CN103427659A - 电能转换系统、dc-dc变换器及其电压尖峰抑制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电转换领域，提供了一种电能转换系统、DC-DC变换器及其电压尖峰抑制电路。本发明通过在DC-DC变换器中采用包括钳位储能模块和电能转移模块的电压尖峰抑制电路，钳位储能模块将所述第一开关管的输入端所产生的电压尖峰进行钳位处理并储存电能，再由电能转移模块在控制器检测钳位储能模块的输出端对地的电压并相应地输出控制信号时，根据该控制信号将钳位储能模块所储存的电能转移至电容C2，实现了对电压尖峰的抑制，并将抑制电压尖峰所储存的电能转移至电容C2，最后由电容C2向负载供电，降低了第一开关管的开关损耗，有助于延长第一开关管的使用寿命，进而提高DC-DC变换器的直流电转换效率和可靠性，且降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于电转换领域，尤其涉及一种电能转换系统、DC-DC变换器及其电压尖峰抑制电路。
背景技术
随着煤炭、石油、天然气等不可再生资源的减少，能源危机和环境污染问题日益严重，因此，对清洁能源的开发和有效利用就成为了一个迫切需要解决的问题。目前，太阳能、风能、地热能等无污染的新能源已经被广泛利用并由相应的发电系统转换成电力供给，而在对应的光伏发电系统、风能发电系统、地热能发电系统等发电系统中，DC-DC变换器是一个重要的组成部分，其用于将光能、风能或地热能等能量进行转换所获取的电能进行电压变换后输送至电池进行储能，或者将电池中的电能进行电压转换后提供给用电设备。对于现有的新能源发电系统中的DC-DC变换器，由于耦合电感的漏感和引线电感等参数的影响，DC-DC变换器中的用于电压变换的开关管会在关断时在其输入端与输出端（如果该开关管为NMOS管，则NMOS管的漏极和源极分别为输入端和输出端）之间产生较高的电压尖峰，该电压尖峰会导致开关管的开关损耗增大，并会进而缩短其使用寿命，从而降低了直流电转换效率和可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种DC-DC变换器的电压尖峰抑制电路，旨在对DC-DC变换器中的开关管的输入端实现电压尖峰抑制，以达到减小开关管的开关损耗和延长开关管的使用寿命，并进而提升DC-DC变换器的直流电转换效率和可靠性的目的。
本发明是这样实现的，一种DC-DC变换器的电压尖峰抑制电路，与所述DC-DC变换器中的耦合电感T1、第一开关管、二极管D3、电容C2及控制器连接，所述耦合电感T1的初级线圈的异名端和次级线圈的同名端共接于所述第一开关管的输入端，所述第一开关管的输入端在所述第一开关管关断时会产生电压尖峰；所述控制器控制所述第一开关管的通断；所述二极管D3的阴极和所述电容C2的正极共接向负载的输入正端供电；所述电容C2的负极连接所述负载的输入负端；
所述电压尖峰抑制电路包括：
将所述第一开关管的输入端所产生的电压尖峰进行钳位处理并储存电能的钳位储能模块；以及
在所述控制器检测所述钳位储能模块的输出端对地的电压并相应地输出控制信号时，根据所述控制信号将所述钳位储能模块所储存的电能转移至所述电容C2的电能转移模块；
所述钳位储能模块的输入端连接所述第一开关管的输入端、所述耦合电感T1的初级线圈的异名端和次级线圈的同名端，所述钳位储能模块的输出端连接所述控制器，所述钳位储能模块的地端与所述第一开关管的输出端共接于地，所述电能转移模块的输入端连接所述钳位储能模块的输出端，所述电能转移模块的输出端连接所述电容C2的正极，所述电能转移模块的控制端连接所述控制器，所述电能转移模块的地端与所述电容C2的负极共接于地。
本发明还提供了一种包括所述电压尖峰抑制电路的DC-DC变换器。
本发明还提供了一种包括所述DC-DC变换器的电能转换系统。
本发明通过在DC-DC变换器中采用包括钳位储能模块和电能转移模块的电压尖峰抑制电路，钳位储能模块将所述第一开关管的输入端所产生的电压尖峰进行钳位处理并储存电能，再由电能转移模块在控制器检测钳位储能模块的输出端对地的电压并相应地输出控制信号时，根据该控制信号将钳位储能模块所储存的电能转移至电容C2，实现了对电压尖峰的抑制，并将抑制电压尖峰所储存的电能转移至电容C2，最后由电容C2向负载供电，有效地降低了第一开关管的开关损耗，有助于延长第一开关管的使用寿命，进而提高了DC-DC变换器的直流电转换效率和可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的包括电压尖峰抑制电路的DC-DC变换器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的包括电压尖峰抑制电路的DC-DC变换器的电路结构图；
图3是本发明实施例提供的包括电压尖峰抑制电路的DC-DC变换器的示例电路结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例通过在DC-DC变换器中采用包括钳位储能模块和电能转移模块的电压尖峰抑制电路，实现了对电压尖峰的抑制，并将抑制电压尖峰所储存的电能转移至电容C2，最后由电容C2向负载供电，有效地降低了第一开关管的开关损耗，有助于延长第一开关管的使用寿命，进而提高了DC-DC变换器的直流电转换效率和可靠性。
图1示出了本发明实施例提供的包括电压尖峰抑制电路的DC-DC变换器的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分，详述如下：
DC-DC变换器包括耦合电感T1、第一开关管200、二极管D3、电容C2及控制器300，耦合电感T1的初级线圈的同名端1接入直流电DC，耦合电感T1的初级线圈的的异名端3和次级线圈的同名端2共接于第一开关管200的输入端，耦合电感T1的次级线圈的异名端4连接二极管D3的阳极，第一开关管200的控制端和地端分别连接控制器300和地，第一开关管200的输入端在第一开关管200关断时会产生电压尖峰；控制器300控制第一开关管200的通断；二极管D3的阴极和电容C2的正极共接向负载400的输入正端供电；电容C2的负极连接负载400的输入负端。
DC-DC变换器还包括电压尖峰抑制电路100，电压尖峰抑制电路100与耦合电感T1、第一开关管200、二极管D3、电容C2及控制器300连接。
电压尖峰抑制电路100包括：
将第一开关管200的输入端所产生的电压尖峰进行钳位处理并储存电能的钳位储能模块101；以及
在控制器300检测钳位储能模块101的输出端对地的电压并相应地输出控制信号时，根据该控制信号将钳位储能模块101所储存的电能转移至电容C2的电能转移模块102。
钳位储能模块101的输入端连接第一开关管200的输入端、耦合电感T1的初级线圈的异名端3和次级线圈的同名端2，钳位储能模块101的输出端连接控制器300，钳位储能模块101的地端与第一开关管200的输出端共接于地，电能转移模块102的输入端连接钳位储能模块101的输出端，电能转移模块102的输出端连接电容C2的正极，电能转移模块102的控制端连接控制器300，电能转移模块102的地端与电容C2的负极共接于地。
图2示出了本发明实施例提供的包括电压尖峰抑制电路的DC-DC变换器的电路结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分，详述如下：
作为本发明一实施例，第一开关管200可以是三极管、MOS管、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）或其他具备开关特性的半导体器件；如图3所示，当第一开关管200为NMOS管Q1时，NMOS管Q1的栅极、漏极和源极分别为第一开关管200的控制端、输入端和输出端，则电压尖峰就是产生于NMOS管Q1的漏极，同时该电压尖峰会使NMOS管Q1的漏极与源极之间的电压应力变大，并进而增大NMOS管Q1的开关损耗。
作为本发明一实施例，钳位储能模块101包括第一半导体开关1011和电容C1，第一半导体开关1011的输入端为钳位储能模块101的输入端，第一半导体开关1011的输出端与电容C1的第一端的共接点为钳位储能模块101的输出端，电容C1的第二端为钳位储能模块101的地端。
其中，第一半导体开关1011具体可以是二极管、三极管、MOS管、IGBT或其他具备开关特性的半导体器件；如图3所示，当第一半导体开关1011为二极管D1时，二极管D1的阳极和阴极分别为第一半导体开关1011的输入端和输出端；而当第一半导体开关1011为三极管、MOS管、IGBT或其他具备开关特性的半导体器件时，第一半导体开关1011还连接控制器300，并由控制器300进行通断控制（即控制器300控制第一半导体开关1011的通断），并以实现二极管特性为目的确定所选用的半导体器件的端极与第一半导体开关1011的输入端和输出端的对应关系。
作为本发明一实施例，电能转移模块102包括：
电感L1、第二开关管1021以及第二半导体开关管1022；
电感L1的第一端为电能转移模块102的输入端，电感L1的第二端与第二开关管1021的输入端共接于第二半导体开关管1022的输入端，第二半导体开关管1022的输出端为电能转移模块102的输出端，第二开关管1021的控制端和输出端分别为电能转移模块102的控制端和地端。
其中，第二开关管1021具体可以是三极管、MOS管、IGBT或其他具备开关特性的半导体器件；如图3所示，当第二开关管1021为NMOS管Q2时，NMOS管Q2的栅极、漏极和源极分别为第二开关管1021的控制端、输入端和输出端。
第二半导体开关1022具体可以是二极管、三极管、MOS管、IGBT或其他具备开关特性的半导体器件；如图3所示，当第二半导体开关1022为二极管D2时，二极管D2的阳极和阴极分别为第二半导体开关1022的输入端和输出端；而当第二半导体开关1022为三极管、MOS管、IGBT或其他具备开关特性的半导体器件时，第二半导体开关1022还连接控制器300，并由控制器300进行通断控制（即控制器300控制第一半导体开关1011的通断），并以实现二极管特性为目的确定所选用的半导体器件的端极与第二半导体开关1022的输入端和输出端的对应关系。
以下结合图3对电压尖峰抑制电路100在DC-DC变换器中的工作原理进行说明：
在DC-DC变换器工作时，由于耦合电感T1的初级线圈的异名端3和次级线圈的同名端2存在漏感和引线电感等干扰因素，使得NMOS管Q1在关断时其漏极会产生较高的电压尖峰，这会无形中增大NMOS管Q1的漏极与源极之间的电压应力，进而使NMOS管Q1的开关损耗增大，并大大缩短其使用寿命。
由于电压尖峰抑制电路100的存在，NMOS管Q1的漏极的电压尖峰会通过二极管D1被钳位为电容C1的电压，同时电容C1会将抑制电压尖峰所获得的电能进行储存，这样就等于将电压尖峰进行了有效的吸收以降低NMOS管Q1的漏极与源极之间的电压应力；在此过程中，控制器300会对电容C1两端的电压进行检测，并相应地输出控制信号使NMOS管Q2实现相应的通断。由电感L1、NMOS管Q2及二极管D2组成的电能转移电路将电容C1所储存的电能转移至电容C2，最后再由电容C2将这部分电能输出为负载400供电。因此，通过上述电压尖峰抑制电路100对NMOS管Q1漏极的电压尖峰进行抑制和吸收，降低了NMOS管Q1的漏极与源极之间的电压应力，减小了NMOS管Q1的开关损耗，有利于延长NMOS管的使用寿命，进而使DC-DC变换器的直流电转换效率和可靠性得到显著的提高。
此外，从上述内容可知，第一开关管200（如NMOS管Q1）的输入端与输出端之间的电压（即NMOS管Q1的漏极-源极电压VDS）减小，这就使得在对第一开关管200进行选型时可以选择漏极-源极电压应力更小、导通电阻更小且成本较低的半导体开关器件以实现相同的开关功能，能够降低电路成本。
本发明实施例还提供了一种包括上述DC-DC变换器的电能转换系统，该电能转换系统可以是将市电转换为直流电的交直转换系统或者新能源发电系统，其中，新能源发电系统可以是太阳能发电系统、风能发电系统或地热能发电系统等对可再生能源进行利用以实现电力输出的发电系统。
本发明实施例通过在DC-DC变换器中采用包括钳位储能模块和电能转移模块的电压尖峰抑制电路，钳位储能模块将所述第一开关管的输入端所产生的电压尖峰进行钳位处理并储存电能，再由电能转移模块在控制器检测钳位储能模块的输出端对地的电压并相应地输出控制信号时，根据该控制信号将钳位储能模块所储存的电能转移至电容C2，实现了对电压尖峰的抑制，并将抑制电压尖峰所储存的电能转移至电容C2，最后由电容C2向负载供电，有效地降低了第一开关管的开关损耗，有助于延长第一开关管的使用寿命，进而提高了DC-DC变换器的直流电转换效率和可靠性，且降低了成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种DC-DC变换器的电压尖峰抑制电路，与所述DC-DC变换器中的耦合电感T1、第一开关管、二极管D3、电容C2及控制器连接，所述耦合电感T1的初级线圈的异名端和次级线圈的同名端共接于所述第一开关管的输入端，所述第一开关管的输入端在所述第一开关管关断时会产生电压尖峰；所述控制器控制所述第一开关管的通断；所述二极管D3的阴极和所述电容C2的正极共接向负载的输入正端供电；所述电容C2的负极连接所述负载的输入负端；其特征在于，所述电压尖峰抑制电路包括：
将所述第一开关管的输入端所产生的电压尖峰进行钳位处理并储存电能的钳位储能模块；以及
在所述控制器检测所述钳位储能模块的输出端对地的电压并相应地输出控制信号时，根据所述控制信号将所述钳位储能模块所储存的电能转移至所述电容C2的电能转移模块；
所述钳位储能模块的输入端连接所述第一开关管的输入端、所述耦合电感T1的初级线圈的异名端和次级线圈的同名端，所述钳位储能模块的输出端连接所述控制器，所述钳位储能模块的地端与所述第一开关管的输出端共接于地，所述电能转移模块的输入端连接所述钳位储能模块的输出端，所述电能转移模块的输出端连接所述电容C2的正极，所述电能转移模块的控制端连接所述控制器，所述电能转移模块的地端与所述电容C2的负极共接于地。
2.如权利要求1所述的电压尖峰抑制电路，其特征在于，所述钳位储能模块包括第一半导体开关和电容C1，所述第一半导体开关的输入端为所述钳位储能模块的输入端，所述第一半导体开关的输出端与电容C1的第一端的共接点为所述钳位储能模块的输出端，所述电容C1的第二端为所述钳位储能模块的地端。
3.如权利要求2所述的电压尖峰抑制电路，其特征在于，所述第一半导体开关是二极管、三极管、MOS管或绝缘栅双极型晶体管。
4.如权利要求3所述的电压尖峰抑制电路，其特征在于，当所述第一半导体开关为二极管时，所述二极管的阳极和阴极分别为所述第一半导体开关的输入端和输出端；
当所述第一半导体开关为三极管、MOS管或绝缘栅双极型晶体管时，所述第一半导体开关还连接所述控制器，并由所述控制器进行通断控制。
5.如权利要求1所述的电压尖峰抑制电路，其特征在于，所述电能转移模块包括：
电感L1、第二开关管以及第二半导体开关管；
所述电感L1的第一端为所述电能转移模块的输入端，所述电感L1的第二端与所述第二开关管的输入端共接于所述第二半导体开关管的输入端，所述第二半导体开关管的输出端为所述电能转移模块的输出端，所述第二开关管的控制端和输出端分别为所述电能转移模块的控制端和地端。
6.如权利要求5所述的电压尖峰抑制电路，其特征在于，所述第二开关管是三极管、MOS管或绝缘栅双极型晶体管。
7.如权利要求5所述的电压尖峰抑制电路，其特征在于，所述第二半导体开关是二极管、三极管、MOS管或绝缘栅双极型晶体管。
8.如权利要求7所述的电压尖峰抑制电路，其特征在于，当所述第二半导体开关为二极管时，所述二极管的阳极和阴极分别为所述第二半导体开关的输入端和输出端；
当所述第二半导体开关为三极管、MOS管或绝缘栅双极型晶体管时，所述第二半导体开关还连接所述控制器，并由所述控制器进行通断控制。
9.一种DC-DC变换器，其特征在于，所述DC-DC变换器包括如权利要求1-8任一项所述的电压尖峰抑制电路。
10.一种电能转换系统，其特征在于，所述电能转换系统包括如权利要求9所述的DC-DC变换器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20131204 |