CN107658863B - 抑制直流容性负载投切对直流微网冲击的电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抑制直流容性负载投切对直流微网冲击的电路。该适用于DC‑DC开关电源的软启动电路，将该软启动电路并联到直流容性负载的两端，在投切开关进行投切操作时，软启动电路能够抑制投切操作引起的电流浪涌和电压跌落。通过本发明，解决了直流容性负载的投切导致直流微网的直流母线电压波动大的问题，提高了直流微网系统的稳定性，避免了直流容性负载的投切对同级直流母线上的其他直流负载正常运行产生的干扰。

Description

抑制直流容性负载投切对直流微网冲击的电路
技术领域
本发明涉及电源领域，具体而言，涉及一种抑制直流容性负载投切对直流微网冲击的电路、DC-DC开关电源和直流容性负载。
背景技术
直流微电网是以直流输电的形式，通过直流母线将微电源连接起来的可控微电网，作为一种新型的电网系统，直流微电网可以为个人和企业用户提供高质量的电能。根据结网形式的不同，直流微网可分为三类：单母线结构、双母线结构和双层式母线结构；为了尽量满足不同电压等级的负载用电需求，一般采用双层式母线结构的直流微网。合理的控制策略是保证直流微电网系统稳定运行的基础，直流微网中只需保证母线电压的稳定，即可满足供电侧和负载侧的能量平衡；也就是说，只有维持了供电和用电的能量平衡，才能保证母线电压的稳定。
在220V和48V直流母线拓扑中，一般采用DC-DC开关电源，同时系统会配备直流220V规格和直流48V规格的直流容性负载。当系统稳定运行时，DC-DC开关电源功率保持基本平衡，根据DC-DC开关电源特性，其输入功率和输出功率保持瞬时平衡。当不同功率等级的直流容性负载投切时，DC-DC开关电源输出侧的瞬时功率剧增，这样将导致DC-DC开关电源输入侧和输出侧存在瞬时功率不平衡。
图1是根据相关技术的DC-DC开关电源和直流容性负载的电路结构示意图，如图1所示，该DC-DC开关电源为Buck变换器，Vs为输入端电压源，Q为开关管，L为电感，T为二极管，C为输出端电容，K为直流负载投切开关K。在图1所示的电路结构中，DC-DC开关电源用于实现Buck降压控制电路，输出稳定的220V，作为直流负载的输入电压源。
当直流容性负载投切开关K闭合时，直流容性负载输入端迅速建立220V电压，这样一来，在直流容性负载启动的过程中，会造成220V直流母线的瞬间电压跌落，对直流微网的冲击很大，从而影响直流微网系统的稳定性。
针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明提供了一种抑制直流容性负载投切对直流微网冲击的电路、DC-DC开关电源和直流容性负载，以至少解决现有技术中直流容性负载的投切导致直流微网的直流母线电压波动大的问题。
为解决上述技术问题，根据本实施例的一个方面，本发明提供了一种抑制直流容性负载投切对直流微网冲击的电路，包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C2、电感L2、三端双向开关二极管T2、二极管T3、稳压二极管T4、二极管T5、开关管Q2，其中，
所述电阻R1的一端、所述电阻R2的一端、所述二极管T5的负极与第一端子连接；
所述三端双向开关二极管T2的一个主端子、所述电阻R3的一端与第二端子连接；
所述电感L2的一端与第三端子连接；
所述电阻R1的另一端、所述电容C2的一端、所述三端双向开关二极管T2的另一个主端子、所述二极管T3的负极相互连接；
所述电容C2的另一端、所述二极管T3的正极、所述电阻R2的另一端、所述稳压二极管T4的负极、所述开关管Q2的栅极相互连接；
所述电阻R3的另一端、所述稳压二极管T4的正极、所述开关管Q2的源极相互连接；
所述二极管T5的正极、所述开关管Q2的漏极、所述电感L2的另一端相互连接。
可选地，所述开关管Q2为P沟道绝缘栅增强型场效应管。
可选地，所述第一端子用于与DC-DC开关电源电路的输出端、直流容性负载的一端连接；所述第二端子用于与所述DC-DC开关电源电路的输入端连接；所述第三端子用于与直流容性负载的另一端连接。
为解决上述技术问题，根据本实施例的一个方面，本发明提供了一种DC-DC开关电源，包括：DC-DC开关电源电路、上述的抑制直流容性负载投切对直流微网冲击的电路、投切开关K和直流容性负载，其中，
所述第一端子与所述DC-DC开关电源电路的输出端、直流容性负载的一端连接，所述第二端子与所述DC-DC开关电源电路的输入端连接；所述第三端子与直流容性负载的另一端连接；
所述投切开关K串联在所述DC-DC开关电源电路的输出端和所述第一端子之间，或者串联在所述DC-DC开关电源电路的输入端和所述第二端子之间。
可选地，所述DC-DC开关电源电路包括：电感L1、电容C1、二极管T1、开关管Q1和电源Vs，其中，
所述电感L1的一端、所述电容C1的一端与所述DC-DC开关电源电路的输出端连接；
所述电容C1的另一端、所述二极管T1的正极、所述电源Vs的负极与所述DC-DC开关电源电路的输入端连接；
所述电源的正极与所述开关管Q1的漏极连接；
所述开关管Q1的源极、所述电感L1的另一端、所述二极管T1的负极相互连接；
所述开关管Q1的栅极置空。
可选地，所述开关管Q1为P沟道绝缘栅增强型场效应管。
为解决上述技术问题，根据本实施例的一个方面，本发明提供了一种直流容性负载，包括：上述的抑制直流容性负载投切对直流微网冲击的电路和负载本体，其中，
所述第一端子与所述负载本体的一端连接，所述第三端子与所述负载本体的另一端连接。
可选地，所述直流容性负载还包括：投切开关K，所述投切开关K串接在所述第一端子或者所述第二端子上。
在本发明中，提供了一种适用于DC-DC开关电源的软启动电路，将该软启动电路并联到直流容性负载的两端，在投切开关K进行投切操作时，软启动电路能够抑制投切操作引起的电流浪涌和电压跌落，从而解决了直流容性负载的投切导致直流微网的直流母线电压波动大的问题，提高了直流微网系统的稳定性，避免了直流容性负载的投切对同级直流母线上的其他直流负载正常运行产生的干扰。
附图说明
图1是根据本发明实施例的DC-DC开关电源和直流容性负载的电路结构的示意图；
图2是根据本发明实施例的具有软启动电路的DC-DC开关电源和直流容性负载的电路结构的示意图；
图3是根据相关技术的直流母线电压和直流容性负载电流的波形图；
图4是根据本发明实施例的直流母线电压和直流容性负载电流的波形图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
为了解决直流容性负载的投切对直流微网造成冲击，影响微网系统的稳定性，以及直流容性负载的投切干扰同级直流母线上的其他负载的正常运行的问题，在本发明实施例中提供了一种抑制直流容性负载投切对直流微网冲击的电路、DC-DC开关电源和直流容性负载。
在本实施例中，基于图1所示的电路结构，提供了一种具有软启动电路的DC-DC开关电源和直流容性负载的电路结构。
在图2中，“②”为本发明实施例的抑制直流容性负载投切对直流微网冲击的电路结构、“①+②+K”为本发明实施例的DC-DC开关电源的电路结构、“②+③”或者“②+③+K”为本发明实施例的直流容性负载的电路结构。
参考图2，DC-DC开关电源为Buck变换器，Vs为输入端电压源，Q1为开关管，L1为电感，T1为二极管，C1为输出端电容，K为直流容性负载投切开关K。
在图2所示的电路结构中，DC-DC开关电源用于实现Buck降压控制电路，输出稳定的220V，作为直流容性负载的输入电压源，同时在输出端增加一级软启动电路，软启动电路中，Q2为开关管，R1(阻值为400K)和C2(容值为10nF)为RC充电回路，T3为泄放回路二极管，T2为三端双向可控开关二极管，R3(阻值为0.25Ω)为采样电阻，T4为电压钳位二极管，R2(阻值为6600K)为上拉电阻，T5为续流二极管，L2(感量为180uH)为电感。
图2所示电路的工作原理如下：
当直流容性负载投切开关K闭合时，输入端建立稳定的电压，经过R1和C2充电回路及二极管T4的钳位作用，开关管Q2门级(也称为栅极)得到导通信号，开关管Q2导通，此时电感L2储能；三端双向可控开关二极管T2初始为关断状态，在回路中电流超过一定的限值后，采样电阻R3产生T2导通信号，T2导通后C2两端电压通过二极管T3泄放，开关管Q2截止；此时，电感L2通过二极管T5续流。在容性负载软启动过程中，软启动电路一直重复上述过程，开关管Q2按照一定的开关频率开通关断，直到直流容性负载输入端母线电压稳定建立后，系统整个启动过程完成。由于开关管Q2周期性导通和关断过程中，电感L2存在储能和续流的过程，对直流容性负载启动过程中，电流浪涌和电压跌落现象有较好的抑制作用，直流容性负载可实现软启动。
由于直流容性负载软启动的实现，可减少直流容性负载的投切对直流微网造成冲击，提高直流微网系统的稳定性；另一方面避免了直流容性负载的投切对同级直流母线上的其他直流负载正常运行产生的干扰。
系统实际测试结果如图3和图4所示。
图3为实际系统增加软启动电路前波形，从图3中可知，未增加软启动电路时，瞬时电流冲击值为132A，由于过大的冲击电流导致DC-DC开关电源输出级220V产生50％左右的跌落，从而影响直流微网系统的稳定性且对同级直流母线上的其他直流负载正常运行产生干扰。
图4为实际系统增加软启动电路后波形，从图4中可知，增加软启动电路后，瞬时电流冲击值为21A，由于冲击电流减小，DC-DC开关电源输出级220V的电压跌落仅为20％左右，从而对直流微网系统的稳定性提升有益，且可大幅度减少对同级直流母线上其他直流负载正常运行的干扰。
综上所述，在本发明实施例或者优选实施例中，通过改善DC-DC开关电源带载特性并在直流容性负载输入端增加软启动电路，可较好地解决上述两个技术问题：一方面可减少直流容性负载的投切对直流微网造成冲击，提高直流微网系统的稳定性；另一方面避免了直流容性负载的投切对同级直流母线上的其他直流负载正常运行产生的干扰；系统的功能和性能有着显著的提升。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种抑制直流容性负载投切对直流微网冲击的电路，其特征在于，包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C2、电感L2、三端双向开关二极管T2、二极管T3、稳压二极管T4、二极管T5、开关管Q2，其中，
所述电阻R1的一端、所述电阻R2的一端、所述二极管T5的负极与第一端子连接；
所述三端双向开关二极管T2的一个主端子、所述电阻R3的一端与第二端子连接；
所述电感L2的一端与第三端子连接；
所述电阻R1的另一端、所述电容C2的一端、所述三端双向开关二极管T2的另一个主端子、所述二极管T3的负极相互连接；
所述电容C2的另一端、所述二极管T3的正极、所述电阻R2的另一端、所述稳压二极管T4的负极、所述开关管Q2的栅极相互连接；
所述电阻R3的另一端、所述稳压二极管T4的正极、所述开关管Q2的源极、所述三端双向开关二极管T2的栅极相互连接；
所述二极管T5的正极、所述开关管Q2的漏极、所述电感L2的另一端相互连接。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述开关管Q2为P沟道绝缘栅增强型场效应管。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一端子用于与DC-DC开关电源电路的输出端、直流容性负载的一端连接；所述第二端子用于与所述DC-DC开关电源电路的输入端连接；所述第三端子用于与直流容性负载的另一端连接。
4.一种DC-DC开关电源，其特征在于，包括：DC-DC开关电源电路、如权利要求1至3中任一项所述的抑制直流容性负载投切对直流微网冲击的电路、投切开关K和直流容性负载，其中，
所述第一端子与所述DC-DC开关电源电路的输出端、直流容性负载的一端连接，所述第二端子与所述DC-DC开关电源电路的输入端连接；所述第三端子与直流容性负载的另一端连接；
所述投切开关K串联在所述DC-DC开关电源电路的输出端和所述第一端子之间，或者串联在所述DC-DC开关电源电路的输入端和所述第二端子之间。
5.根据权利要求4所述的DC-DC开关电源，其特征在于，所述DC-DC开关电源电路包括：电感L1、电容C1、二极管T1、开关管Q1和电源Vs，其中，
所述电感L1的一端、所述电容C1的一端与所述DC-DC开关电源电路的输出端连接；
所述电容C1的另一端、所述二极管T1的正极、所述电源Vs的负极与所述DC-DC开关电源电路的输入端连接；
所述电源的正极与所述开关管Q1的漏极连接；
所述开关管Q1的源极、所述电感L1的另一端、所述二极管T1的负极相互连接；
所述开关管Q1的栅极置空。
6.根据权利要求5所述的DC-DC开关电源，其特征在于，所述开关管Q1为P沟道绝缘栅增强型场效应管。
7.一种直流容性负载，其特征在于，包括：如权利要求1至3中任一项所述的抑制直流容性负载投切对直流微网冲击的电路和负载本体，其中，
所述第一端子与所述负载本体的一端连接，所述第三端子与所述负载本体的另一端连接。
8.根据权利要求7所述的直流容性负载，其特征在于，所述直流容性负载还包括：投切开关K，所述投切开关K串接在所述第一端子或者所述第二端子上。
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