組合式直流變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種組合式直流變換器，由啟動模塊、重構模塊、N個容錯模塊、N個輸出并聯(lián)的直流變換模塊依次連接而成。啟動模塊由電壓傳感器、輔助電源、微控制器和第一繼電器組成，輔助電源用于給電壓傳感器和微控制器供電。微控制器通過電壓傳感器檢測輸入電壓來判斷是否存在過壓或欠壓，通過控制第一繼電器來閉合或斷開重構模塊的供電，通過閉合或斷開重構模塊的若干個第二繼電器來改變N個直流變換模塊的輸入串并聯(lián)連接方式，通過控制容錯模塊的串聯(lián)繼電器和并聯(lián)繼電器來隔離發(fā)生故障的直流變換模塊，本發(fā)明能夠根據輸入電壓等級自動重構各個直流變換模塊的輸入組合結構，并能在運行過程中自動監(jiān)測和隔離故障的直流變換模塊，輸入電壓范圍大、使用靈活且容錯能力強、可靠性高。
【專利說明】
組合式直流變換器
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于電力電子技術領域，涉及一種組合式直流變換器，尤其是涉及一種具有重構和容錯功能的多模塊組合式直流變換器。
【背景技術】
[0002]新型的直流分布式電力系統(tǒng)(DirectCurrent Distributed Power System,DCDPS)與傳統(tǒng)的集中式電力系統(tǒng)相比，具有能量利用效率高、系統(tǒng)結構靈活可靠、新能源并網較為容易等優(yōu)點，已越來越廣泛地應用于空間站、多電飛機、航母艦船、水下運載器、電力機車、電動汽車和海底觀測網等領域。DC DPS的主要特點之一是在負載側大量采用高頻開關直流變換器實現(xiàn)電壓轉換，這些直流變換器負責將母線上的輸電電壓高效地轉換為負載所需的電壓，而該輸電電壓則根據負荷大小、傳輸距離和電網結構等而定。由于現(xiàn)有成熟開關器件的性能限制，傳統(tǒng)的單模塊直流變換器耐壓較低、功率較小。隨著輸電電壓和負載功率的不斷提高，DC DPS越來越難以通過傳統(tǒng)的單模塊直流變換器實現(xiàn)電壓轉換。
[0003]組合式直流變換器指選擇合適的單模塊直流變換器作為電力電子基本模塊(Power Electronics Building Block，PEBB)，通過多個PEBB輸入、輸出的串聯(lián)、并聯(lián)組合，實現(xiàn)所需要的輸入、輸出的電壓、功率規(guī)格，具有標準化、通用性和可擴充性的特點，可顯著降低研發(fā)成本和研發(fā)周期。現(xiàn)有組合式直流變換器的缺點是:各個PEBB的輸入、輸出之間為硬連接，即一旦確定這些PEBB的組合方式后，使用過程中無法根據實際應用需求來自動重構，因此對輸入電壓等級的適應能力較低，而采用人工現(xiàn)場修改組合方式不但時間長、可靠性低，而且在海底、空中或地下等難以到達或惡劣的環(huán)境下難度極大；單個PEBB發(fā)生故障后，運行過程中無法自動隔離，易導致整機失效，因此可靠性大大降低。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提出一種可靠性高、對輸入電壓的適應能力強的多模塊組合式直流變換器，所述變換器能夠針對輸入電壓等級自動重構模塊之間的組合結構，并能在運行過程中自動監(jiān)測和隔離故障模塊。
[0005]本發(fā)明的技術方案是:
組合式直流變換器，由啟動模塊、重構模塊、N個容錯模塊(N2 2)和N個直流變換模塊(N 2 2)依次連接而成，所述容錯模塊和直流變換模塊個數相同，且一一對應，其中:
所述啟動模塊由電壓傳感器、輔助電源、微控制器和第一繼電器S1組成，輔助電源的輸入電壓端口 a和b連接至供電電源，輔助電源的輸出電壓端口 c連接至電壓傳感器的供電輸入端口 a，輔助電源的輸出電壓端口 d連接至微控制器的供電輸入端口 b;所述電壓傳感器的被測電壓端口e和d連接至供電電源，用于檢測供電電源的輸入電壓，電壓傳感器的信號輸出端口 c連接至微控制器的模擬量輸入端口 c，所述第一繼電器3:連接重構模塊，用于閉合或斷開重構模塊;供電電源的輸入電壓和輸出電壓分別為Uin和Uciut，所述輔助電源用于將輸入電壓Uin變換為輸出電壓U.，所述電壓傳感器用于檢測輸入電壓Uin; 所述重構模塊由若干個第二繼電器組成，所述第二繼電器的觸點b和C分別連接至某兩個容錯模塊的輸入正端或輸入負端，其通過閉合或斷開改變N個直流變換模塊的輸入串并聯(lián)連接方式；
所述每個容錯模塊由一個串聯(lián)繼電器Ss和一個并聯(lián)繼電器Sp組成，所述并聯(lián)繼電器Sp的觸點b連接至對應的直流變換模塊的輸入端口 b，所述并聯(lián)繼電器的觸點a連接至所述串聯(lián)繼電器Ss的觸點b，所述串聯(lián)繼電器Ss的觸點c連接至所述直流變換模塊的輸入端口 a;
所述直流變換模塊的輸出接口并聯(lián)后再連接至用電負荷。
[0006]本發(fā)明中，所述輔助電源為變壓器隔離的小功率雙管反激開關直流變換器，所述微控制器為低功耗型微控制器，所述電壓傳感器為霍爾型電壓傳感器，所述微控制器和電壓傳感器均為市售產品。
[0007]本發(fā)明中，所述第一繼電器、第二繼電器和并聯(lián)繼電器均為常開型的固態(tài)繼電器，其在所述組合式直流變換器啟動前均處于斷開狀態(tài)，所述串聯(lián)繼電器為常閉型的固態(tài)繼電器，其在所述組合式直流變換器啟動前均處于閉合狀態(tài)，所述微控制器上每一個數字端口信號分別連接相應的第一繼電器、第二繼電器、并聯(lián)繼電器和串聯(lián)繼電器，以控制第一繼電器、第二繼電器、并聯(lián)繼電器和串聯(lián)繼電器的閉合和斷開。
[0008]本發(fā)明中，所述N個直流變換模塊均為變壓器隔離的全橋拓撲、半橋拓撲或雙管正激拓撲的高頻開關直流變換器，且采用同樣的電路和具有相同的參數，其輸入電壓范圍均為[Uin—PFBB—min，Uin—PFBB—max]和輸出電壓均為恒定Umjt—PFBB，所述N個直流變換模塊的輸出并聯(lián)，因此所述組合式直流變換器的輸出電壓Uciut = Uout_PEBB。
[0009]本發(fā)明中，所述N個直流變換模塊的組合方式為N=ai Xbi = a2 X b2=......=aMXbM
(ai<a2<......<aM，bi<b2<......<bM)，即所述N個直流變換器中每a1、a2、......或aM個模塊輸入串聯(lián)形成中間模塊，且分別將b1、b2、……或bM個中間模塊的輸入并聯(lián)，因此所述N個直流變換器共有M種組合方式，所述組合式直流變換器的輸入電壓范圍在上述M種組合方式下
力 U [ ￡11 X UinPFBBmin，￡11 X U in—PFBB—max ] n [ ?2 X U in—PFBB—min，￡12 X U in—PFBB—max ]、......、[ SM X
Uin—PFBB—min，aM X Uin—PFBB—max]，其中ai = 1、bl = = N、bM= I分別表不N個直流變換模塊輸入并聯(lián)和N個直流變換模塊輸入串聯(lián)兩種極端情況。
[0010]本發(fā)明中，所述微控制器通電運行后檢測端口 c上的電壓仏，從而得到輸入電壓Uin
—Um X K: ^ii Uinj^ ~f [ <3-1 X Uin—PFBB—min，<3-1 X Uin—PFBB—max ]、[ ?2 X Uin—PFBB—min，?2 X Uin—PFBB—max ]、......、
[aM X Uin—PFBB—min，aM X Uin—PFBB—max]中某一個區(qū)間，則由所述微控制器控制第二繼電器按相應的區(qū)間重構N個直流變換模塊的輸入組合方式，若輸入電壓Uin落入[ai X Uin—PFBB—min，ai X
Uin—PFBB—max]、[?2 X Uin—PFBB—min，?2 X Uin—PFBB—max]、......、[SM X Uin—PFBB—min，SM X Uin—PFBB—max]中 /L
個區(qū)間，則由所述微控制器控制第二繼電器按最低電壓的區(qū)間(即最靠前的區(qū)間)重構N個直流變換模塊的輸入組合方式，同時由所述微控制器控制N個容錯模塊中所有串聯(lián)繼電器維持閉合狀態(tài)和所有并聯(lián)繼電器維持斷開狀態(tài)，最后再由所述微控制器控制第一繼電器S1從斷開狀態(tài)轉為閉合狀態(tài)，從而供電給所述N個直流變換模塊;若Uin不屬于[ai X Uin—PFBB—min，
<3-1 X Uin—PFBB—max]、[?2 X Uin—PFBB—min，?2 X Uin—PFBB—max]、......、[SM X Uin—PFBB—min，SM X Uin—PFBB—max]中任何一個區(qū)間，說明存在輸入過壓或輸入欠壓，則由所述微控制器控制第一繼電器3:維持斷開狀態(tài)，實現(xiàn)輸入過壓保護或輸入欠壓保護。
[0011]本發(fā)明中，所述微控制器還在組合式直流變換器運行過程中實時監(jiān)測N個直流變換模塊的輸入電壓Uinl、Uin2、......、UinN和輸入電流I in1、I in2、......、IinN，若監(jiān)測到第M( I < M <
N)個直流變換模塊輸入電流接近O，則說明第M個直流變換模塊發(fā)生開路故障，若監(jiān)測到第M(1<M< N)個直流變換模塊輸入電壓接近O，則說明第M個直流變換模塊發(fā)生短路故障，所述微控制器監(jiān)測到第M個直流變換模塊發(fā)生開路故障或短路故障時:若第M個直流變換模塊有與其直接并聯(lián)的其他直流變換模塊，則由所述微控制器控制第M個容錯模塊的并聯(lián)繼電器維持斷開狀態(tài)，并控制第M個容錯模塊的串聯(lián)繼電器由閉合狀態(tài)轉為斷開狀態(tài);若第M個直流變換模塊有與其直接串聯(lián)的其他直流變換模塊，則由所述微控制器控制第M個容錯模塊的并聯(lián)繼電器從斷開狀態(tài)轉為閉合狀態(tài)，并控制第M個容錯模塊的串聯(lián)繼電器由閉合狀態(tài)轉為斷開狀態(tài)。
[0012]本發(fā)明中，所述組合式直流變換器的最低輸入電壓Uin—min為所述單個直流變換模塊能夠運行的最低電壓Uin—PFBB—min，所述組合式直流變換器的最高輸入電壓Uin—max為所述單個直流變換模塊能夠運行的最尚電壓Uin—PFBB—max的N倍,即Uin—max = NX Uin—PFBB—max。
[0013]本發(fā)明的基本原理是:
本發(fā)明所述組合式直流變換器，在啟動時先由微控制器檢測輸入電壓值。若輸入電壓值超過組合式直流變換器允許的輸入電壓范圍，則說明存在輸入過壓或輸入欠壓，微控制器維持第一繼電器處于斷開狀態(tài);若輸入電壓值在組合式直流變換器允許的輸入電壓范圍內，則由微控制器根據所得到的輸入電壓大小，控制第二繼電器實現(xiàn)所需的N個直流變換模塊的輸入組合方式，使得組合式直流變換器能夠適應比單個直流變換模塊更大的輸入電壓范圍。在直流變換模塊有冗余的情況下，在組合式直流變換器運行過程中，微控制器通過檢測N個直流變換模塊的輸入電壓和輸入電流，判斷N個直流變換模塊是否發(fā)生短路或斷路故障。一旦微控制器監(jiān)測到某個直流變換模塊發(fā)生故障，則由微控制器控制相應的串聯(lián)繼電器和并聯(lián)繼電器，將故障模塊及時切除，保證組合式直流變換器其余部分仍能正常運行。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明所述組合式直流變換器能夠在啟動時判斷供電電源是否存在過壓或欠壓，若輸入電壓等級在組合式直流變換器允許的輸入電壓范圍內，所述組合式直流變換器能自動重構各個直流變換模塊的輸入組合結構來更好地適應輸入電壓等級，因此所述組合式直流變換器的輸入電壓范圍大、使用靈活性強。當所述組合式直流變換器具有一定的冗余直流變換模塊時，所述微控制器能在運行過程中自動監(jiān)測和隔離故障的直流變換模塊，保證所述組合式直流變換器其余部分仍能正常運行，因此所述組合式直流變換器的容錯能力強、可靠性高。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明組合式直流變換器的總體框圖。
[0016]圖2為直流變換模塊的一種全橋拓撲結構。
[0017]圖3為直流變換模塊的一種雙管正激拓撲結構圖4為直流變換模塊的一種半橋拓撲結構。
[0018]圖5為輔助電源的一種雙管反激拓撲結構。
[0019]圖6為固態(tài)繼電器(包括第一繼電器、第二繼電器、串聯(lián)繼電器和并聯(lián)繼電器)的原理圖。
[0020]圖7為實施例1:由兩個直流變換模塊組成的組合式直流變換器原理圖(N=2)。
[0021]圖8為實施例1的第一種組合方式:輸入并聯(lián)方式的等效電路(N=IX2)。
[0022]圖9為實施例1的第二種組合方式:輸入串聯(lián)方式的等效電路(N=2X I)。
[0023]圖10為實施例1的第一種組合方式中模塊2發(fā)生故障被隔離后的等效電路。
[0024]圖11為實施例1的第二種組合方式中模塊2發(fā)生故障被隔離后的等效電路。
[0025]圖12為實施例2:由四個直流變換模塊組成的組合式直流變換器原理圖(N=4)。
[0026]圖13為實施例2的第一種組合方式:輸入并聯(lián)方式的等效電路(N=I X 4)。
[0027 ]圖14為實施例2的第二種組合方式:輸入并聯(lián)方式的等效電路(N=2 X 2 )。
[0028]圖15為實施例2的第三種組合方式:輸入并聯(lián)方式的等效電路(N=4X I)。
[0029]圖16為實施例2的第一種組合方式中模塊3發(fā)生故障被隔離后的等效電路。
[0030]圖17為實施例2的第二種組合方式中模塊3發(fā)生故障被隔離后的等效電路。
[0031]圖18為實施例2的第三種組合方式中模塊3發(fā)生故障被隔離后的等效電路。
[0032]圖中標號:I為啟動模塊、2為重構模塊、3為第一容錯模塊、4為第一直流變換模塊、5為第二容錯模塊、6為第二直流變換模塊、7為第三容錯模塊、8為第三直流變換模塊、9為第四容錯模塊、1為第四直流變換模塊、11為電壓傳感器、12為輔助電源、13為微控制器。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0034]如圖1至圖7所示，所述組合式直流變換器由啟動模塊、重構模塊、N個容錯模塊(N> 2)、N個直流變換模塊(N 2 2)依次連接而成，容錯模塊和直流變換模塊的個數相同，啟動模塊的輸入接口連接至供電電源，直流變換模塊的輸出接口并聯(lián)后再連接至用電負荷。組合式直流變換器的輸入電壓和輸出電壓分別為Uin和Uout。啟動模塊由電壓傳感器、輔助電源、微控制器和第一繼電器S1組成，輔助電源用于將輸入電壓Uin變換為輸出電壓Uaux，其輸入電壓端口 a和b連接至供電電源，其輸出電壓端口 c和d連接至電壓傳感器和微控制器的供電輸入端口 a和b ο電壓傳感器和微控制器的輸入電壓為Uaux，均由輔助電源供電。電壓傳感器用于檢測輸入電壓Uin，其被測電壓端口 c和d連接至供電電源，其信號輸出端口 e連接至微控制器的模擬量輸入端口 c，其信號輸出端口 e與端口 b之間的電壓差值為Um(Um=Uin/K，其中K為常數)。第一繼電器S1用于閉合或斷開重構模塊、容錯模塊、直流變換模塊和用電負荷的供電。重構模塊由若干第二繼電器組成，第二繼電器的觸點b和c分別連接至某兩個容錯模塊的輸入正端或輸入負端，其通過閉合或斷開改變N個直流變換模塊的輸入串并聯(lián)連接方式。容錯模塊由一個串聯(lián)繼電器Ss和一個并聯(lián)繼電器Sp組成，并聯(lián)繼電器的觸點b連接至對應的直流變換模塊的輸入端口 b，并聯(lián)繼電器的觸點a連接至所述串聯(lián)繼電器的觸點b，串聯(lián)繼電器的觸點c連接至所述直流變換模塊的輸入端口 a。
[0035]所述第一繼電器、第二繼電器和并聯(lián)繼電器均為常開型的固態(tài)繼電器，其在組合式直流變換器啟動前均處于斷開狀態(tài)。串聯(lián)繼電器為常閉型的固態(tài)繼電器，其在所述組合式直流變換器啟動前均處于閉合狀態(tài)。微控制器上不同的數字端口信號控制第一繼電器、第二繼電器、并聯(lián)繼電器和串聯(lián)繼電器的閉合和斷開。
[0036]圖2-圖4分別為直流變換模塊的三種高頻開關直流變換拓撲結構。其中，圖2為全橋拓撲結構，圖3為雙管正激拓撲結構，圖4為對稱半橋拓撲結構。這三種拓撲結構均采用變壓器隔離。N個直流變換模塊具有相同的電路、結構、控制方式、輸入電壓和輸出電壓，均為變壓器隔離的大功率全橋、雙管正激或半橋拓撲的高頻開關直流變換器。N個直流變換模塊的輸入電壓范圍均為[Uin—PFBB—min，Uin—PFBB—max]和輸出電壓均為丨旦定Uout—PFBB，所述N個直流變換模塊的輸出并聯(lián)，因此所述組合式直流變換器的輸出電壓Uciut = Uciut-PEBB。
[0037]如圖5所示，輔助電源為變壓器隔離的小功率雙管反激開關直流變換器，微控制器為低功耗型微控制器，電壓傳感器為霍爾型電壓傳感器，微控制器和電壓傳感器均為市售
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[0038]圖6為固態(tài)繼電器(包括第一繼電器、第二繼電器、串聯(lián)繼電器和并聯(lián)繼電器)的原理圖，其采用絕緣柵雙極型晶體管Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT作為半導體開關器件，通過IGBT專用驅動電路驅動。當微控制器通過數字端口發(fā)送高電平給固態(tài)繼電器的端口 a時，固態(tài)繼電器的驅動電路使得IG B T導通，從而閉合固態(tài)繼電器的端口 b和c;當微控制器通過數字端口發(fā)送低電平給固態(tài)繼電器的端口a時，固態(tài)繼電器的驅動電路使得IGBT截止，從而斷開固態(tài)繼電器的端口 b和C。
[0039 ] 在本發(fā)明中，所述N個直流變換模塊的組合方式為N=ai X bi = a2 X b2 =......= aM X
bM(ai<a2<......<aM，bi<b2<......<bM)，即N個直流變換器中每a1、a2、......或aM個模塊輸入串聯(lián)形成大模塊，且分別將b1、b2、……或bM個大模塊的輸入并聯(lián)，因此N個直流變換器共有M種組合方式。組合式直流變換器的輸入電壓范圍在上述M種組合方式下分別為[ai X
Uin—PFBB—min j <3.1 X Uin—PFBB—max ] n [ ?2 X Uin—PFBB—min j ?2 X Uin—PFBB—max ]、......、[ SM X Uin—PFBB—min，SM X
Uin_PFBB_max]，其中B1=Ub1 = = N、= I分別表示N個直流變換模塊輸入并聯(lián)和N個直流變換模塊輸入串聯(lián)兩種極端情況。
[0040] 本發(fā)明中，所述微控制器通電運行后檢測端口 c上的電壓仏，從而得到輸入電壓Uin
—Um X K: ^ii Uinj^ ~f [ <3-1 X Uin—PFBB—min，<3-1 X Uin—PFBB—max ]、[ ?2 X Uin—PFBB—min，?2 X Uin—PFBB—max ]、......、
[aM X Uin—PFBB—min，aM X Uin—PFBB—max ]中某一個區(qū)間，則由微控制器控制第二繼電器按相應的區(qū)間重構N個直流變換模塊的輸入組合方式，若輸入電壓Uin落入[ai X Uin—PFBB—min，?1 X
Uin—PFBB—max]、[?2 X Uin—PFBB—min，?2 X Uin—PFBB—max]、......、[SM X Uin—PFBB—min，SM X Uin—PFBB—max]中 /L
個區(qū)間，則由微控制器控制第二繼電器按最低電壓的區(qū)間(即最靠前的區(qū)間)重構N個直流變換模塊的輸入組合方式，同時由微控制器控制N個容錯模塊中所有串聯(lián)繼電器維持閉合狀態(tài)和所有并聯(lián)繼電器維持斷開狀態(tài)，最后再由微控制器控制第一繼電器3:從斷開狀態(tài)轉為閉合狀態(tài)，從而供電給所述N個直流變換模塊；SUin不屬于[aiX Uin—PFBB—min，ai X
Uin—PFBB—max]、[?2 X Uin—PFBB—min，?2 X Uin—PFBB—max]、......、[SM X Uin—PFBB—min，SM X Uin—PFBB—max]中 *{午{可一個區(qū)間，說明存在輸入過壓或輸入欠壓，則由微控制器控制第一繼電器31維持斷開狀態(tài)，從而保護所述組合式變換器。
[0041 ]本發(fā)明中，所述組合式直流變換器的最低輸入電壓Uin—min為單個直流變換模塊能夠運行的最低電壓Uin—PFBB—min，所述組合式直流變換器的最高輸入電壓Uin—max為單個直流變換模塊能夠運彳丁的最尚電壓Uin—PFBB—max的N倍,即Uin—max = NX Uin—PFBB—max。
[0042]本發(fā)明中，所述微控制器還在組合式直流變換器運行過程中實時監(jiān)測N個直流變換模塊的輸入電壓Uinl、Uin2、......、UinN和輸入電流I in1、I in2、......、IinN，若監(jiān)測到第M( I < M <
N)個直流變換模塊輸入電流為O，則說明第M個直流變換模塊發(fā)生開路故障，若監(jiān)測到第M( I<M< N)個直流變換模塊輸入電壓為O，則說明第M個直流變換模塊發(fā)生短路故障，所述微控制器監(jiān)測到第M個直流變換模塊發(fā)生開路故障或短路故障時:若第M個直流變換模塊有與其直接并聯(lián)的其他直流變換模塊，則由所述微控制器控制第M個容錯模塊的并聯(lián)繼電器維持斷開狀態(tài)，并控制第M個容錯模塊的串聯(lián)繼電器由閉合狀態(tài)轉為斷開狀態(tài);若第M個直流變換模塊有與其直接串聯(lián)的其他直流變換模塊，則由所述微控制器控制第M個容錯模塊的并聯(lián)繼電器從斷開狀態(tài)轉為閉合狀態(tài)，并控制第M個容錯模塊的串聯(lián)繼電器由閉合狀態(tài)轉為斷開狀態(tài)。
[0043]圖7-圖11為實施例1，該實施例中的組合式直流變換器包含兩個直流變換模塊，即直流變換模塊個數N = 2。由于N=1X2 = 2X1，因此組合方式有M = 2種。圖8為N= 2 X I (即&1= l、b1 = 2)時的組合結構，表示2個直流變換模塊直接輸入并聯(lián)的情況，這種情況下組合式直流變換器的輸入電壓范圍為[Uin_PFBB_min，Uin_PFBB_max ]。圖9為N=1X2(即a2 = 2、b2=l)時的組合結構，表示2個直流變換模塊直接輸入串聯(lián)的情況，這種情況下組合式直流變換器的輸入電壓范圍為[2Uin—PFBB—min，2Uin—PFBB—max]。初始情況下，即組合式直流變換器啟動前，微控制器的數字端口 d至j、z均處于高阻狀態(tài)，因此常開型的第一繼電器S1、第二繼電器S2至S4和并聯(lián)繼電器均處于斷開狀態(tài)，常閉型的串聯(lián)繼電器551至552均處于閉合狀態(tài)。
[0044]供電電源上電后，輔助電源運行，給微控制器和電壓傳感器供電，微控制器和電壓傳感器啟動。微控制器啟動后，首先檢測端口 c上的電壓Um，得到輸入電壓Uin = UmXK0若Uin
不屬于[Uin—PFBB—min，Uin—PFBB—max]和[2Uin—PFBB—min，2Uin—PFBB—max]中任何一個區(qū)間，即Uin <Uin—PFBB—min或Uin > 2Uin—PFBB—max，說明存在輸入電壓存在過壓或欠壓，則微控制器的數字端口 Z維持高阻狀態(tài)，使得常開型的第一繼電器S1維持斷開狀態(tài)，實現(xiàn)過壓保護和欠壓保護。若Uin
屬于區(qū)間[Uin—PFBB—min，Uin—PFBB—max]，即Uin—PFBB—min < Uin < Uin—PFBB—max，則由微控制器通過端口 控制第二繼電器按圖8這種組合方式重構2個直流變換模塊的輸入組合方式，即微控制器的數字端口 e和f輸出高電平、數字端口 d輸出低電平，實現(xiàn)2個直流變換模塊的輸入并聯(lián)。若輸入電壓Uin屬于區(qū)間[2Uin—PFBB—min，2Uin—PFBB—max ]且不屬于區(qū)間[Uin—PFBB—min，Uin—PFBB—max ]，即2Uin—PFBB—min < Uin < 2Uin—PFBB—max，則由微控制器通過端口控制第二繼電器按圖9這種組合方式重構2個直流變換模塊的輸入組合方式，即微控制器的數字端口 e和f輸出低電平、數字端口d輸出高電平，實現(xiàn)2個直流變換模塊的輸入串聯(lián)。若Uin同時屬于區(qū)間[Uin—PFBB—min，
Uin—PFBB—max]矛口區(qū)間[2Uin—PFESB—min，2Uin—PFBB—max]，即 2Uin—PFBB—min ^ Uin ^ Uin—PFESB—max，JULUin—PFESB—max ^
2Uin—PFBB—min，則由微控制器控制第二繼電器按最低電壓的區(qū)間(即區(qū)間[Uin—PFBB—min，Uln—PFBB—max])重構2個直流變換模塊的輸入組合方式，即由微控制器通過端口控制第二繼電器按圖8這種組合方式重構2個直流變換模塊的輸入組合方式。同時，由微控制器控制2個容錯模塊中所有串聯(lián)繼電器維持閉合狀態(tài)和所有并聯(lián)繼電器維持斷開狀態(tài)，即通過數字接口g和i輸出低電平、通過數字接口 h和j輸出高電平。最后，再由微控制器控制第一繼電器S1W斷開狀態(tài)轉為閉合狀態(tài)，即通過數字接口 Z輸出高電平，從而供電給2個直流變換模塊。可見，上述組合式直流變換器的最低輸入電壓Uin—min為單個直流變換模塊能夠運行的最低電壓Uin—PFBB—min，所述組合式直流變換器的最高輸入電壓Uin—max為單個直流變換模塊能夠運行的最尚電壓Uin—PFBB—max 的 2倍，即 Uin—max = 2Uin—PFBB—max o
[0045]本實施例中，所述微控制器還在組合式直流變換器運行過程中實時監(jiān)測2個直流變換模塊的輸入電壓Uinl、Uin2和輸入電流Iinl、Iin2，若監(jiān)測到第I個或第2個直流變換模塊輸入電流為O，則說明第I個或第2個直流變換模塊發(fā)生開路故障，若監(jiān)測到第I個或第2個直流變換模塊輸入電壓為O，則說明第I個或第2個直流變換模塊發(fā)生短路故障。微控制器監(jiān)測到第I個或第2個直流變換模塊發(fā)生開路故障或短路故障時:若該直流變換模塊有與其直接并聯(lián)的其他直流變換模塊，則由微控制器控制與該直流變換模塊直接相連的容錯模塊的并聯(lián)繼電器維持斷開狀態(tài)，并控制該容錯模塊的串聯(lián)繼電器由閉合狀態(tài)轉為斷開狀態(tài);若該直流變換模塊有與其直接串聯(lián)的其他直流變換模塊，則由所述微控制器控制與該直流變換模塊直接相連的容錯模塊的并聯(lián)繼電器從斷開狀態(tài)轉為閉合狀態(tài)，并控制該容錯模塊的串聯(lián)繼電器由閉合狀態(tài)轉為斷開狀態(tài)。以第2個直流變換模塊發(fā)生開路故障或短路故障為例:若發(fā)生故障時組合式直流變換器為圖8中的組合結構，即兩個直流變換模塊輸入并聯(lián)，則微控制器通過數字端口 i和j輸出低電平，斷開并聯(lián)繼電器Sp2和串聯(lián)繼電器SS2，隔離發(fā)生故障的第2個直流變換器，故障隔離后的等效電路見圖10;若發(fā)生故障時組合式直流變換器為圖9中的組合結構，即兩個直流變換模塊輸入串聯(lián)，則微控制器通過數字端口 i輸出高電平和通過數字端口 j輸出低電平，閉合并聯(lián)繼電器Sp2且斷開串聯(lián)繼電器SS2，隔離發(fā)生故障的第2個直流變換器，故障隔離后的等效電路見圖11。當2個直流變換模塊為“1+1”冗余時，微控制器能在運行過程中自動監(jiān)測和隔離故障的直流變換模塊，保證所述其余部分仍能正常運行，實現(xiàn)谷錯功能。
[0046]圖12-圖18為實施例2，該實施例中的組合式直流變換器包含四個直流變換模塊，即直流變換模塊個數N=4。由于N=1X4 = 2X2 = 4X1，因此組合方式有M= 3種。圖13為N =I X 4(即&1 = 1、bi = 4)時的組合結構，表示4個直流變換模塊直接輸入并聯(lián)的情況，這種情況下組合式直流變換器的輸入電壓范圍為[Uin_PFBB_min，Uin_PFBB_max ]。圖14為N=2X2(即a2 = 2、b2 = I)時的組合結構，表示每2個直流變換模塊輸入串聯(lián)，這樣4個直流變換模塊組合兩個大模塊，這兩個大模塊的輸入并聯(lián)，這種情況下組合式直流變換器的輸入電壓范圍為[2Uin—PFBB—min，2Uin—PFBB—max]。圖 15為N = 4 X I (即ai = 4、bl = I )時的組合結構，表示4個直流變換模塊直接輸入串聯(lián)的情況，這種情況下組合式直流變換器的輸入電壓范圍為[4Uin—PFBB—min，4Uin—PFBB—max]。初始情況下，即組合式直流變換器啟動前，微控制器的數字端口d至V以及Z均處于高阻狀態(tài)，因此常開型的第一繼電器S1、第二繼電器S2至S12和并聯(lián)繼電器Sp1至Sp4均處于斷開狀態(tài)，常閉型的串聯(lián)繼電器551至554均處于閉合狀態(tài)。
[0047]供電電源上電后，輔助電源運行，給微控制器和電壓傳感器供電，微控制器和電壓傳感器啟動。微控制器啟動后，首先檢測端口 c上的電壓Um，得到輸入電壓Uin = UmXK0若Uin
不屬于[Uin—PFBB—min，Uin—PFBB—max]、[ 2Uin—PFBB—min，2Uin—PFBB—max]和[4Uin—PFBB—min，4Uin—PFBB—max]中任何一個區(qū)間，即Uin < Uin—PFBB—min或Uin > 4Uin—PFBB—max，說明存在輸入電壓存在過壓或欠壓，則微控制器的數字端口 z維持高阻狀態(tài)，使得常開型的第一繼電器S1維持斷開狀態(tài)，實現(xiàn)過壓保護和欠壓保護。若 Uin 屬于區(qū)間[Uin—PFBB—min，Uin—PFBB—max]，即 Uin—PFBB—min < Uin < Uin—PFBB—max，則由微控制器通過數字端口控制第二繼電器按圖13這種組合方式重構4個直流變換模塊的輸入組合方式，即S7至Sl2六個繼電器均閉合，實現(xiàn)4個直流變換模塊的輸入并聯(lián)。若輸入電壓Uin
屬于區(qū)間[2Uin—PFBB—min，2Uin—PFBB—max]且不屬于區(qū)間[Uin—PFBB—min，Uin—PFBB—max]，則由微控制器通過端口控制第二繼電器按圖14這種組合方式重構4個直流變換模塊的輸入組合方式，S卩S2、S4、SdPS6四個繼電器均閉合，實現(xiàn):第I個和第2個直流變換模塊的輸入串聯(lián)形成大模塊I，第3個和第4個直流變換模塊的輸入串聯(lián)形成大模塊2，并將兩個大模塊的輸入并聯(lián)。若Uin僅屬于區(qū)間[4Uin—PFBB—min，4Uin—PFBB—max]，則由微控制器控制第二繼電器按區(qū)間[4Uin—PFBB—min，4Uln—PFBB—max])重構4個直流變換模塊的輸入組合方式，即由微控制器通過端口控制第二繼電器按圖15這種組合方式重構4個直流變換模塊的輸入組合方式，S卩52至54三個繼電器均閉合，實現(xiàn)4個直流變換模塊的輸入串聯(lián)。同時，由微控制器控制4個容錯模塊中所有串聯(lián)繼電器維持閉合狀態(tài)和所有并聯(lián)繼電器維持斷開狀態(tài)。最后，再由微控制器控制第一繼電器S1從斷開狀態(tài)轉為閉合狀態(tài)，即通過數字接口 z輸出高電平，從而供電給4個直流變換模塊。可見，上述組合式直流變換器的最低輸入電壓Uin—min為單個直流變換模塊能夠運行的最低電壓Uin—PFBB—min，所述組合式直流變換器的最高輸入電壓Uin—max為單個直流變換模塊能夠運行的取尚電壓Uin—PFBB—max 的 4^音，即 Uin—max = 4Uin—PFBB—max ο
[0048]本實施例中，所述微控制器還在組合式直流變換器運行過程中實時監(jiān)測2個直流變換模塊的輸入電壓Uinl、Uin2、Uin3、Uin4和輸入電流I in1、I in2、I in3、I in4，若監(jiān)測到某一個直流變換模塊輸入電流為O，則說明該直流變換模塊發(fā)生開路故障，若監(jiān)測到某一個直流變換模塊輸入電壓為O，則說明該直流變換模塊發(fā)生短路故障。微控制器監(jiān)測到某一個直流變換模塊發(fā)生開路故障或短路故障時:若該直流變換模塊有與其直接并聯(lián)的其他直流變換模塊，則由微控制器控制與該直流變換模塊直接相連的容錯模塊的并聯(lián)繼電器維持斷開狀態(tài)，并控制該容錯模塊的串聯(lián)繼電器由閉合狀態(tài)轉為斷開狀態(tài);若該直流變換模塊有與其直接串聯(lián)的其他直流變換模塊，則由所述微控制器控制與該直流變換模塊直接相連的容錯模塊的并聯(lián)繼電器從斷開狀態(tài)轉為閉合狀態(tài)，并控制該容錯模塊的串聯(lián)繼電器由閉合狀態(tài)轉為斷開狀態(tài)。以第3個直流變換模塊發(fā)生開路故障或短路故障為例:若發(fā)生故障時，組合式直流變換器為圖13中的組合結構，S卩4個直流變換模塊輸入并聯(lián)，則微控制器通過數字端口斷開并聯(lián)繼電器Sp3和串聯(lián)繼電器Ss3，隔離發(fā)生故障的第2個直流變換器，故障隔離后的等效電路見圖16;若發(fā)生故障時，組合式直流變換器為圖14或圖15中的組合結構，即第3個直流變換模塊有與其輸入串聯(lián)的其他直流變換模塊，則微控制器控制閉合并聯(lián)繼電器Sp3且斷開串聯(lián)繼電器SS3，隔離發(fā)生故障的第3個直流變換器，故障隔離后的等效電路分別見圖17和圖
18。當4個直流變換模塊為具有冗余備份時，微控制器能在運行過程中自動監(jiān)測和隔離故障的直流變換模塊，保證所述其余部分仍能正常運行，實現(xiàn)容錯功能。
[0049]上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發(fā)明。熟悉本領域技術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用到其他實施例中而不必經過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領域技術人員根據本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進和修改都應該在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1.組合式直流變換器，其特征在于由啟動模塊、重構模塊、N個容錯模塊(N2 2)和N個直流變換模塊(N 2 2)依次連接而成，所述容錯模塊和直流變換模塊個數相同，且一一對應，其中: 所述啟動模塊由電壓傳感器、輔助電源、微控制器和第一繼電器S1組成，輔助電源的輸入電壓端口 a和b連接至供電電源，輔助電源的輸出電壓端口 c連接至電壓傳感器的供電輸入端口 a，輔助電源的輸出電壓端口 d連接至微控制器的供電輸入端口 b;所述電壓傳感器的被測電壓端口e和d連接至供電電源，用于檢測供電電源的輸入電壓，電壓傳感器的信號輸出端口 c連接至微控制器的模擬量輸入端口 c，所述第一繼電器3:連接重構模塊，用于閉合或斷開重構模塊;供電電源的輸入電壓和輸出電壓分別為Uin和Uciut，所述輔助電源用于將輸入電壓Uin變換為輸出電壓U.，所述電壓傳感器用于檢測輸入電壓Uin; 所述重構模塊由若干個第二繼電器組成，所述第二繼電器的觸點b和c分別連接至某兩個容錯模塊的輸入正端或輸入負端，其通過閉合或斷開改變N個直流變換模塊的輸入串并聯(lián)連接方式； 所述每個容錯模塊由一個串聯(lián)繼電器Ss和一個并聯(lián)繼電器Sp組成，所述并聯(lián)繼電器Sp的觸點b連接至對應的直流變換模塊的輸入端口 b，所述并聯(lián)繼電器的觸點a連接至所述串聯(lián)繼電器Ss的觸點b，所述串聯(lián)繼電器Ss的觸點c連接至所述直流變換模塊的輸入端口 a; 所述直流變換模塊的輸出接口并聯(lián)后再連接至用電負荷。2.根據權利要求1所述組合式直流變換器，其特征在于所述第一繼電器、第二繼電器和并聯(lián)繼電器均為常開型的固態(tài)繼電器，其在所述組合式直流變換器啟動前均處于斷開狀態(tài)，所述串聯(lián)繼電器為常閉型的固態(tài)繼電器，其在所述組合式直流變換器啟動前均處于閉合狀態(tài)，所述微控制器上每一個數字端口信號分別連接相應的第一繼電器、第二繼電器、并聯(lián)繼電器和串聯(lián)繼電器，以控制第一繼電器、第二繼電器、并聯(lián)繼電器和串聯(lián)繼電器的閉合和斷開。3.根據權利要求1所述組合式直流變換器，其特征在于所述N個直流變換模塊均為變壓器隔離的全橋拓撲、半橋拓撲或雙管正激拓撲的高頻開關直流變換器，且采用同樣的電路和具有相同的參數，其輸入電壓范圍均為[Uin—PFBB—min，Uin—PFBB—max]和輸出電壓均為丨旦定Uout—PFBB，所述N個直流變換模塊的輸出并聯(lián)，所述組合式直流變換器的輸出電壓Uciut =UoutPEBB ο4.根據權利要求1所述組合式直流變換器，其特征在于所述輔助電源為變壓器隔離的小功率雙管反激開關直流變換器，所述微控制器為低功耗型微控制器，所述電壓傳感器為霍爾型電壓傳感器。5.根據權利要求1所述組合式直流變換器，其特征在于所述N個直流變換模塊的組合方式為N = ai Xbi = a2 Xb2 =......=aMXbM(ai<a2<......<aM，bi<b2<......<bM)，即所述N個直流變換器中每a1、a2、......或aM個模塊輸入串聯(lián)形成中間模塊，且分別將b1、b2、......SbMf中間模塊的輸入并聯(lián)，因此所述N個直流變換器共有M種組合方式，所述組合式直流變換器的輸入電壓范圍在上述M種組合方式下分別為[ai X UinPFBBmin，ai X UinPFBBmax ]、[a2 XUin—PFBB—min，a2 X Uin—PFBB—max]、......、[aM X Uin—PFBB—min，aM X Uin—PFBB—max]，其中 ai = 1、bl = N和aM =N、bM= I分別表示N個直流變換模塊輸入并聯(lián)和N個直流變換模塊輸入串聯(lián)兩種極端情況，所述微控制器通電運行后檢測端口 c上的電壓仏，從而得到輸入電壓Uin = UmXK:若Uin屬于[ell X Uin—PFBB—min j <3.1 X Uin—PFBB—max]、[?2 X Uin—PFBB—min，?2 X Uin—PFBB—max]、......、[3M X Uin—PFBB—min，SMXUln—PFBB—max]中某一個區(qū)間，則由所述微控制器控制第二繼電器按相應的區(qū)間重構N個直流變換模塊的輸入組合方式，若輸入電壓Uin落入[ai X Uin PFBB min，?1 X Uin PFBB max]、[a2 XUin—PFBB—min，a2 X Uin—PFBB—max]、......、[aM X Uin—PFBB—min，aM X Uin—PFBB—max]中某幾個區(qū)間，則由所述微控制器控制第二繼電器按最低電壓的區(qū)間(即最靠前的區(qū)間)重構N個直流變換模塊的輸入組合方式，同時由所述微控制器控制N個容錯模塊中所有串聯(lián)繼電器維持閉合狀態(tài)和所有并聯(lián)繼電器維持斷開狀態(tài)，最后再由所述微控制器控制第一繼電器S1從斷開狀態(tài)轉為閉合狀態(tài)，從而供電給所述N個直流變換模塊;若Uin不屬于[ai X Uin—PFBB—min，ai X Uin—PFBB—max]、[a2 X Uin—PFBB—min，a2 X Uin—PFBB—max]、......、[aM X Uin—PFBB—min，aM X Uin—PFBB—max]中任何一個區(qū)間，說明存在輸入過壓或輸入欠壓，則由所述微控制器控制第一繼電器3:維持斷開狀態(tài)，實現(xiàn)輸入過壓保護或輸入欠壓保護。6.根據權利要求1所述組合式直流變換器，其特征在于所述微控制器還在組合式直流變換器運行過程中實時監(jiān)測N個直流變換模塊的輸入電壓Uinl、Uin2、……、UinN和輸入電流I in1、I in2、……、I inN，若監(jiān)測到第M( I ^ M < N)個直流變換模塊輸入電流接近O，則說明第M個直流變換模塊發(fā)生開路故障，若監(jiān)測到第M( 1<M< N)個直流變換模塊輸入電壓接近O，則說明第M個直流變換模塊發(fā)生短路故障，所述微控制器監(jiān)測到第M個直流變換模塊發(fā)生開路故障或短路故障時:若第M個直流變換模塊有與其直接并聯(lián)的其他直流變換模塊，則由所述微控制器控制第M個容錯模塊的并聯(lián)繼電器維持斷開狀態(tài)，并控制第M個容錯模塊的串聯(lián)繼電器由閉合狀態(tài)轉為斷開狀態(tài);若第M個直流變換模塊有與其直接串聯(lián)的其他直流變換模塊，則由所述微控制器控制第M個容錯模塊的并聯(lián)繼電器從斷開狀態(tài)轉為閉合狀態(tài)，并控制第M個容錯模塊的串聯(lián)繼電器由閉合狀態(tài)轉為斷開狀態(tài)。
【文檔編號】H02M3/335GK105827117SQ201610267380
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】呂楓, 周懷陽
【申請人】同濟大學