一種具有自動均流功能的開關電源的製作方法
2023-05-24 03:18:26 1
專利名稱：一種具有自動均流功能的開關電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有自動均流功能的開關電源，屬於航空航天電源領域。
背景技術：
航空電源作為飛行器的動力源是航天設備的重要功能系統，擔負著為其他功能系統供電的重要任務。隨著近代航天設備的性能不斷提高，各種用電設備對電源系統的要求越來越高，使航天電源日益向高功率密度、高效率、高開關頻率、小型化等方向發展。這些變化使得航天設備對航天電源的可靠性和安全性提出更高的要求，同時對大容量、高穩定性電源系統的需求日益迫切。目前，航空電源通常採用單模塊電源供電模式，即不同的功能系統使用不同的電池和單一的電源模塊供電。這種模式有兩個不足之處，一是多種電池和電源模塊增加了航天設備的載荷，而航天設備通常要求設備重量輕，佔用空間小；二是每個電源模塊都是單獨的電池供電和工作模塊，當任一處出現故障則整個模塊就不能正常工作，降低了航天設備的可靠性和安全性。針對以上的不足，航空電源模塊採用雙餘度設計，既滿足航天設備對空間重量的要求，也滿足航天設備對電源系統的安全性可靠性要求。但受工藝水平、誤差限制、電路板布線等因素影響，並聯運行的各電源模塊的參數都會存在差異，致使其外特性有所不同，造成負載電流不均衡問題，降低系統的可靠性。因此在電源模塊並聯運行中必須引入有效的負載電流均流控制系統，來提高電源模塊的可靠性。
發明內容
針對航空電源存在的單模塊電源供電和供電電流不均衡的問題，本發明研製了 一種具有自動均流功能的開關電源。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:一種具有均流功能的開關電源，包括電池I，電池II，二極體D1，二極體D2，DC/DC模塊I，DC/DC模塊II，均流模塊。其中，電池I的輸出端與二極體Dl的陽極相連，電池II的輸出端和二極體D2的陽極相連，二極體D1、二極體D2的陰極分別與DC/DC模塊1、DC/DC模塊II的輸入端相連，DC/DC模塊1、DC/DC模塊II的輸出端分別與均流模塊的晶片供電端相連，均流模塊的控制端分別與DC/DC模塊1、DC/DC模塊II的電壓調整端相連。經過均流模塊的均流作用，DC/DC模塊1、DC/DC模塊II的輸出端分別與負載相連。所述的電池1、電池II都採用磷酸鐵鋰材料製作，額定電壓值為80V，容量為5000mAho所述的二極體Dl、二極體Dl選用的型號是ON公司生產的MUR3020。所述的DC/DC模塊1、DC/DC模塊II採用相同的有源正激拓撲結構。PWM控制晶片選用TI公司的峰值電流型PWM控制器UCC2897A。電池1、電池II接變壓器原邊同名輸入端，原邊輸出端接NMOS開關管Q2到原邊地，同時接鉗位電容C2的一端，鉗位電容C2的另一端接PMOS開關管Ql到原邊地，PWM控制晶片的驅動引腳接開關管Q1、開關管Q2的柵極端，變壓器的副邊同名端接整流二極體Dl陽極，整流二極體Dl的陰極接整流二極體D2的陰極和輸出濾波電感L的一端,輸出電感L的另一端為DC/DC模塊的輸出端同時接輸出濾波電容Cl的正極，變壓器副邊的另一端接整流二極體D2的陽極和輸出濾波電容Cl的負極。DC/DC模塊的輸出端串聯電阻R4、電阻R5、電阻R6到副邊地，電阻R5電阻R6的公共點與PWM控制晶片UCC2897A的控制端相連。所述的均流模塊由兩片TI公司生產的專用均流晶片UC1902及其外圍電路構成。兩片UC1902分別為UC1902 1、UC1902 II。UC1902 I的I腳、6腳接副邊地，2腳接電阻Rll到副邊地，3腳接DC/DC模塊I的電壓調整端，4腳接電阻Rl3到副邊地，5腳接電阻Rl2 —端，電阻R12另一端接電容Cll到副邊地，7腳接均流母線正端，8腳接DC/DC模塊I的輸出端，同時8腳接濾波電容C12到副邊地。UC1902 II的I腳、6腳接副邊地，2腳接電阻R21到副邊地，3腳接DC/DC模塊II的電壓調整端，4腳接電阻R23到副邊地，5腳接電阻R22 —端，電阻R22另一端接電容C21到副邊地，7腳接均流母線正端，8腳接DC/DC模塊I的輸出端，同時8腳接濾波電容C22到副邊地。電池I，電池II，DC/DC模塊I，DC/DC模塊II對負載有四種供電模式:電池1、電池II同時供電，DC/DC模塊1、DC/DC模塊II同時工作；電池1、電池II同時供電，DC/DC模塊I或DC/DC模塊II工作；電池I或電池II供電，DC/DC模塊1、DC/DC模塊II同時工作；電池I或電池II其中一個供電，DC/DC模塊I或DC/DC模塊II其中一個工作。本發明的有益效果是:雙餘度航空電源採用冗餘技術，減少了航空設備空間的使用，保證任一電源模塊損壞或者過流保護停止工作時，負載可以從備用模塊中獲得足夠的電量，提高了電源系統的可靠性；採用自主均流方法，解決了因電路板走線、工藝製作等差異造成的並聯DC/DC模塊輸出電流不均衡的問題，使兩個模塊同時共同等效的工作，提高了電源系統的穩定性，延長了電源模塊的使用壽命。
圖1雙餘度航空電源總體結構框圖；圖2DC/DC模塊1、DC/DC模塊II原理框圖；圖3DC/DC模塊與均流模塊連接圖；圖4DC/DC模塊1、DC/DC模塊II並聯均流的應用原理圖；圖中標號含義如下:1.電池 I ;2.電池 II3.DC/DC 模塊 I ；4.DC/DC 模塊 II ；5.均流模塊6.負載；
具體實施例方式本發明的具體實施方式
如下:
圖1是雙餘度航空電源的總圖原理框圖，包括電池I 1，電池II 2，二極體D1，二極體D2，DC/DC模塊I 3，DC/DC模塊II 4，均流模塊5。電池I 1、電池II 2作為直流電源，經過二極體D1，二極體D2後並聯為DC/DC模塊I 3，DC/DC模塊II 4供電。通過這樣的結構，電池互為備份，當任一電池出現故障或電量不足時，另一電池仍能持續給DC/DC模塊供電，保證航空設備的正常工作；而電池I 1，電池II 2同時工作時，還能延長航天設備的工作時間，使航天設備在每次工作周期內完成更多的任務。並聯的DC/DC模塊也互為備份，當其中一個模塊工作異常時，另一個模塊仍能繼續工作，保證供電正常。這樣雙餘度航空電源就工作在四種工作狀態:兩塊電池供電，兩個DC/DC模塊工作；兩塊電池供電，一個DC/DC模塊工作；一塊電池供電，兩個DC/DC模塊工作；一塊電池供電，一個DC/DC模塊工作。圖2是DC/DC模塊I 1、DC/DC模塊II 2原理框圖。DC/DC模塊I 1、DC/DC模塊
II2都採用有源鉗位正激變換器的結構。有源箝位正激變換器是在傳統的正激式變換器的基礎上，增加了由箝位電容和箝位開關管串聯構成的有源箝位支路，雖然與傳統的磁復位技術相比，有源箝位磁復位技術增加了一個箝位開關管，提高了變換器的成本，但是有源箝位磁復位技術有以下幾個優點:有源箝位正激變換器的佔空比可以大於0.5，使得變壓器的原副邊匝比變大，從而可以有效地減少原邊的導通損耗；在變壓器磁復位過程中，寄生元件中存儲的能量可以回饋到電網，有利於變換器效率的提高；變壓器磁芯雙向對稱磁化，工作在B-H回線的第一、三象限，因而有利於提高磁芯的利用率。本設計採用低邊箝位電路，主要因為它的箝位開關管的驅動電路相對簡單，不需要外加驅動變壓器。本設計變壓器副邊採用二極體整流的方法，可以減少電路的複雜程度，提高電路的可靠性。圖3是DC/DC模塊與均流模塊5連接圖。DC/DC模塊的輸出端為均流晶片UC1902提高工作電壓，不用單獨設計電路提供此電壓，這樣可以使航空電源的結構更合理實用。通過模塊輸出端電阻Rl，均流晶片UC1902可以檢測到對應DC/DC模塊的輸出電流數值，然後轉化為均流母線正端的電壓，然後去和其他UC1902晶片的均流母線正端電壓比較，均流母線正電壓大的UC1902晶片對應的DC/DC模塊作為主模塊，其他DC/DC模塊作為從模塊。此時從模塊的電壓調整端流向對應UC1902的3腳電流增加，這樣電阻R4上的壓降增加，R5、R6上的壓降因為電壓反饋環的作用而保持不變，從而使得從模塊的輸出電壓Vout+增加，從模塊的輸出電流也增加。通過這樣的過程，實現了並聯的DC/DC模塊的均流控制。均流模塊5用來平衡DC/DC模塊I 3，DC/DC模塊II 4承受的電流。目前，開關電源並聯繫統常用的均流方法有:輸出阻抗法、主從設置法、平均電流自動均流法、最大電流自動均流法、熱應力自動均流法和外加均流控制器均流法。其中，最大電流自動均流法以其均流精度高，負載6調整率高，動態響應好，可實現冗餘等技術特點，在開關電源中得到廣泛的實際應用。本設計中均流模塊5通過使用專用均流控制晶片UC1902，採用最大電流自主均流的方法實現均流。其是一種自動設定主模塊和從模塊的方法，即在並聯的模塊中，輸出電流最大的模塊，將自動成為主模塊，而其餘的模塊則為從模塊，它們的電壓誤差依次被整定，以校正負載6電流分配的不平衡，來實現模塊之間的均流。由於每個模塊電源的溫漂不同，負載6調整及電壓調整的瞬態響應也不完全相同，系統的主模塊和從模塊的位置會不斷改變，因此該過程為動態過程。圖4是雙餘度DC/DC模塊並聯均流的示意原理圖。是本設計的應用圖。通過兩個模塊主從的交替，實現並聯均流。在圖4中，每個DC/DC模塊的電流信號經過電流採樣電阻Rll或R21後經2腳輸入到UC1902裡，在經過內部放大器放大後由7腳輸出，跟另一個UC1902的7腳相連，均流母線正端上的電壓值由7腳電壓大的晶片決定，也就是輸出電流大的DC/DC模塊決定。這樣輸出電流大的DC/DC模塊成為主模塊，另一個DC/DC模塊成為從模塊，進行均流調整，維持模塊間輸出電流的動態平衡。
權利要求
1.一種具有均流功能的開關電源，其特徵是:包括電池I，電池II，二極體D1，二極體D2，DC/DC模塊I，DC/DC模塊II，均流模塊。其中，電池I的輸出端與二極體Dl的陽極相連，電池II的輸出端和二極體D2的陽極相連，二極體D1、二極體D2的陰極分別與DC/DC模塊1、DC/DC模塊II的輸入端相連，DC/DC模塊1、DC/DC模塊II的輸出端分別與均流模塊的晶片供電端相連，均流模塊的控制端分別與DC/DC模塊1、DC/DC模塊II的電壓調整端相連；經過均流模塊的均流作用，DC/DC模塊1、DC/DC模塊II的輸出端分別與負載相連。
2.根據權利要求1所述一種具有均流功能的開關電源，其特徵在於:所述的電池1、電池II都採用磷酸鐵鋰材料製作，額定電壓值為80V，容量為5000mAh。
3.根據權利要求1所述一種具有均流功能的開關電源，其特徵在於:所述的二極體D1、二極體Dl選用的型號是ON公司生產的MUR3020。
4.根據權利要求1所述一種具有均流功能的開關電源，其特徵在於:所述的DC/DC模塊1、DC/DC模塊II採用相同的有源正激拓撲結構。PWM控制晶片選用TI公司的峰值電流型PWM控制器UCC2897A。電池1、電池II接變壓器原邊同名輸入端，原邊輸出端接NMOS開關管Q2到原邊地，同時接鉗位電容C2的一端，鉗位電容C2的另一端接PMOS開關管Ql到原邊地，PWM控制晶片的驅動引腳接開關管Q1、開關管Q2的柵極端，變壓器的副邊同名端接整流二極體Dl陽極，整流二極體Dl的陰極接整流二極體D2的陰極和輸出濾波電感L的一端，輸出電感L的另一端為DC/DC模塊的輸出端同時接輸出濾波電容Cl的正極，變壓器副邊的另一端接整流二極體D2的陽極和輸出濾波電容Cl的負極。DC/DC模塊的輸出端串聯電阻R4、電阻R5、電阻R6到副邊地，電阻R5電阻R6的公共點與PWM控制晶片UCC2897A的控制端相連。
5.根據權利要求1所述一種具有均流功能的開關電源，其特徵在於:所述的均流模塊由兩片TI公司生產的專用均流晶片UC1902及其外圍電路構成。兩片UC1902分別為UC1902 1、UC1902 II。UC1902 I的I腳、6腳接副邊地，2腳接電阻Rll到副邊地，3腳接DC/DC模塊I的電壓調整端，4腳接電阻R13到副邊地，5腳接電阻R12 —端，電阻R12另一端接電容Cll到副邊地，7腳接均流母線正端，8腳接DC/DC模塊I的輸出端，同時8腳接濾波電容C12到副邊地。UC1902 II的I腳、6腳接副邊地，2腳接電阻R21到副邊地，3腳接DC/DC模塊II的電壓調整端，4腳接電阻R23到副邊地，5腳接電阻R22 —端，電阻R22另一端接電容C21到副邊地，7腳接均流母線正端，8腳接DC/DC模塊I的輸出端，同時8腳接濾波電容C22到副邊地。
6.根據權利要求1所述一種具有均流功能的開關電源，其特徵在於:電池I，電池II，DC/DC模塊I，DC/DC模塊II對負載有四種供電模式:電池1、電池II同時供電，DC/DC模塊.1、DC/DC模塊II同時工作；電池1、電池II同時供電，DC/DC模塊I或DC/DC模塊II工作；電池I或電池II供電，DC/DC模塊1、DC/DC模塊II同時工作；電池I或電池II其中一個供電，DC/DC模塊I或DC/DC模塊II其中一個工作。
全文摘要
一種具有自動均流功能的開關電源，屬於航空航天電源領域。所述的開關電源應用於航空航天電源領域，包括電池Ⅰ、電池Ⅱ、二極體D1、二極體D2、DC/DC模塊Ⅰ、DC/DC模塊Ⅱ、均流模塊。電池Ⅰ，電池Ⅱ並聯對DC/DC模塊Ⅰ、DC/DC模塊Ⅱ供電，DC/DC模塊經過均流後並聯對負載供電，採用雙餘度結構，既滿足航天設備對空間重量的要求，也滿足航天設備對電源系統的安全性可靠性要求。均流模塊採用專用均流晶片UC1902對DC/DC模塊Ⅰ、DC/DC模塊Ⅱ進行均流平衡，使每個DC/DC模塊承受同等的電流負載，提高了航空電源的可靠性、安全性。
文檔編號H02J9/00GK103199694SQ201310101319
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月27日 優先權日2013年3月27日
發明者張一鳴, 張旭, 王亮, 王海娟, 高俊俠 申請人:北京工業大學