CN102969892A - 宽输入范围dc-dc放电电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽输入范围DC-DC放电电路，包括第一、第二电感L1、L2，第一、第二电容C1、C2以及由第一、第二功率开关管S1、S2串联组成的桥臂单元，桥臂单元与C2连接形成回路，L1、L2串联构成电感支路，两电感之间的电结点连接C1的正极，电感支路的靠近L1的一端构成正输入端，靠近L2的一端连接S1、S2之间的电结点，C2的正负极分别构成正负输出端，L1、L2之间串接有第二二极管D2，D2的负极连接C1的正极，D2的正极与S1、S2之间的电结点之间设有一支路，该支路上设有第一二极管D1，D1的正极连接D2的正极。该电路输入范围宽、升压比高、硬件组成简单、成本低，可满足高增益比应用场合。

Description

宽输入范围DC-DC放电电路
技术领域
本发明属于直流电能控制和转换技术领域，主要涉及一种可对直流电源的放电过程中电压、电流进行控制的变换电路。
背景技术
传统的DC-DC变换器用于直流电能的控制，可对直流电源的输出电流、电压进行控制。其典型结构如图1所示。其工作时，输入端连接电压较低的直流电源，其输出端连接电压较高的直流侧，当电流由输入端流向输出端，变换器控制直流电源的放电过程，反之，变换器控制直流电源的充电过程。
传统DC/DC变换器的升压比取决于控制开关管的PWM占空比，受PWM占空比限制，一般高/低压的升压比不超过5:1。
在较多的应用场合，直流电源的电压较低，而要求其变换后的输出电压较高，升压比要求达到10倍以上。在这种应用场合，传统的直流DC-DC变换电路的升压比显得偏低，难以满足系统升压比的要求。
为了提高升压比，目前普遍采用多个DC-DC模块级联的方式获得高增益比的DC-DC变换器。其缺点是开关器件过多，电路拓扑复杂，增加了电路的硬件成本，且控制变得复杂，同时还降低了变换器的整体效率。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种宽输入范围DC-DC放电电路，该变换电路具有输入范围宽、升压比高的特点，且硬件简单，无需复杂的多个的DC-DC模块级联，即可满足部分高增益比应用场合。
本发明所采用的技术方案是：一种宽输入范围DC-DC放电电路，包括第一、第二电感，第一、第二电容以及由第一、第二功率开关管串联组成的桥臂单元，所述桥臂单元与所述第二电容连接形成回路，所述第一、第二电感串联构成电感支路，两电感之间的电结点连接第一电容的正极，第一、第二电容的负极相连接并构成负输入端和负输出端，所述电感支路的靠近第一电感的一端构成正输入端，靠近第二电感的一端连接所述第一、第二功率开关管之间的电结点，第二电容的正极构成正输出端，所述第一、第二电感之间串接有第二二极管，所述第二二极管的负极连接所述第一电容的正极，所述第二二极管的正极与第一、第二功率开关管之间的电结点之间设有一支路，该支路上设有第一二极管，所述第一二极管的正极连接所述第二二极管的正极。
设置当所述宽输入范围DC-DC放电电路运行时，所述第一、第二功率开关管的开关状态处于互补状态，且设有一定的死区时间。
所述第一、第二功率开关管各自的集电极和发射极之间，或者源极和漏极之间反向并联还可以设有阻尼二极管，或者，所述第一、第二功率开关管采用含有反向并联的阻尼二极管的复合功率开关管。
对于上述任意一种技术方案，还优选设有双路切换开关，所述双路切换开关连接在所述正输入端与第一电感之间以及所述正输入端与第一电容的正极之间。
本发明的有益效果是：
仅需在传统DC-DC电路基础上增加少量的二极管和电容器件，就获得了较高的、传统直流DC-DC变换电路所无法达到的宽输入范围和升压比，因此可较好地满足电压较低的直流电源放电时的特殊要求；
由于采用了完全不同于传统的为提高升压比所采用的DC-DC模块级联的技术思路，很好地解决了电路拓扑结构复杂、成本高的问题，具有广阔的推广应用前景。
附图说明
图1是传统的DC-DC变换器的电路拓扑结构示意图；
图2是本发明的DC-DC放电电路用于直流电源控制的系统组成示意图；
图3是本发明的DC-DC放电电路的一个实施例的原理图；
图4是图3的开关S闭合在K1点时，开关S1导通、S2不导通时的系统回路示意图；
图5是图3的开关S闭合在K1点时，开关S2导通、S1不导通时的系统回路示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种宽输入范围DC-DC放电电路，可用于直流电能控制，将电压较低的直流电压升高到合适的范围。特别是在储能系统中，常用于升高电池电压、管理电池模块的充、放电状态，控制其充放电电流及输出电压，该应用的一种系统结构组成如图2所示，DCsource-1、……、DCsource-n是n个直流电源模块，通常电压较低，通过宽输入范围DC-DC放电电路的控制，可将其电压升高。
这种宽输入范围DC-DC放电电路包括第一、第二电感L1、L2，第一、第二电容C1、C2以及由第一、第二功率开关管S1、S2串联组成的桥臂单元，所述桥臂单元与所述第二电容连接形成回路，所述第一、第二电感串联构成电感支路，两电感之间的电结点连接第一电容的正极，第一、第二电容的负极相连接并构成负输入端和负输出端，所述电感支路的靠近第一电感的一端构成正输入端，靠近第二电感的一端连接所述第一、第二功率开关管之间的电结点，第二电容的正极构成正输出端，所述第一、第二电感之间串接有第二二极管D2，所述第二二极管的负极连接所述第一电容的正极，所述第二二极管的正极与第一、第二功率开关管之间的电结点之间设有一支路，该支路上设有第一二极管D1，所述第一二极管的正极连接所述第二二极管的正极。其中，电容C1、C2用于稳压，电感用于L1、L2稳纹波。
并且，设置当所述宽输入范围DC-DC放电电路运行时，所述第一、第二功率开关管的开关状态处于互补状态，且设有一定的死区时间。
所述第一、第二功率开关管可以为MOS管、IGBT管、碳化硅SiC功率器件或IGCT可控型功率开关器件。
所述第一、第二功率开关管各自的集电极和发射极之间，或者源极和漏极之间反向并联还可以设有阻尼二极管，或者，所述第一、第二功率开关管采用含有反向并联的阻尼二极管的复合功率开关管。阻尼二极管具有较高的反向工作电压和峰值电流，正向压降小，当第一、第二功率开关管特别是用在感性负载中开关时关断的一瞬间，给产生的与关断电流反向的自感电动势提供一个泄放通路，从而起到保护相应功率开关管的作用。
所述第一、第二功率开关管优选采用同种型号的开关管，且二者同向串联连接.当所述第一、第二功率开关管为P型器件时，与所述第二电容的负极相连的所述桥臂单元的一端为所述第二功率开关管的发射极或源极，统称为发射极端；当所述第一、第二功率开关管采用N器件时，与所述第二电容的负极相连的所述桥臂单元的一端为所述第二功率开关管的集电极或漏极，统称为集电极端。
具体到图3所示的拓扑结构，所述第一功率开关管S1的发射极端、所述第二功率开关管S2的集电极端以及所述滤波稳压单元的正输出端相连接，所述第一功率开关管的集电极端连接所述第二电容的正极，所述第二功率开关管的发射极端、所述第二电容的负极以及所述第一电容的负极端相连接。
如图4所示，当S1导通、S2不导通时，A点电压被钳位在uO，二极管D1不导通。电流在L1、D2、L2、S1和外电阻（也称为外部负载或电池模块）中形成回路，开关导通期间电感L1、L2上的电流减小。如图5所示，当S1不导通、S2导通时，A点电压被钳位在电源负极电位，电感L1电流通过D1、S2形成回路，电感L2与C1、S2形成回路，开关导通期间，电感L1、L2上的电流增大。
通过调节PWM波占空比可以控制第一、第二功率开关管S1、S2的开、断，从而实现对升压比和输出电压的控制。高增益比的电路通过两级升压实现。从输入电压ui到第一电容C1上的电压uC1，电压升高一级，升压比为k1；从uC1到输出电压uO，电压再升高一级，升压比为k2。电路的实际升压比k为这两级升压比的乘积：k=k1×k2。 
通过这样的两级升压，可将电路的最高升压比提升至10倍以上，极大地扩展了DC-DC变换电路的升压范围。
对于上述任意一种技术方案，还优选设有双路切换开关S，所述双路切换开关设在所述正输入端与第一电感之间以及所述正输入端与第一电容的正极之间，其一路的电接点K1连接所述电感支路的靠近第一电感的一端，另一路的电接点K2连接所述第一电容的正极，所述宽输入范围DC-DC放电电路的正输入端连接所述双路切换开关的两路的公共端。
双路切换开关S闭合在K2点时，该电路成为单级的传统的宽输入范围DC-DC放电电路。此时第二电感L2上的电流iL可以为负，可实现对低压侧直流电源模块的充电。通过调节PWM波占空比控制第一、第二功率开关管S1、S2的开、断，实现对充电电流的控制。
双路切换开关S闭合在K1点时，该电路即成为上述的高升压比的宽输入范围DC-DC放电电路，可实现DC/DC的高增益比升压，可用于电源电压较低时的输出控制。
切换开关S的设置使得该电路具备了单级与双级并存的特点。
所述双路切换开关可以为机械开关、电子开关或复合开关。并且，实践中不排除实际使用多于两路的切换开关。
本发明在传统DC-DC变换器的基础之上仅通过增加切换开关、二极管和电容等器件，就实现了一种宽输入范围、高升压比的DC-DC变换电路。该电路可广泛应用于具有高增益比变换要求的应用场合。

Claims (8)

1.一种宽输入范围DC-DC放电电路，其特征在于包括第一、第二电感，第一、第二电容以及由第一、第二功率开关管串联组成的桥臂单元，所述桥臂单元与所述第二电容连接形成回路，所述第一、第二电感串联构成电感支路，两电感之间的电结点连接第一电容的正极，第一、第二电容的负极相连接并构成负输入端和负输出端，所述电感支路的靠近第一电感的一端构成正输入端，靠近第二电感的一端连接所述第一、第二功率开关管之间的电结点，第二电容的正极构成正输出端，所述第一、第二电感之间串接有第二二极管，所述第二二极管的负极连接所述第一电容的正极，所述第二二极管的正极与第一、第二功率开关管之间的电结点之间设有一支路，该支路上设有第一二极管，所述第一二极管的正极连接所述第二二极管的正极。
2.如权利要求1所述的宽输入范围DC-DC放电电路，其特征在于其运行时，所述第一、第二功率开关管的开关状态处于互补状态，且设有一定的死区时间。
3.如权利要求2所述的宽输入范围DC-DC放电电路，其特征在于所述第一、第二功率开关管为MOS管、IGBT管、碳化硅SiC功率器件或IGCT可控型功率开关器件。
4.如权利要求3所述的宽输入范围DC-DC放电电路，其特征在于所述第一、第二功率开关管各自的集电极和发射极之间，或者源极和漏极之间反向并联阻尼二极管，或者，所述第一、第二功率开关管采用含有反向并联的阻尼二极管的复合功率开关管。
5.如权利要求4所述的宽输入范围DC-DC放电电路，其特征在于所述第一、第二功率开关管采用同种型号的开关管，且为同向串联连接。
6.如权利要求5所述的宽输入范围DC-DC放电电路，其特征在于当所述第一、第二功率开关管为P型器件时，与所述第二电容的负极相连的所述桥臂单元的一端为所述第二功率开关管的发射极或源极；当所述第一、第二功率开关管采用N器件时，与所述第二电容的负极相连的所述桥臂单元的一端为所述第二功率开关管的集电极或漏极。
7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的宽输入范围DC-DC放电电路，其特征在于所述正输入端与第一电感之间以及所述正输入端与第一电容的正极之间连接有双路切换开关。
8. 如权利要求7所述的宽输入范围DC-DC放电电路，其特征在于所述双路切换开关为机械开关、电子开关或机电复合开关。
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