性運算放大器實現均流控制時，該線性運算放大器A1輸出可在偏置值附近上下浮動，因而它既可抬高電壓誤差放大器的參考輸入，又可拉低電壓誤差放大器的參考輸入，也就是說，輸出電流大的模塊能有效地降低其輸出，輸出電流小的模塊能有效地增加其輸出，實現雙向調整。所以本均流方案的電流動態調整范圍較寬。
3本發明參數設置簡單，實際調試方便易行。
4本發明實際均流效果可以保證在3％的范圍內，并且全負載范圍內，均流效果基本一致。下表是本申請人對采用本發明的11臺48V/50A并聯電源模塊所做的測試，可以看出本發明的均流效果極佳，實現了全負載范圍內精確均流的目的。
本發明所提出的一種全負載范圍內精確均流裝置，普遍適用于多個電源模塊直接并聯輸出的直流電源系統中，是一種簡單實用理想的均流裝置，為實現電源系統的冗余設計，提高電源系統的可靠性創造了條件。本發明可以在諸如通信電源系統，電力操作電源系統等直流輸出開關電源系統中大力推廣，具有潛在的積極的社會效益和經濟效益。
權利要求
1一種全負載范圍內精確均流裝置，包括一個由第二運算放大器A2及外圍電路構成比例積分環節的電壓誤差放大器，其特征在于還包括能雙向調節的均流控制器，所述均流控制器中，反饋電阻R9與抗干擾電容C3并聯跨接在第一運算放大器A1負輸入端和輸出端之間，兩偏置電阻R10、R11串聯后一端接第一運算放大器A1的正輸入端，一端接+5V電源，電阻R2的一端與第一運算放大器A1的正輸入端連接，電阻R4的一端與第一運算放大器A1的負輸入端連接，電阻R1的一端與R4的另一端相連后，再接電流采樣放大電路，電阻R1的另一端與電阻R2的另一端相連后再連接到均流母線上；第一運算放大器A1的供電端接+15V電源，第一運算放大器A1的輸出端通過兩限流電阻R3和R5串聯后連接電壓誤差放大器A2的正輸入端；位于所述第一運算放大器的輸入端一側的電阻滿足R1=R4=R2；所述偏置電阻R10、R11與反饋電阻R9的關系滿足R10+R11=2R9。
2如權利要求1所述的一種全負載范圍內精確均流裝置，其特征在于在第一運算放大器A1的輸出端的兩限流電阻R3、R5中間連接點接穩壓二極管D1，在第一運算放大器的供電端接入濾波電容C1。
3如權利要求1或2所述的一種全負載范圍內精確均流裝置，其特征在于位于所述第一運算放大器的輸入端一側的電阻滿足R1=R4=R2=1K。
全文摘要
本發明為全負載范圍內精確均流裝置,屬于分布式直流電源系統;包括電壓誤差放大器和均流控制器,所述均流控制器中,電阻R9與電容C3并聯在運算放大器負輸入端和輸出間,R10、R11與+5V電源構成偏置電路接運算放大器正輸入端,反饋電阻R9與R10、R11滿足關系式R10+R11=2R9。本發明電路簡單,參數設置與調試方便易行,能實現以平均電流為基準的雙向調節,且在全負載范圍內達到高精度;本發明可在通信電源系統,電力電源系統等直流輸出開關電路系統中應用。
文檔編號H02J1/10GK1287398SQ99117168
公開日2001年3月14日 申請日期1999年10月27日 優先權日1999年10月27日
發明者周建平 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司