CN101807854A

CN101807854A - 一种缓冲交换式降压斩波系统

Info

Publication number: CN101807854A
Application number: CN 201010153458
Authority: CN
Inventors: 张伟; 黄炜; 周少军; 李勇周
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2010-08-18

Abstract

本发明公开了一种缓冲交换式降压斩波系统，包括直流源和负载的正极端口，所述直流源至少一个，所述负载的正极端口至少为一个；所述直流源和负载的正极端口之间顺序连接缓冲开关阵列、以储能器为主组成的储能器直-直转换单元和交换开关阵列；所述缓冲开关阵列和交换开关阵列与驱动模块电连接；所述驱动模块与CPU及存贮器电连接；所述CPU及存贮器还设置负载检测单元和储能检测单元；所述负载检测单元电连接负载的正极端口；所述储能检测单元电连接储能器直-直转换单元中的储能器。本发明可以大幅度降低斩波系统的开关频率，有效降低斩波系统的功耗，提高斩波系统的效率；适合于直-直降压转换的装置和设备使用。

Description

一种缓冲交换式降压斩波系统

技术领域

本发明涉及一种直-直转换技术，特别是涉及一种利用储能器进行直-直转换的缓冲交换式降压斩波系统。

背景技术

直流斩波技术在开关稳压电源、电机调速等多种电力电子领域具有重要的应用。其技术核心是以脉冲调制PWM技术为基础，并通过占空比可变的开关脉冲驱动功率半导体电力电子元件比如MOSFET、IGBT等元件，使供电电源到负载的供电回路工作在开关状态，同时通过有源滤波或无源滤波技术，将开关脉冲变化成较平稳的波形，再向负载供电。通过调解PWM脉冲的占空比，可以达到输出电流、电压可调的目的，从而实现输出功率的调解。

为了满足现代电子设备对电源精度电流、电压等的进一步要求，及电源小型化，功率密度不断提高的趋势，功率半导体开关元件的工作频率不断上升，斩波电路的斩波频率也不断提高，目前可达数百K。开关频率的增加，为滤波电感的减小，提供了直接的可能。更使以斩波技术为基础的电源系统的可调节度进一步增加。但同时也带来另一方面的问题，即目前的某些功率半导体器件，比如IGBT，并不纯粹工作在开关状态，每次在驱动开关脉冲的驱动下进行状态转变时，都无可避免地会经过功率管的线性区，虽然时间极短纳秒级，但总会做功发热，如果开关频率比较高，则斩波系统事实上存在较大的自身功耗。事实上，开关功率半导体器件工作在开的状态其自身功耗很低，功率损耗主要源自开、关状态的切换，因此，如果能降低斩波系统的工作频率，器件自身的功率损耗势必降低，但同时又带来另外的问题及在电源可调节能力降低的同时，用来进行滤波的电感器会随之增大，因此斩波系统的小型化、功率密度的提高与自身功耗的降低事实是存在的矛盾。当然随着现代半导体技术的发展，功率半导体器件的开关速度已经极大地提高，这使这一现实矛盾得到一定程度的缓解。

根据以上多斩波系统基本原理及功耗问题的分析，如果通过一定的技术途径首先对待斩波的直流源进行一次变换，使之较目标输出有较小的偏差，然后在经过二次斩波变换，则可以降低斩波系统的开关频率，有效降低功率器件自身的功耗，则斩波系统中存在的矛盾可以得到有效解决。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种借助于大容量、高性能的储能部件首先进行能量的缓冲，即通过将待斩波直流源的电能首先缓冲在高性能储能部件的内部完成一次变换，然后再将高性能储能部件作为中间直流源对外部负载通过斩波系统供电，完成第二次变换的缓冲交换式降压斩波系统。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：包括直流源和负载的正极端口，所述直流源至少为一个，所述负载的正极端口至少为一个；所述直流源和负载的正极端口之间顺序连接缓冲开关阵列、以储能器为主组成的储能器直-直转换单元和交换开关阵列；所述缓冲开关阵列和交换开关阵列与驱动模块电连接；所述驱动模块与CPU及存贮器电连接；所述CPU及存贮器还设置负载检测单元和储能检测单元；所述负载检测单元电连接负载的正极端口；所述储能检测单元电连接储能器直-直转换单元中的储能器。

所述负载的正极端口之前设置滤波电路。

所述储能器直-直转换单元至少包括两个独立的能够实现交替充电和放电工作的并联结构的储能器，所有储能器并联在缓冲开关阵列和交换开关阵列之间，每个储能器都与储能检测单元电连接。

所述储能器直-直转换单元至少有两组由储能器与开关相间串联的降压组件，所述降压组件中的储能器至少为两个，它们之间通过开关连接；所有开关构成开关阵列，所有降压组件并联在缓冲开关阵列和交换开关阵列之间，每个储能器都与储能检测单元电连接，开关阵列与驱动模块电连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：可以大幅度降低斩波系统的开关频率，有效降低斩波系统的功耗，提高斩波系统的效率，过载能力强；适合于直直降压转换的装置和设备使用。

附图说明

图1为本发明的电气原理框图；

图2为本发明实施例1的电气原理框图；

图3为本发明实施例2的电气原理框图；

图4为本发明实施例3的电气原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

参照附图：本发明包括直流源和负载的正极端口X，所述直流源至少为一个，所述负载的正极端口X至少为一个；所述直流源和负载的正极端口X之间顺序连接缓冲开关阵列、以储能器为主组成的储能器直-直转换单元和交换开关阵列；所述缓冲开关阵列和交换开关阵列与驱动模块电连接；所述驱动模块与CPU及存贮器电连接；所述CPU及存贮器还设置负载检测单元和储能检测单元；所述负载检测单元电连接负载的正极端口X；所述储能检测单元电连接储能器直-直转换单元中的储能器。

所述负载的正极端口X之前设置滤波电路。

所述储能器优选超级电容；驱动模块、CPU及存贮器、负载检测单元、储能检测单元、开关、缓冲开关阵列、交换开关阵列选用成熟的现有技术的电路或产品，CPU及存贮器的存贮器中能够安装专用软件和设置并保存有关参数数据。

本发明的系统配置专用软件。

实施例及工作原理：

实施例1参照附图2，在本实施例中，直流源和负载的正极端口X均为一个，如果储能器的充电时间小于储能器的发电时间，两个储能器就能够保证它们交替给负载供电的连续性，如果储能器的充电时间大于储能器的放电时间，储能器的个数需要相应增加，以满足负载连续用电的要求。以两个储能器为例，其中一个为空处于充电状态，另外一个为满处于放电状态，或者放电就绪状态，负载工作时，为满的储能器处于放电状态，负载停止工作时，为满的储能器处于放电就绪状态。CPU及存贮器的软件实施智能控制和管理。以负载工作时为例，充电的储能器通过缓冲开关阵列接通，但交换开关阵列中与后面负载的通道被断开，当该储能器充满后，上述开关阵列改变通断，即储能器通过交换开关阵列接通连接后面负载的通道，同时通过缓冲开关阵列断开与直流源的通道，此时至少有一个储能器给负载供电。当储能检测单元检测到正在放电的储能器的电压低于某一设定值时，该储能器的交换开关阵列断开负载通道，缓冲开关阵列接通直流源进入充电。然后每个储能器进行上述反复的充电和放电，实现降压的直直变换。

实施例2参照附图3，在本实施例中，与实施例1不同的是，两个储能器的后面通过开关阵列再接一个储能器，或者，其后多个开关阵列和多个储能器相间串联。其目的是为了实现逐级降压，其他原理同实施例1，不再赘述。

实施例3参照附图4，在本实施例中，与实施例1不同的是，直流源为M个，即：直流源1-直流源M，负载的正极端口个数为N个，即：X1-XN。储能器为K个，即：储能器1-储能器K。工作原理同实施例1，不再赘述。但需要说明的是，储能器的充放电是在专用软件的控制下无序进行的，进一步讲，系统根据负载的情况，合理地调用储能器的个数参与工作，而且能够合理地利用直流源。

实施例4：是实施例2-3的结合。即储能器后面通过开关阵列相间连接多个储能器，以实现降压的目的。原理是实施例1-3的组合，不再赘述。

本发明的有益之处在于：

1、可以大幅度降低斩波系统的开关频率，有效降低斩波系统的功耗，提高斩波系统的效率；

2、通过高性能储能部件的缓冲队列作为中间缓冲环节，可以实现斩波系统的多源可扩展结构，即为了实现大功率的斩波系统，可以通过中间的储能缓冲队列，在输入级方便地增加直流源，通过多个功率较小的直流源，扩展成功率较大的直流源，从而有效地降低了系统的功耗；

3、储能缓冲队列作为中间直流源，可以依据其内部储能单元的数量对多个外部负载供电，形成斩波系统的多输出结构。

4、由于储能缓冲队列中储能部件的特殊性质，使得其能在较长的时间内提供与外部负载要求较为接近的电流、电压，因此，能量交换过程中斩波系统的电能回路波纹电压、电流较小，因此对于滤波电感器的要求较低，因此可以有效减少滤波电感器的体积，有利于斩波系统的小型化及功率密度的提高。

适合于降压直-直转换。

Claims

1.一种缓冲交换式降压斩波系统，包括直流源和负载的正极端口，所述直流源至少一个，所述负载的正极端口至少为一个；其特征在于：所述直流源和负载的正极端口之间顺序连接缓冲开关阵列、以储能器为主组成的储能器直-直转换单元和交换开关阵列；所述缓冲开关阵列和交换开关阵列与驱动模块电连接；所述驱动模块与CPU及存贮器电连接；所述CPU及存贮器还设置负载检测单元和储能检测单元；所述负载检测单元电连接负载的正极端口；所述储能检测单元电连接储能器直-直转换单元中的储能器。

2.根据权利要求1所述的缓冲交换式降压斩波系统，其特征在于：所述负载的正极端口X之前设置滤波电路。

3.根据权利要求1或2所述的缓冲交换式降压斩波系统，其特征在于：所述储能器直-直转换单元至少包括两个独立的能够实现交替充电和放电工作的并联结构的储能器，所有储能器并联在缓冲开关阵列和交换开关阵列之间，每个储能器都与储能检测单元电连接。

4.根据权利要求1或2所述的缓冲交换式降压斩波系统，其特征在于：所述储能器直-直转换单元至少有两组由储能器与开关相间串联的降压组件，所述降压组件中的储能器至少为两个，它们之间通过开关连接；所有开关构成开关阵列，所有降压组件并联在缓冲开关阵列和交换开关阵列之间，每个储能器都与储能检测单元电连接，开关阵列与驱动模块电连接。