用于配电自动化系统的模块化电源

摘要

本发明涉及用于配电自动化系统的电源模块并且更特定地涉及在远程输入输出装置中提供电源使得超过一个的电源模块可有效地连接在一起。并联连接在一起、具有公共或独立输入源的电源模块通过负载分摊控制而按比例地（均等地）分摊负载。并联模块化电源系统在输入、输出处耦合并且对于负载分摊控制在它们之间具有干扰/串扰，从而在整个操作范围上（特别地其中独立输入源在输入电压水平具有巨大差异）实现稳定性造成困难。本发明通过在电源模块内的次级侧中使用滤波放大器部件来降低电源模块中的噪声效应而提供电源模块的有效解耦和提高的稳定性。用于配电自动化系统的电源模块还提供用于指示并且传达来自连接在一起的电源模块中的每个的健康状态的部件。

权利要求

1.一种用于配电自动化系统的电源模块（100），其中所述配电自动化系统包括在输出处并联连接的一个以上的电源模块（100），所述电源模块（100）包括：用于将输入电力源（110）连接到所述电源模块并且用于将所述电源模块的输出连接到外部装置的部件；

调整部件（120），包括开关元件和电压误差放大器，用于调整输出DC电压（160）；

整流模块（140），其产生所述输出DC电压（160）；

变压器（130），其具有与所述调整部件（120）和所述输入电力源连接的初级侧和连接到所述整流模块（140）的次级侧；

电压反馈部件（150），用于在电压控制回路中向所述调整部件（120）提供电压反馈信号来调整所述输出DC电压（160）；

负载分摊控制模块（210），其负责负载分摊控制，其具有用于通过控制所述调整部件（120）来控制所述电源模块的负载分摊的负载分摊信号；并且其中所述电源模块（100）另外提供有滤波放大器（310），用于调节所述电压控制回路中的所述电压反馈信号，所述滤波放大器在所述变压器（130）的次级侧上连接以用于降低所述电源模块中的噪声效应，其中所述滤波放大器使由于开关引起的噪声衰减并且防止所述噪声去往所述电压误差放大器，并且放大由于50/60Hz行频和负载变化所引起的噪声；

其中通过来自所述电压误差放大器的所调节的电压误差信号来控制所述开关元件，并且其中所述电源模块通过控制所述调整部件（120）来主动使负载电流等于所述负载分摊信号所指示的值，并且其中影响负载分摊控制回路的变化仅以所述电压误差放大器提供的低增益来处理，并且其中所述滤波放大器（310）和所述电压误差放大器具有不同的频率响应而在宽输入电压范围上实现稳定性，并且不同的输入电力源用于具有相等负载分摊的并联连接的电源模块。

2.如权利要求1所述的电源模块，其中所述电压反馈部件（150）包括具有电阻元件的分压器。

3.如权利要求1所述的电源模块，其中所述滤波放大器（310）使所述电源模块中出现的高频噪声衰减。

4.如权利要求1所述的电源模块，其中所述电源模块进一步包括健康检查模块（440），用于基于所述输出DC电压（160）与从所述变压器（130）的次级处连接的等效整流模块（420）得到的信号的比较来推断所述电源模块的健康状态。

5.一种用于配电自动化系统的模块化电源系统（300），包括：多个电源模块（100），每个所述电源模块（100）是如权利要求1所述的电源模块；

公共输出电压总线（230），其连接来自所述多个电源模块（100）的相应的输出DC电压；

公共电流分摊总线（220），其连接来自所述多个电源模块（100）的相应的负载分摊控制模块（210）的负载分摊信号；并且其中所述多个电源模块（100）在输出处并联连接在一起。

6.如权利要求5所述的模块化电源系统，其中所述多个电源模块提供有用于所述电源模块中的每个电源模块的独立输入电力源。

7.如权利要求5所述的模块化电源系统，其中来自所述多个电源模块的至少两个电源模块提供有公共输入电力源。

8.如权利要求5所述的模块化电源系统，其中来自所述多个电源模块的至少一个电源模块提供有备用电池输入源。

9.如权利要求5所述的模块化电源系统，其中来自所述多个电源模块的至少两个电源模块使用它们相应的连接部件并联连接以将它们相应的输出DC电压（160）连接到所述公共输出电压总线（230）并且将它们相应的负载分摊控制模块（210）与所述公共电流分摊总线（220）连接而没有任何额外设置或没有使用额外装置或来自所述模块化电源系统的额外信号用于在并联连接的所述至少两个电源模块中的按比例负载分摊。

说明书

用于配电自动化系统的模块化电源

技术领域

[0001] 本发明涉及用于配电自动化系统的电源模块并且更特定地涉及在远程输入输出装置中提供电源使得超过一个的电源模块可有效地连接在一起。

背景技术

[0002] 若干配电自动化（DA）产品将需要输入/输出（IO）扩展、灵活的本地IO更换或补充来提供可扩缩性。在远程IO的情况下，意指使物理、数字/模拟I/O连接到其他DA产品的自包含的IO装置、远程IO装置需要能够向连接的DA产品供应需要的电力。需要的电力通过使用电源模块来供应。个体电源模块的额定功率通常受到可用高度、板空间的限制并且受到对体积热耗散限制的限制。例如，远程IO装置中的电源模块可具有作为示例供应最大7.5W的能力但需要可是具有供应15W的能力。在这样的情形下，两个电源模块可并联连接在一起。从而，为了供应更高的电力，可使用若干并联连接的电源。除更高的电流外，并联模块还可以提供冗余，这是用于在系统中实现可靠、不间断和延长的寿命预期的重要因素。

[0003] 独立的电源模块在采用并联配置连接时可导致这些独立电源模块中的每个分摊不相等的负载，包括由于操作点或输出V-I特性的差异而吸收电流而不是供应，即使在它们具有相似的种类时也如此。这可导致电和热应力的不均匀分布，并且因此导致过载的电源模块的寿命可能降低。为了避免负载电流的不平衡分摊的问题，一般包括用于根据并联连接的电源模块的个体能力而在它们之间按比例地分配负载电流的电路。该技术称为“负载分摊”。负载分摊典型地在其中超过一个的电力模块服务于单个负载的电源中发现或具有例如公共输出电压总线（其向多个负载供应电力）上的公共点。此外，公共输出电压总线需要采用独立电源模块能够指示它们相应的健康状态（尽管具有并联连接的多个独立电源模块也如此）这样的方式来提供。每个电源模块需要被解耦，以避免来自电源组合的电压输出在该组合中的每个电源模块的输出（包括出故障电源的输出）处可用的任何效应。

[0004] 电源使用高频开关作为用于将输入源高效转换成期望的DC电压水平的手段，这是常见的。电源可设计成在大范围的高频附近操作，这还可产生能够形成干扰的噪声。并联连接的电源模块中的噪声可由串扰/干扰（由于输入/输出处的耦合引起以及由于来自用于在并联连接的电源模块之间按比例分配负载电流的各种模块的负载分摊控制回路的交互引起）产生。来自模块的噪声的这样跨整个系统的传播可在电源模块中的任一个中导致稳定性问题，从而最终危及整个系统的稳定性。控制噪声并且提高稳定性的任务在对于转换器电源没有公共输入电压源和/或需要有支持宽输入电压范围的电源模块时特别是个挑战。

[0005] 噪声和稳定性可通过有效解耦借助降低系统中的噪声和串扰以用于可靠操作来改进。此外，对于系统中的可靠健康指示和通信也需要解耦。

发明内容

[0006] 在本发明的一个方面中，本发明提供电源模块，其包括用于连接到输入电力源（通过合适的端子或总线连接）的部件、用于调整输出DC电压的调整部件、从高频开关的电压产生输出DC电压的整流模块、具有与调整部件和电力输入电力源（一个或多个）连接的初级侧和连接到整流模块的次级侧的变压器、用于向调整部件提供电压反馈信号来调整输出DC电压的电压反馈部件（例如，分压器）、用于使电源模块与至少一个其他电源模块连接的连接部件（例如，在电源模块堆叠在一起时通过总线连接）以及用于控制电源模块的负载分摊的负载分摊控制模块。电源模块另外具有在变压器的次级侧中连接用于降低电源模块（特别在电源模块中的电压控制回路中）中的噪声的滤波放大器。

[0007] 在优选实施例中，滤波放大器使由于电源模块（当多个电源模块连接在一起时的系统）中的开关而产生/出现的高频噪声衰减。电源模块的次级侧处的滤波放大器连同电源的初级侧中的电压误差放大器一起提高电源中的信噪比并且提高稳定性。

[0008] 在优选实施例中，模块化电源模块具有健康检查模块，用于基于DC输出电压与从电源模块的次级侧处连接的等效整流模块得到的信号的比较来推断它的健康状态。

[0009] 在另一个方面中，提供模块化电源系统，其具有使用公共输出电压总线和公共电流分摊总线而在输出处耦合的多个电源模块。这些电源模块可以在没有任何额外设置或没有使用额外装置/信号的情况下通过使它们简单地堆叠在一起而并联连接在一起。

[0010] 在另一个实施例中，具有并联连接的电源模块的模块化电源系统提供有独立且不同的输入电力源。

[0011] 在再另一个实施例中，模块化电源系统具有提供有独立且不同的输入电力源的电源模块中的一些并且一些其他电源模块提供有公共输入电力源。

[0012] 在再另一个实施例中，模块化电源系统具有提供有备用电池输入源的至少一个电源模块。

附图说明

[0013] 本发明的这些和其他特征、方面和优势当参照附图（其中类似的符号在整个附图中代表类似的部件）阅读下列详细说明时将变得更好理解，其中：

[0014] 图1是图示个体电源模块的实施例的电路图；

[0015] 图2是图示并联连接的两个电源模块的实施例的电路图；

[0016] 图3是图示具有噪声降低能力的并联连接的两个电源模块的实施例的电路图；

[0017] 图4是图示在并联连接的两个电源模块中的健康检查模块的实施例的电路图；

[0018] 图5是图示独立操作模式的框图；

[0019] 图6是图示多电源操作模式的框图；

[0020] 图7是图示对于一个电源模块的输入源具有备用电池的多电源操作模式的框图。

具体实施方式

[0021] 本发明描述对于能并联连接以供它在配电自动化系统中使用的电源模块控制噪声并且提高稳定性的技术。这些电源模块是模块化的并且能安装在DIN轨中并且可具有公共输入电压源或个体输入源以及支持宽范围的输入电压。

[0022] 图1图示示范性电源模块。参考图1，电源模块100包括独立输入电力源110、调整部件120、产生输出DC电压160的整流模块140、具有与调整部件120和输入电力源110连接的初级侧和连接到整流模块140的次级侧的变压器130、用于向调整部件120提供电压反馈信号来调整电压控制回路中的输出DC电压的电压反馈部件150（图示中分压器）。图示中的调整部件采用由基于PWM（脉宽调制）的控制而驱动的开关元件（开关）而设计。

[0023] 在期望高电力和可靠供电技术方案的关键应用中，超过一个的电源模块并联连接。向用户提供根据他的要求（包括未来需要）来连接若干电源的灵活性，其中如果任何应用需要更多的电力，用户具有简单地添加更多电源模块的灵活性。

[0024] 在本发明中对高功率且可靠供电技术方案提供的一些额外设计考虑是：

[0025] a）所有电源模块是相同的而没有任何主/从类型的隔离以用于控制相等加载，并且能够采用“独立模式”或采用“多电源模式”运行而没有任何选择/外部装置/附加连接或输出电压的任何精密设置的任何需要；

[0026] b）所有电源具有独立输入电压源，即每个并联连接的电源（即，采用“多电源模式”）的输入电压源可以不同。例如，电源模块1（PSM1）可以具有220VAC作为输入源并且电源模块2（PSM2）可以具有110VDC作为输入源。范围可以是宽的，作为示例，对于电源模块的电压可以在85-264VAC或88-375VDC的范围中。此外，用于并联连接的电源的输入电压源可以是从HV电力线抽取电力的电力收集系统，或可以是像光伏系统或来自备用电池的备选能量系统；

[0027] c）并联连接的电源（即，采用“多电源模式”）可以持续运行，甚至如果任何电源不具有输入源或来自并联连接的电源的电源中的任一个失效也如此。采用该模式，所有参与的健康电源在总负载的完整范围上均等地分摊负载电流[即（一个电源的电力容量）x（连接在一起的电源的数量）]。负载分摊即使在轻负载时也是好的并且具有较好的负载调整；

[0028] d）采用“多电源模式”，如果任何电源模块将失效或任何电源模块的输入源将关闭，其他电源模块继续正常运行并且因此系统将继续正常运行。而且，不运行的电源需要将它的健康状况传达给系统。期望使每个模块的主输出电压控制回路&健康信息容易与负载分摊控制机制分开（解耦）。每个电源模块单独指示并且以高效的方式传达它的健康情况。

[0029] 图2图示电源系统200，其具有与负载分摊电路并联连接的两个电源模块100。在并联系统中，附图图示负载分摊电路，其具有负责负载分摊控制的负载分摊控制模块210、来自所有电源模块的输出电压的并联耦合的公共输出电压总线230和公共电流分摊总线（SHARE信号）220，其用作负载分摊的参考。

[0030] 电源模块中的每个中的相应负载分摊控制模块210使用公共电流分摊信号以具有主动负载分摊控制。负载分摊机制的操作原理是测量每个个体模块的输出电流并且能够修改单元的输出电压，直到所有参与的电源传递相等的输出电流。从而，所有电源模块通过适当地控制它们相应的调整部件120而主动使它们的负载电流等于公共电流分摊信号。

[0031] 输出电压控制/反馈回路&负载分摊控制回路的交互采用电源模块可以采用独立模式和多电源模式运行而没有选择/外部装置/附加连接的任何需要这样的方式进行。

[0032] 此外，独立电源模块可具有公共输入源或具有独立输入源并且电源模块中的每个可具有输入滤波&保护、健康情况指示&通信、输出保护（未在图中示出）。

[0033] 采用“多电源模式”，所有连接的电源均等地分摊总负载电流。通常，电源模块中的每个在它们的最大负载容量以下运行。当需要的电力超出单个电源或在使用中的电源系统的限定容量时，用户只需要将额外需要数量的电源放在一起（并排）&使它们堆叠在一起。

[0034] 并联连接的电源将它们的独立输入电压转换成限定的DC输出电压。模块中的每个将继续提供独立滤波、保护&健康指示/通信。除DC输出电压的两个端子以外，并联连接的电源共享它们之间仅一个附加端子（即，SHARE信号220），其指示由连接的电源中的任一个所供应的最大电流。通过在负载电流的完整范围上使用主动电流分摊技术，并联连接的电源中的每个试图使它们的分摊负载电流等于SHARE信号（如在公共电流分摊总线中），即使它们相应的输入源或额定电压可能不同时也如此。

[0035] 任何噪声如果在电源模块中的任一个中的幅度和相位明显的话则将干扰电源系统并且可能负面地影响系统，从而导致不期望的情形；一个这样的情形是电源输出中的振荡。电源模块100中的电压控制回路中的噪声源可由于以下（作为示例）而引起：

[0036] ·50/60Hz行频

[0037] ·负载变化（瞬态/低频）

[0038] · 电源模块的开关（高频）。

[0039] 噪声的傅立叶分量在系统中的滤波器和放大器部件中经历增益改变和相移。如果对于这些傅立叶分量中的任何一个的增益和相移导致正而不是负反馈，电源模块将具有振荡。因此，即使噪声信号的初始源消失，电路将继续以该特定频率分量振荡。提高系统稳定性的常见方式是增加相位余量。因此为了在电压控制回路中实现稳定性，需要在增益交越频率（即，开环增益是一时的频率）处具有足够的相位余量。

[0040] 此外，以并联连接的电源模块为例，当存在用于并联连接的电源模块的输入电压的不同源/额定值时，每个模块中的调整部件120可采用互相不同的占空比开关。因此，由于开关引起的扰动在并联连接的模块中的每个中可不同。可发生由于模块中的每个中的个体输入源110引起的或由于模块中的开关操作引起的扰动/噪声将在分摊总线220上反映。因此，每个并联连接的模块将采用不同的方式（因为它们以不同的占空比操作）对该扰动起反应，从而在易于不稳定操作的不同控制回路之间形成串扰。

[0041] 图3图示示范性电源系统300，其具有并联连接、彼此有效解耦以在采用独立模式和采用多电源模式操作期间实现更好的稳定性的两个电源模块。电源系统具有公共电压总线和公共电流分摊总线，用于通过使电源模块中的每个均等地分摊负载来向负载提供电力。滤波放大器310（电压误差放大器）在电源模块的次级侧上连接来调节电压控制回路中的电压反馈。负载分摊控制模块210设计成缓慢起作用，即对高频变化的响应差，这由于它作出响应来均衡均值（平均）输出电流而是可接受的。滤波放大器310和调整部件120中的电压误差放大器都提供滤波和增益以有助于在完整输入电压范围上实现稳定。电源模块的次级侧上的滤波放大器310进行以下功能：

[0042] ·使由于开关引起的噪声衰减并且防止它们去往调整部件120中的初级侧电压误差放大器,

[0043] · 放大由于50/60Hz行频&负载变化引起的噪声。

[0044] 影响负载分摊控制回路的变化仅以初级120上的电压误差放大器提供的低增益来处理。次级侧上的滤波放大器310和调整部件120的初级侧上的基于PWM的模块中的电压误差放大器的使用（其中两个部件都具有不同的频率响应）在电源模块中提供高的相位余量。通过使用该方法，已经在宽输入电压范围（例如，对于通用范围，即85-264VAC/88-375VDC）和/或不同输入电力源（其包括对于具有相等负载分摊的并联连接的电源模块的AC输入源）上实现稳定。

[0045] 从而，随着额外的滤波放大器部件310的使用，电源模块和系统的噪声效应以及由此稳定性提高。

[0046] 涉及配电自动化系统产品的另一个方面是对于配电自动化产品具有适合的健康指标和健康通信。对于并联电源模块，期望对于个体电源模块的健康情况指示和通信与其他的解耦。解决该问题的众所周知的方法是通过使用对于独立电源模块中的每个解耦串联二极管。然而，这些二极管可以引起功率损耗（最大功耗=输出电流X二极管电压降，近似1伏），这对系统具有负面影响。

[0047] 图4图示关于描绘电源模块（其具有与额外部件组并联连接以具有等效整流模块420的整流模块140）的次级侧的电路图的健康指示和通信的技术。电路进一步具有分压器
430，其提供有等效整流模块420。与每个电源模块关联的健康检查模块440由比较器组成以基于来自分压器430的信号与公共输出电压总线230的比较来评估相应电源模块的健康以提供健康情况信号450。等效整流模块420由与整流模块140中的元件相似的元件组成，然而，这些元件具有非常低的额定功率（它们需要仅用于信号输出）并且因此消耗很少的功率。因为等效整流模块420与公共输出电压总线230不直接关联，电源模块彼此解耦以用于健康指示。对于健康指示和通信的该技术因为它不影响负载电流或来自供应电力中所涉及的模块中的任一个的输出电压而是高效的。健康检查模块具有用于指示健康状态的LED指示和用于在配电自动化系统中传达健康状态信号的通信模块。

[0048] 可注意每个电源模块提供输出DC电压、SHARE信号和健康信号。作为实施例，采用独立模式的电源模块功能如在图5中描绘。在需要的功率在单个电源的限定容量内时利用独立模式。

[0049] 作为另一个实施例，尽管需要的功率可在单个电源的限定容量内，两个电源模块并联连接。在正常条件下，当两个输入电压源都可用时，所有连接的模块均等地分摊负载电流。当在包括输入电压源的电源模块中的一个中存在任何问题时，健康的电源模块将继续通过提供需要的负载电流而正常运行。在这里，尽管功率要求在一个电源的容量范围内，电源模块采用多电源模式运行，来增加电源系统的可靠性。

[0050] 作为另一个实施例，多个电源模块可连接在一起，从而具有输入电压源的多个组合来增加配电自动化系统中的可靠性。这些多个电源模块可分摊公共输入电压源或具有独立输入电压源。此外，如在图6和图7中图示的，多个电源模块可具有从数量上与连接在一起的电源模块的数量相比要少的输入电压源得到的输入电压源。在这里，作为在图6中图示的示例，两个输入电压源（610和620）用于向连接在一起的三个电源模块100提供输入电压。图7再次图示对于三个电源模块（100）具有两个输入电压源（710和720）的情况，但其描绘使用电池备用源710来向电源模块供电。

[0051] 尽管本文仅图示和描述本发明的某些特征，本领域内技术人员将想到许多修改和改变。因此，要理解附上的权利要求意在涵盖所有这样的修改和改变，它们落入本发明的真正精神内。