TW201436409A - 採用限流控制的電源並聯系統 - Google Patents

Abstract

本發明是關於一種採用限流控制的電源並聯系統，主要是對多個相互並聯的電源模組執行輸出電流分配，使各個電源模組依分配的輸出電流對負載供電，同時控制對負載的輸出電壓；藉此可在輕載時只由部分的電源模組對負載供電，以提高系統效率；且利用上述技術可實現電壓相同但電流不同的電源模組並聯使用，且無電源模組可並聯數量的限制。

Description

採用限流控制的電源並聯系統

本發明是關於一種採用限流控制的電源並聯系統，特別是指一種對電源並聯系統中的電源模組執行輸出電流限流控制，以提高系統效率且支援相同電壓、不同電流電源模組相互並聯的相關技術。

為確保電源系統供電的穩定性與可靠度，既有電源系統大都將電源供應器模組化，並使採用同一規格系列的電源模組相互並聯，以提高輸出能力。而現有的並聯技術主要有二類，其一為主動均流法(Active Current-Sharing Method)，另一為電壓下降法(Droop Method)，所稱的主動均流法包含平均電流法(Average current Method)、直接主從法(Dedicated Master Method)及自動主從法(Automatic Master Method)。以上兩類並聯技術都是以達到均流為目的。

但如前揭所述，採用多個電源模組並聯主要是為了提高輸出能力，而電壓下降法雖然可以達到均流目的，卻因降低了輸出電壓而必須犧牲輸出電壓的調整能力，顯與提高輸出能力的目的相左。而且各個電源模組若達成均流，則負載不管是輕載或重載，並聯系統中的每一個電源模組都必須工作，且每一個電源模組都輸出相同的 電流，因而在輕載狀態下，系統運轉效率明顯偏低。

再者，既以均流為目的，意即並聯的所有電源模組必須都是相同電壓、相同電流，若使用者擁有相同電壓但不同電流的電源模組，在達成均流的前提下，不同電流的電源模組即無法加入並聯系統，形成可用資源的浪費。

由上述可知，並聯系統以多個電源模組並聯後供電，主要在提高輸出能力，惟採取電壓下降法雖可達到均流目的，卻使輸出能力降低，故而如何確保系統穩定又不影響輸出能力，實有待進一步檢討，並謀求可行的解決方案。

因此本發明主要目的在提供一種採用限流控制的電源並聯系統，主要是對電源並聯系統中各個電源模組執行輸出電流分配，使各個電源模組依分配到的輸出電流供應電源，且依負載狀況決定投入供電的電源模組數量，以提升系統運轉效率。由於是對各個電源模組分配其輸出電流，因此各電源模組可以是不同電流，進而可支援相同電壓但不同電流的電源模組相互並聯，且並聯的電源模組數量不受限制。

為達成前述目的採取的一主要技術手段是令前述採用限流控制的電源並聯系統包括：多個僕模組，每一僕模組分別具有一轉換器和一限流控制單元，該轉換器具有一輸出端，且共同連接至一輸出總線上；該限流控制單元設定有一最大輸出電流，且和輸出總線連接以取得負載電流，並據以產生一限流命令以限 定輸出電流，而由轉換器將限定的輸出電流加載到輸出總線上；一主模組，與前述各僕模組並聯，且和輸出總線連接，以根據輸出總線回授的負載電壓對輸出電壓作定電壓控制；前述採用限流控制的電源並聯系統主要是由主、僕模組分攤輸出總線上的負載，但不是平均分攤，而是由僕模組、主模組根據其限流控制單元設定的最大輸出電流和負載電流大小，依序地加載到輸出總線上，也就是由各個僕模組、主模組依序以最大輸出電流一一加載到輸出總線，直到負載電流被滿足為止。在此狀況下，加載到輸出總線的電源模組數量是視負載的輕重載狀況而定，若為重載狀態，加入並聯的電源模組數量即多，若為輕載狀態，則加入並聯的電源模組數量即可相對減少，也就是不需要讓全部電源模組都工作，藉此可提高運轉效率。而依照前述系統的限流控制技術，將可容許不同電流(容量)的電源模組加入並聯系統，以充分運用資源，並提高系統整合彈性。

為達成前述目的採取的又一主要技術是令前述採用限流控制的電源並聯系統包括：一主模組，包括一轉換器、一限流控制單元和一電壓控制器，該轉換器具有一輸出端，且共同連接至一輸出總線上；該限流控制單元具有一輸出端和一輸出電流控制端，其輸出端與轉換器連接；該電壓控制器具有一控制信號輸出端，是和限流控制單元的輸出電流控制端連接； 多個僕模組，每一僕模組分別具有一轉換器和一限流控制單元，該轉換器具有一輸出端，且共同連接至一輸出總線上；該限流控制單元具有一輸出端和一輸出電流控制端，其輸出端與轉換器連接，其輸出電流控制端透過一運算器和相鄰一僕模組或主模組的限流控制單元的輸出端和輸出電流控制端連接；前述採用限流控制的電源並聯系統仍由主、僕模組分攤輸出總線上的負載，其分攤方式是由主模組控制本身和各個僕模組的輸出電流，而依序加載到輸出總線上。在此狀況下，加載到輸出總線的電源模組數量可視負載狀況決定。由於限流電源模組的輸出電流是由主模組分配控制，因此可容許不同電流(容量)的電源模組加入並聯系統，以充分運用資源，並提高系統整合彈性。

10A、10B、10C‧‧‧僕模塊

10D‧‧‧主模塊

11‧‧‧轉換器

12‧‧‧限流控制單元

121,121A~121D‧‧‧限流命令產生器

122,122A~122D‧‧‧電流控制器

13‧‧‧電壓控制器

14A~14C‧‧‧運算器

圖1為本發明的系統架構方塊圖。

圖2為本發明一較佳實施例的系統方塊圖。

圖3為本發明又一較佳實施例的系統方塊圖。

以下配合圖式及本發明的較佳實施例，進一步闡述本發明為達成預定發明目的所採取的技術手段。

關於本發明一較佳實施例的系統基本架構和工作原理，請參考圖1所示，主要是使多個電源模組10A、10B、10C、10D以其輸出端共同連接到一輸出總線L，並透過輸出總線L和負載連接(圖中電源模組的數量僅為示 例而已)。

本發明的工作原理在於：各電源模組10A、10B、10C、10D是依照一設定的最大輸出電流I_OM和輸出總線L上的負載電流I_L來決定是否加載和加載時的輸出電流I_O1、I_O2、I_O3、I_O4，例如在負載電流為10安培時，若設定每一個電源模組10A、10B、10C、10D的最大輸出電流I_OM分別為4安培，則在滿載狀態下，兩電源模組10A、10B的輸出電流I_O1、I_O2都是最大輸出電流I_OM，另一個電源模組10C的輸出電流I_O3只須2安培，最後一個電源模組10D的輸出電流I_O4則為0。若是輕載狀態，負載電流為4安培時，則只須一個電源模組10A以最大輸出電流加載到輸出總線L上即可，而其他電源模組10B、10C、10D的輸出電流I_O2、I_O3、I_O4均為0。

關於上述各電源模組10A、10B、10C、10D，其具體構造請參考圖2所示：前述電源模組10A、10B、10C具有相同的基本架構，是分別作為一僕模組，另一電源模組10C除具備與僕模組10A、10B、10C相同的基本架構外，進一步包括一電壓控制器13；關於前述僕模組10A、10B、10C的結構，容以其中一僕模組10A說明其構造，其包括：一轉換器11，具有一輸出端和一控制端，其輸出端和輸出總線L連接；一限流控制單元12，具有一輸出端、一本地電流輸入端io1和一總線電流輸入端i_L1，其輸出端和轉換器11的控制端連接，其本地電流輸入端io1和轉換器11的輸出端連 接，以取得本身的輸出電流；而其總線電流輸入端i_L1是和輸出總線L連接；該限流控制單元12設定有一最大輸出電流I_OM，並根據總線電流輸入端i_L1回授輸入的負載電流以產生一限流命令，使轉換器11控制其輸出電流Io1。

在本實施例中，該限流控制單元12包括一限流命令產生器121及一電流控制器122；該限流命令產生器121的輸入端是構成前述總線電流輸入端i_L1，而和輸出總線L連接，以便取得回授的負載電流，並據以產生一限流命令，再送到電流控制器122，由電流控制器122控制轉換器11的輸出電流Io1。

而前述主模組10D除具備前述轉換器11和限流控制單元12外，進一步包括一電壓控制器13，該電壓控制器13具有一輸入端、一輸出端和一電壓命令輸入端，其輸入端和輸出總線L連接，以回授輸出電壓，其輸出端則與限流控制單元12的限流命令產生器121連接，該電壓控制器13根據電壓命令輸入端的一電壓命令和自輸出總線L回授的輸出電壓以產生一控制信號，並送至限流命令產生器121，藉以對負載執行電壓控制。

上述各僕模組10A、10B、10C、主模組10D將逐段的控制其輸出電流，以下謹以實例說明：請配合參考圖1、圖2所示，當負載電流I_L的需求是10安培時，僕模組10A、10B、10C、主模組10D分別以最大輸出電流投入輸出總線L，第一個僕模組10A自輸出總線L回授取得的負載電流I_L1是10安培，且維持最大輸出電流；第二個僕模組10B自輸出總線L回授取得 的負載電流I_L2是6安培(I_L2=I_L1-I_O1)，所以也維持最大輸出電流；第三個僕模組10C自輸出總線L回授取得的負載電流I_L3是2安培(I_L3=I_L2-I_O2)，因此第三個電源模組10C將調整其輸出電流I_O3為2安培。由於前三個僕模組10A、10B、10C投入輸出總線L的輸出電流已滿足負載電流I_L的需求，因此主模組10D自輸出總線L回授取得的負載電流I_L4為0，故其輸出電流I_O4也是0。

由上述各僕模組10A、10B、10C、主模組10D均作限流控制(CC)，為確保供電穩定，所以使主模組10D對並聯系統的輸出電壓執行定電壓控制(CV)，故上述僕模組10A、10B、10C為限流電源模組，而主模組10D為限壓電源模組。

關於本發明的又一較佳實施例，請參考圖3所示，其基本架構與前一實施例大致相同，不同處在於：各僕模組10A、10B、10C的輸出電流並不是由本身根據回授的負載電流所決定，而是直接或間接受控於主模組10D。具體構造如以下所述：各僕模組10A、10B、10C的限流命令產生器121A~121C並不連接輸出總線L，而是分別透過一運算器14A~14C和相鄰僕模組10B、10C、主模組10D的限流命令產生器121連接；各僕模組10A、10B、10C和主模組10D的限流命令產生器121A~121D分別具有一輸出電流控制端ioA~ioD，該主模組10D的限流命令產生器121D的輸出電流控制端ioD和電壓控制器13的控制信號輸出端連接，限 流命令產生器121D的限流命令輸出端、輸出電流控制端ioD除分別和電流控制器122D、電壓控制器13連接外，又分別連接到一相鄰僕模組10C的運算器14C。

每一運算器14A~14C分別具有一輸出端和兩參數端，其輸出端和僕模組10A、10B、10C本身的限流命令產生器121A~121C的輸出電流控制端ioA~ioC連接，兩參數端分別和相鄰的僕模組10B、10C或主模組10D的限流命令產生器121B、121C、121D的限流命令輸出端、輸出電流控制端ioB~ioD連接。

意即各個僕模組10A、10B、10C的輸出電流Io1、Io2、Io3分別受相鄰的僕模組10B、10C或主模組10D的限流命令產生器121B、121C、121D所控制。

具體工作方式詳如以下所述：當主模組10D的限流命令產生器121D由電壓控制器13取得負載電流需求為10安培時，其限流命令產生器121D將送出最大輸出電流的限流命令(例如4安培)給電流控制器122D，使轉換器11D輸出最大電流4安培，由於負載電流需求為10安培，限流命令產生器121D的限流命令為4安培，透過運算器14C運算其差值，提供給相鄰僕模組10C的限流命令產生器121C的負載電流需求為6安培；此時，其限流命令產生器121C仍將送出最大輸出電流的限流命令給電流控制器122C，使轉換器11C輸出最大電流4安培，至此，輸出總線L上的電流為8安培。而主模組10D對僕模組10C送出的負載電流需求為6安培，其限流命令產生器121C的限流命令為4安培，透過運算器14B運算其差值，提供給另一 相鄰僕模組10B的限流命令產生器121B的負載電流需求為2安培，此時僕模組10B的限流命令產生器121B只須送出2安培的限流命令，使轉換器11B加載2安培輸出電流到輸出總線L上。至此輸出總線L上的電流已達10安培，僕模組10B對相鄰再一僕模組10A的負載電流需求將為0，亦即僕模組10A的限流命令產生器121A送出給轉換器11A的限流命令為0，因而不需要加載電流到輸出總線L上。

由上述可知，本發明的電源並聯系統主要是由各個限流電源模組分攤輸出總線上的負載，但不是平均分攤，而是由各個限流電源模組根據其限流控制單元設定的最大輸出電流和負載電流大小或主模組的控制加載到輸出總線上。在此狀況下，加載到輸出總線的限流電源模組數量可視負載的輕重載狀況而定，若為重載狀態，加入並聯的限流電源模組數量即多，若為輕載狀態，則加入並聯的限流電源模組數量即可相對減少，也就是不一定需要全部限流電源模組都工作，因而可提高運轉效率。

而不論是設定最大輸出電流或由主模組控制，本發明的依照前述系統的限流控制技術，將可容許相同電壓、不同電流(容量)的電源模組加入並聯系統，藉此可提高系統整合的彈性，並可充分利用資源。

再者，前述的各個電源模組可以是直流電源供應器，也可以是交流電源供應器。因此可分別應用在直流電源並聯系統或交流電源並聯系統。

上述實施方式和附圖中的僕模組數量和標號 只為了方便說明和便於理解，並非用以限制其實際使用的數量。

以上所述僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。

10A、10B、10C‧‧‧僕模塊

10D‧‧‧主模塊

11‧‧‧轉換器

12‧‧‧限流控制單元

121‧‧‧限流命令產生器

122‧‧‧電流控制器

Claims (11)

1. 一種採用限流控制的電源並聯系統，包括：多個僕模組，每一僕模組分別具有一轉換器和一限流控制單元，該轉換器具有一輸出端，且共同連接至一輸出總線上；該限流控制單元設定有一最大輸出電流，且和輸出總線連接以取得負載電流，並據以產生一限流命令以限定輸出電流，而由轉換器將限定的輸出電流加載到輸出總線上；一主模組，與前述各僕模組並聯，且和輸出總線連接，以根據輸出總線回授的負載電壓對輸出電壓作定電壓控制。
2. 如請求項1所述採用限流控制的電源並聯系統，該主模組具有一轉換器和一限流控制單元，該轉換器具有一輸出端且連接至輸出總線上；該限流控制單元設定有一最大輸出電流，且和輸出總線連接以取得負載電流，並據以產生一限流命令以限定輸出電流，而由轉換器將限定的輸出電流加載到輸出總線上。
3. 如請求項2所述採用限流控制的電源並聯系統，該主、僕模組是直流電源供應器。
4. 如請求項2所述採用限流控制的電源並聯系統，該主、僕模組是交流電源供應器。
5. 如請求項1至4中任一項所述採用限流控制的電源並聯系統，該主、僕模組的限流控制單元包括一限流命令產生器及一電流控制器，該限流命令產生器的輸入端和輸出總線連接，以取得回授的負載電流，由限流命令產生器 產生一限流命令送給電流控制器，由電流控制器控制轉換器的輸出電流。
6. 如請求項5所述採用限流控制的電源並聯系統，該主模組的電壓控制器具有一輸入端、一輸出端和一電壓命令輸入端，其輸入端和輸出總線連接，其輸出端和限流控制單元的限流命令產生器連接。
7. 一種採用限流控制的電源並聯系統，包括：一主模組，包括一轉換器、一限流控制單元和一電壓控制器，該轉換器具有一輸出端，且共同連接至一輸出總線上；該限流控制單元具有一輸出端和一輸出電流控制端，其輸出端與轉換器連接；該電壓控制器具有一控制信號輸出端，是和限流控制單元的輸出電流控制端連接；多個僕模組，每一僕模組分別具有一轉換器和一限流控制單元，該轉換器具有一輸出端，且共同連接至一輸出總線上；該限流控制單元具有一輸出端和一輸出電流控制端，其輸出端與轉換器連接，其輸出電流控制端透過一運算器和相鄰一僕模組或主模組的限流控制單元的輸出端和輸出電流控制端連接。
8. 如請求項7所述採用限流控制的電源並聯系統，該僕、主模組10D、10A、10B、10C的限流控制單元分別具有一電流控制器122A~122D和一限流命令產生器121A~121D，其電流控制器122A~122D分別和僕、主模組10A、10B、10C、10D的轉換器122A~122D連接；該僕、主模組10A、10B、10C、10D的限流命令產生器121A~121D分別具有一輸出電流控制端ioA~ioD，該主 模組10D的限流命令產生器121D的輸出電流控制端ioD和電壓控制器的控制信號輸出端連接，限流命令產生器121D的限流命令輸出端、輸出電流控制端ioD分別和電流控制器122D、電壓控制器連接；各運算器14A~14C分別具有一輸出端和兩參數端，其輸出端和僕模組10A、10B、10C的限流命令產生器121A~121C的輸出電流控制端ioA~ioC連接，兩參數端分別和相鄰的僕模組10B、10C或主模組10D的限流命令產生器121B、121C、121D的限流命令輸出端、輸出電流控制端ioB~ioD連接。
9. 如請求項8所述採用限流控制的電源並聯系統，該主、僕模組是直流電源供應器。
10. 如請求項8所述採用限流控制的電源並聯系統，該主、僕模組是交流電源供應器。
11. 如請求項8至10中任一項所述採用限流控制的電源並聯系統，該主模組同時對輸出電壓執行定電壓控制。