CN109586387A - 一种斩波电路及供电系统 - Google Patents

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Abstract

一种斩波电路，包括：第一斩波电路，其第一端口和第二端口用于分别与第一外接电源的正极和负极连接；支撑电容，其连接在第一斩波电路的第三端口和第四端口之间；第二斩波电路，其第一端口和第二端口用于分别与第二外接电源的正极和负极连接，第三端口和第四端口分别与支撑电容的两端连接。该斩波电路可以进行双向斩波，电路的两组电源端口都可以实现升压斩波以及降压斩波，因此其不再需要保证第一外接电源侧的电压始终高于第二外接电源侧的电压，从而扩大了电路输入输出电压的使用范围。

Description

一种斩波电路及供电系统
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体地说，涉及一种斩波电路及供电系统。
背景技术
现在城市轨道交通正在飞速发展，绿色、环保是当前和未来的发展方向。储能式低地板有轨电车作为该领域中的一匹黑马，正逐渐成为各大、中型城市解决市内交通拥挤问题的首选，储能式低地板有轨电车采用超级电容储能并驱动电车行驶，不再需要城市电车架空电网线，具有安全、美观、舒适、环保等优点。
目前，储能式低地板有轨电车采用超级电容驱动电车行驶，超级电容具备大电流充放电的能力，非常适合应用于储能式低地板有轨电车。但是，超级电容的储存能量的能力不大，这也就使得储能式低地板有轨电车每行驶3到4公里就需要充电一次，相当于每个站必须安装充电站来对低地板车进行充电。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种斩波电路，所述斩波电路包括：
第一斩波电路，其第一端口和第二端口用于分别与第一外接电源的正极和负极连接；
支撑电容，其连接在所述第一斩波电路的第三端口和第四端口之间；
第二斩波电路，其第一端口和第二端口用于分别与第二外接电源的正极和负极连接，第三端口和第四端口分别与所述支撑电容的两端连接。
根据本发明发明的一个实施例，所述斩波电路包括多重并联的第一斩波电路和/或多重并联的第二斩波电路。
根据本发明发明的一个实施例，所述第一斩波电路包括：
第一电感器，其第一端口形成所述第一斩波电路的第一端口；
第一IGBT模块，其发射极与所述第一电感器的第二端口连接，集电极形成所述第一斩波电路的第三端口并与所述支撑电容的一端连接；
第二IGBT模块，其集电极与所述第一IGBT模块的发射极连接，发射极形成所述第一斩波电路的第二端口和第四端口并与所述第一外接电源的负极和支撑电容的另一端连接。
根据本发明发明的一个实施例，所述第二斩波电路包括：
第二电感器，其第一端口形成所述第二斩波电路的第一端口；
第三IGBT模块，其集电极形成所述第二斩波电路的第三端口并与所述第一IGBT模块的集电极连接，发射极与所述第二电感器的第二端口连接；
第四IGBT模块，其集电极与所述第三IGBT模块的发射极连接，发射极形成所述第四斩波电路的第二端口和第四端口分别与所述第二外接电源的负极和第一斩波电路的第四端口连接。
根据本发明发明的一个实施例，所述第一外接电源的负极与第二外接电源的负极连接。
本发明还提供了一种供电系统，所述供电系统包括：第一外接电源、如上任一项所述的斩波电路和第二外接电源。
根据本发明发明的一个实施例，所述第一外接电源包括超级电容，所述第二外接电源包括蓄电池。
本发明所提供的斩波电路所包含的功率模块均是可控的，因此当第一外接电源(例如超级电容)或第二外接电源(例如蓄电池)侧发生短路时，该斩波电路均可以通过控制第二斩波电路或第一斩波电路断开第一外接电源与第二外接电源之间的电连接，从而实现第一外接电源与第二外接电源的隔离，这样也就保障了第一外接电源和第二外接电源的安全。
现有的斩波电路在使用过程中必须保证第一外接电源侧电压始终高于第二外接电源侧电压。此外，对于现有的斩波电路来说，如果第一外接电源与第二外接电源的工作电压范围存在重合，那么斩波电路将无法充分利用第一外接电源与第二外接电源的储电能力。
然而对于本发明所提供的斩波电路来说，由于其可以进行双向斩波，电路的两组电源端口都可以实现升压斩波以及降压斩波，因此其不再需要保证第一外接电源侧的电压始终高于第二外接电源侧的电压，从而扩大了电路输入输出电压的使用范围。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：
图1是现有的斩波电路的电路示意图；
图2是根据本发明一个实施例的电车供电系统的电路示意图；
图3至图6是根据本发明一个实施例的不同工况下斩波电路中电能流向示意图；
图7是根据本发明另一个实施例的电车供电系统的电路示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。
储能式低地板车有轨电车主要依靠超级电容大电流放电的能力进行驱动车辆行驶，但由于超级电容一次储存能量有限，因此这种储能式低地板电车不能持续行驶。在电车上配置大容量的蓄电池有助于给超级电容随时补充能量，从而增加电车续航能力。但超级电容与蓄电池之间存在电压不相同的问题，因此超级电容与蓄电池不能直接并联在一起，必须在两者间增加直-直变换器，利用该变换器来进行两者间的能量交换。
在大功率直-直能量变换领域中，大多数电路采用如图1所示的传统非隔离Buck-Boost等斩波电路来进行电压变换。当需要对蓄电池102进行充电时，由于蓄电池102的工作电压小于超级电容101的工作电压，因此超级电容101所提供的电能则会通过斩波电路103来进行降压斩波，并将斩波后的电能传输至蓄电池102。而当需要对超级电容进行充电时，由于蓄电池102的工作电压小于超级电容101的工作电压，因此蓄电池102所提供的电能将会通过斩波电路103来进行升压斩波，并将斩波后的电能传输至超级电容101。
然而，对于图1所示的斩波电路来说，其在工作过程中必须保证超级电容101侧的电压始终高于蓄电池102的电压。如果超级电容101侧的电压小于蓄电池102的电压，那么则第一IGBT模块VT1中的续流二极管将正向导通，这也就相当于蓄电池102直接并联在超级电容101上，蓄电池102所提供的电能将通过第一IGBT模块VT1的续流二极管为超级电容101充电。这种充电方式不可控，并且存在电流过大的问题，容易造成第一IGBT模块VT1及蓄电池直接损坏。
针对现有技术中所存在的上述问题，本实施例提供了一种新的斩波电路以及应用该斩波电路的电车供电系统，图2示出了该电车供电系统的电路示意图。
如图2所示，本实施例所提供的电车供电系统包括：第一外接电源201、斩波电路200以及第二外接电源202。其中，斩波电路200设置在第一外接电源201与第二外接电源202之间，其能够将第一外接电源201提供的电能传输至第二外接电源202，或是将第二外接电源202所提供的电能传输至第一外接电源101。
本实施例中，第一外接电源201优选地包括超级电容，第二外接电源202优选地包括蓄电池。当然，在本发明的其它实施例中，第一外接电源201和第二外接电源202还可以采用其它合理的直流电源来实现，本发明不限于此。
具体地，本实施例中，斩波电路200优选地包括：第一斩波电路203、第二斩波电路204以及支撑电容Cd。第一斩波电路203的第一端口和第二端口分别与第一外接电源201的正极和负极连接，第二斩波电路204的第一端口和第二端口分别与第二外接电源202的正极和负极连接，第一斩波电路203的第三端口和第四端口分别与第二斩波电路204的第三端口和第四端口对应连接，支撑电容Cd连接在第一斩波电路的第三端口和第四端口之间。
具体地，本实施例中，第一斩波电路203优选地包括：第一电感器L1、第一IGBT模块VT1和第二IGBT模块VT2。其中，第一电感器L1的第一端口形成第一斩波电路203的第一端口来与第一外接电源201的正极连接，第一电感器L1的第二端口与第一IGBT模块VT1的发射极连接，第一IGBT模块VT1的集电极形成第一斩波电路203的第三端口并与支撑电容Cd的一端连接。
第二IGBT模块VT2的集电极与第一IGBT模块VT1的发射极连接，发射极形成第一斩波电路203的第二端口和第四端口并分别与第一外接电源201的负极和支撑电容Cd的另一端连接。
类似地，本实施例中，第二斩波电路204优选地包括：第二电感器L2、第三IGBT模块VT3和第四IGBT模块VT4。其中，第二电感器L2的第一端口形成第二斩波电路204的第一端口与第二外接电源202的正极连接，第二电感器L2的第二端口与第三IGBT模块VT3的发射极连接，第三IGBT模块VT3的集电极形成第二斩波电路204的第三端口并与支撑电容Cd的一端以及第一斩波电路203的第三端口连接。
第四IGBT模块VT4的集电极与第三IGBT模块VT3的发射极连接，发射极形成第二斩波电路204的第二端口和第四端口并分别与第二外接电源202的负极和支撑电容Cd的另一端连接。本实施例中，第一外接电源201的负极与第二外接电源202的负极连接，即第一外接电源201与第二外接电源202的共地。
现有的斩波电路在第一外接电源201侧发生短路时，第二外接电源202所提供的电能将会通过IGBT模块VT1中的续流二极管直接传输至第一外接电源201，这样很可能会造成第一外接电源201和第二外接电源202损坏。对于本实施例所提供的斩波电路来说，由于斩波电路中所包含的四个IGBT模块均是可控的，因此当第一外接电源201或第二外接电源202侧发生短路时，该斩波电路均可以通过控制第二斩波电路或第一斩波电路断开第一外接电源201与第二外接电源202之间的电连接，从而实现第一外接电源201与第二外接电源202的隔离，这样也就保障了第一外接电源201和第二外接电源202的安全。
此外，对于本实施例所提供的电车供电系统来说，当输入、输出电压不平衡时，该系统还可以利用第一IGBT模块VT1和第三IGBT模块VT3两个IGBT模块来充当电子开关，从而隔离斩波电路的输入端与输出端两端的电源，进而防止电源通过反相二极管并联。
本实施例中，当需要对第二外接电源202进行充电并且第一外接电源201的电压高于第二外接电源202的电压时，第一IGBT模块VT1的续流二极管将正向导通，这样第一电感器L1与支撑电容Cd将构成LC滤波电路，其不但能够保证第二斩波电路204的输入电流的连续性，还能够消除第一外接电源201侧电压波动的影响。通过相应的控制信号(例如PWM信号)来控制第三IGBT模块VT3进行降压斩波，并利用第四IGBT模块VT4的续流二极管进行续流，这样第二斩波电路204也就可以将第一外接电源201所提供的电压降压为适合第二外接电源202使用需求的电压。在此过程中，斩波电路中电能流向如图3所示。
而当需要对第二外接电源202进行充电并且第一外接电源201的电压低于第二外接电源202的电压时，由于第一外接电源201的电压低于第二外接电源202的电压，因此如果需要利用第一外接电源201来为第二外接电源202充电，那么也就需要对第一外接电源201提供的电能进行升压处理。因此可以采用相应的控制信号来控制第二IGBT模块VT2来对第一外接电源201提供的电能进行斩波，从而使得中间直流电压高于第二外接电源202侧的电压。随后再利用第二斩波电路204来进行降压斩波来输出符合第二外接电源202使用需求的电压。根据实际需要，该斩波电路还可以直接导通第三IGBT模块VT3，利用第一斩波电路203所提供的电压来调节第二外接电源202侧的电压，在此过程中，第二电感器L2与支撑电容Cd同样构成了LC滤波电路，斩波电路中电能流向如图4所示。
当需要对第一外接电源201进行充电并且第一外接电源201的电压低于第二外接电源202的电压时，第三IGBT模块VT3的续流二极管将正向导通，这样第二电感器L2与支撑电容Cd将构成LC滤波电路，其不但能够保证第一斩波电路203的输入电流的连续性，还能够消除第二外接电源204侧电压波动的影响。通过相应的控制信号(例如PWM信号)来控制第一IGBT模块VT1进行降压斩波，并利用第二IGBT模块VT2的续流二极管进行续流，这样第一斩波电路204也就可以将第二外接电源202所提供的电压降压为适合第一外接电源201使用需求的电压。在此过程中，斩波电路中电能流向如图5所示。
而当需要对第一外接电源201进行充电并且第一外接电源201的电压高于第二外接电源202的电压时，由于第一外接电源201的电压高于第二外接电源202的电压，因此如果需要利用第二外接电源202来为第一外接电源201充电，那么也就需要对第二外接电源202提供的电能进行升压处理。因此可以采用相应的控制信号来控制第四IGBT模块VT4来对第二外接电源202所提供的电能进行斩波，从而使得中间直流电压高于第一外接电源201侧的电压。随后再利用第一斩波电路203来进行降压斩波来输出符合第一外接电源201使用需求的电压。根据实际需要，该斩波电路还可以直接导通第一IGBT模块VT1，利用第二斩波电路204所提供的电压来调节第一外接电源201侧的电压，在此过程中，第一电感器L1与支撑电容Cd同样构成了LC滤波电路，斩波电路中电能流向如图6所示。
现有的斩波电路在使用过程中必须保证第一外接电源201侧电压始终高于第二外接电源202侧电压。此外，对于现有的斩波电路来说，如果第一外接电源201与第二外接电源202的工作电压范围存在重合，那么斩波电路将无法充分利用第一外接电源201与第二外接电源202的储电能力。例如，如果超级电容的工作电压范围为DC300V～900V，蓄电池的工作电压范围为DC400V～500V，对于现有的斩波电路来说，超级电容的电压将无法放电到DC400V以下，这样也就无法充分利用超级电容所存储的电能。
然而对于本实施例所提供的斩波电路来说，其可以进行双向斩波，电路的两组电源端口都可以实现升压斩波以及降压斩波，即可实现双端口双向升、降压斩波功能。根据实际需要，该电路的同一侧电路端口输入既可以进行升压检波，也可以进行降压斩波，因此其相较现有斩波电路的调压范围更广，其不再需要保证第一外接电源201侧的电压始终高于第二外接电源202侧的电压，从而扩大了电路输入输出电压的使用范围，这样也就可以充分利用第一外接电源和第二外接电源的储电能力。
需要指出的是，在本发明的其它实施例中，斩波电路中还可以包含多重相互并联的第一斩波电路和/或多重相互并联的第二斩波电路，本发明不限于此。例如，在本发明的一个实施例中，斩波电路还可以包含两条相互并联的第一斩波电路和两条相互并联的第二斩波电路，即形成如图7所示的电路结构，该斩波电路实现升压斩波与降压斩波的原理与图2所示的斩波电路相同，故在此不再对图7所示的斩波电路的具体内容进行赘述。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (7)

1.一种斩波电路，其特征在于，所述斩波电路包括：
第一斩波电路，其第一端口和第二端口用于分别与第一外接电源的正极和负极连接；
支撑电容，其连接在所述第一斩波电路的第三端口和第四端口之间；
第二斩波电路，其第一端口和第二端口用于分别与第二外接电源的正极和负极连接，第三端口和第四端口分别与所述支撑电容的两端连接。
2.如权利要求1所述的斩波电路，其特征在于，所述斩波电路包括多重并联的第一斩波电路和/或多重并联的第二斩波电路。
3.如权利要求1或2所述的斩波电路，其特征在于，所述第一斩波电路包括：
第一电感器，其第一端口形成所述第一斩波电路的第一端口；
第一IGBT模块，其发射极与所述第一电感器的第二端口连接，集电极形成所述第一斩波电路的第三端口并与所述支撑电容的一端连接；
第二IGBT模块，其集电极与所述第一IGBT模块的发射极连接，发射极形成所述第一斩波电路的第二端口和第四端口并与所述第一外接电源的负极和支撑电容的另一端连接。
4.如权利要求3所述的斩波电路，其特征在于，所述第二斩波电路包括：
第二电感器，其第一端口形成所述第二斩波电路的第一端口；
第三IGBT模块，其集电极形成所述第二斩波电路的第三端口并与所述第一IGBT模块的集电极连接，发射极与所述第二电感器的第二端口连接；
第四IGBT模块，其集电极与所述第三IGBT模块的发射极连接，发射极形成所述第四斩波电路的第二端口和第四端口分别与所述第二外接电源的负极和第一斩波电路的第四端口连接。
5.如权利要求1～4中任一项所述的斩波电路，其特征在于，所述第一外接电源的负极与第二外接电源的负极连接。
6.一种供电系统，其特征在于，所述供电系统包括：
第一外接电源；
如权利要求1～5中任一项所述的斩波电路；和，
第二外接电源。
7.如权利要求6所述的供电系统，其特征在于，所述第一外接电源包括超级电容，所述第二外接电源包括蓄电池。
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