CN110190654A - 大功率充电电路及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大功率充电电路及装置，所述大功率充电电路包括：电源模块，用于输出初级电压；断路开关；多个降压电路，其中每个降压电路通过所述断路开关与所述电源模块连接，所述电源模块分别通过每个降压电路与所述高压电容连接；控制器，所述控制器的控制端分别与每个降压电路的受控端连接；所述控制器用于向每个降压电路发送控制信号，以控制每个降压电路对所述电源模块输出的所述初级电压降压后输出额定充电电压为所述高压电容充电。本发明通过采用多个降压电路对高压电容进行充电，能够为高压电容提供足够高的充电功率进行快速充电，并且大功率充电电路的设计简单，稳定性高。
Description
技术领域
本发明涉及电路电子领域，尤其涉及大功率充电电路及装置。
背景技术
目前，高压电容作为脉冲功率技术的重要组成部分，在脉冲强磁场、电磁制造、电磁发射等领域均被广泛应用。高压电容在需要进行充电时，一般会采用升压充电或者谐振充电，所使用的充电装置功率通常为千瓦级。而在寻求高压电容进行高频率充放电时，升压充电装置的充电功率将会不足，需要将多个升压充电装置进行并联后为高压电容进行充电，以提高充电速度。然而，这种方式将会导致充电装置体积能量比和功率密度过低，不仅充电装置的复杂性大大提升，还会导致充电稳定性降低。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种大功率充电电路及装置，旨在解决现有的大功率充电方式设置起来较为复杂且稳定性低的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种大功率充电电路，用于为高压电容进行充电，所述大功率充电电路包括：
电源模块，用于输出初级电压；
断路开关，所述断路开关的一端与所述电源模块连接；
多个降压电路，其中每个降压电路的输入端与所述断路开关的另一端连接，每个降压电路的输出端与所述高压电容连接；
控制器，所述控制器的控制端分别与每个降压电路的受控端连接；
所述控制器用于向每个降压电路发送控制信号，以控制每个降压电路对所述电源模块输出的所述初级电压降压后输出至所述高压电容进行充电。
可选地，所述多个降压电路中每个降压电路包括开关管、续流二极管以及电感；
每个降压电路的第一输入端通过所述断路开关与所述电源模块的正极连接，每个降压电路的第二输入端与所述电源模块的负极连接，每个降压电路的第一输入端还经过串联的所述开关管与所述电感的第一端连接，所述开关管的受控端作为降压电路的受控端与所述控制器的控制端连接，所述电感的第二端作为降压电路的输出端与所述高压电容的第一端连接，每个降压电路的第二输入端经过所述续流二极管与所述电感的第一端连接，所述续流二极管的阴极靠近所述电感的第一端，所述续流二极管的阳极靠近所述降压电路的第二输入端，每个降压电路的第二输入端还与所述高压电容的第二端连接。
可选地，每个降压电路还设置有多个由第一阻尼电阻和阻尼电容串联而成的阻尼电路，所述开关管上并联有所述阻尼电路，所述续流二极管上并联有所述阻尼电路。
可选地，所述开关管由多个绝缘栅双极型晶体管IGBT串联形成，所述续流二极管由多个快恢复二极管FRD串联形成。
可选地，所述控制器控制所述多个降压电路以非连续导通模式DCM对所述电源模块输出的所述初级电压进行降压。
可选地，所述控制器控制所述多个降压电路依次间隔预设周期运行。
可选地，所述电感为空芯电感。
可选地，所述大功率充电电路还包括泄能模块，所述泄能模块包括串联的泄能电阻和泄能继电器，所述泄能模块的第一端分别与每个降压电路的输出端连接，所述泄能模块的第二端与所述电源模块的负极连接。
可选地，所述电源模块，用于当输出的初级电压小于所述高压电容的额定充电电压时，停止输出。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种大功率充电装置，所述大功率充电装置包括高压电容以及为所述高压电容进行充电的大功率充电电路，所述大功率充电电路被配置为如上所述的大功率充电电路。
本发明通过将电源模块输出的初级电压分别通过多个降压电路进行降压转换，每个降压电路的输出端均与高压电容连接，从而使得多个降压电路能够同时为高压电容进行充电，在多个降压电路组成的大功率充电电路中，总充电功率为每一降压电路的充电功率之和。通过多个降压电路拓扑结构进行多重输出，能够有效地输出较高的充电功率，为高压电容进行快速充电，满足高压电容的充电需求。并且采用降压电路对电源模块输出的初级电压进行降压转换的电路结构可控性好、设计简单，能够快速并稳定地对高压电容进行充电。
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使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明大功率充电电路一实施例的模块示意图；
图2为图1实施例的多个降压电路拓扑结构示意图；
图3为图2实施例中的两个降压电路时序互差180°时的电流波形图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
附图标号说明：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 10 | 电源模块 | K | 泄能继电器 |
| 20 | 断路开关 | L | 电感 |
| 30 | 降压电路 | 40 | 控制器 |
| 31 | 开关管 | R1 | 第一阻尼电阻 |
| IGBT | 绝缘栅双极型晶体管 | R2 | 第二阻尼电阻 |
| 32 | 续流二极管 | C | 阻尼电容 |
| FRD | 快恢复二极管 | D | 阻尼二极管 |
| R | 泄能电阻 |
具体实施方式
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。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供一种大功率充电电路，可以用于为高压电容进行充电。
参见图1，在一实施例中，该大功率充电电路包括电源模块10、断路开关20、多个降压电路30以及控制器40。电源模块10用于输出初级电压，其中，电源模块10所输出的初级电压高于高压电容的额定充电电压。断路开关20的一端与电源模块10连接，断路开关20的另一端则分别与每一个降压电路30的输入端连接，以使每一个降压电路30都可以通过断路开关20与电源模块10连接，即断路开关20设置于电源模块10与每一个降压电路30之间，以作为大功率充电电路的控制开关。每个降压电路30的输出端均与作为负载的高压电容连接，以使得电源模块10能够分别通过每个降压电路30与高压电容连通，为高压电容充电。在多个降压电路30中，控制器40的控制端可以分别与每个降压电路30的受控端连接，以使控制器40可以控制每个降压电路30的工作状态。控制器40能够向每个降压电路30发送对应的控制信号，以控制对应的降压电路30对电源模块10输出的初级电压进行降压转换后降压至额定充电电压，以对高压电容进行充电。
本实施例中所提供的的大功率充电电路中，电源模块10能够作为储能载体，在未对高压电容进行充电时由其他较小功率的充电装置进行充电，并在电源模块10能够输出高于额定充电电压的初级电压时保持较高的充电功率为高压电容进行充电。优选地，电源模块10可以为锂电池组，锂电池组的储能容量较高，利用锂电池组作为电源模块10能够解决大功率充电电路对电源模块10的储能容量要求高的技术问题。
本实施例通过控制断路开关20闭合，能够在电源模块10输出高于下限值的初级电压时，将输出的初级电压分别通过多个降压电路30进行降压转换，每个降压电路30的输出端均与高压电容连接，从而使得多个降压电路30能够同时为高压电容进行充电，在多个降压电路30组成的大功率充电电路中，总充电功率为每一降压电路30的充电功率之和。通过多个降压电路30拓扑结构进行多重输出，能够有效地输出较高的充电功率，为高压电容进行快速充电，满足高压电容的充电需求。并且采用降压电路30对电源模块10输出的初级电压进行降压转换的电路结构可控性好、设计简单，能够快速并稳定地对高压电容进行充电。
进一步地，请一并参照图1和图2，在多个降压电路30的拓扑结构中，每个降压电路30均包括开关管31、续流二极管32以及电感L，降压电路30包括第一输入端、第二输入端和输出端，降压电路30的第一输入端通过断路开关20与电源模块10的正极连接，降压电路30的第二输入端与电源模块10的负极连接，降压电路30的第一输入端串联开关管31后与电感L的第一端连接，开关管31的受控端作为降压电路30的受控端与控制器40的控制端连接，以使得控制器40能够控制开关管31的导通和关断。电感L的第二端端作为降压电路30的输出端与高压电容的第一端连接，降压电路30的第二输入端还与高压电容的第二端连接，并且降压电路30的第二输入端经过续流二极管32后与电感L的第一端连接，续流二极管32的阳极靠近所述降压电路30的第二输入端，续流二极管32的阴极靠近所述电感L的第一端。
当断路开关20闭合时，若开关管31为导通状态，电流流经电感L并逐渐增大，以对作为负载的高压电容进行充电；若开关管31为截止状态，电感L、高压电容与续流二极管32构成电流回路，电感L上储存的电能通过续流二极管32进行放电，继续为高压电容进行充电，在此充电过程中，电感L上的电流逐渐减小。通过开关管31的导通和截止，能够使得降压电路30在开关管31的开关周期内平均电压小于电源模块10输出的初级电压，实现降压转换。通过控制器40控制降压电路30中开关管31的导通截止状态，能够实现对电源模块10的初级电压进行降压并稳定输出至高压电容以进行充电。可以理解的是，由于多个降压电路30之间相互独立，因此高压电容的总充电功率为每个降压电路30输出的充电功率之和。在确定每个降压电路30输出的功率后，可以根据高压电容进行充电所需的功率来确定大功率充电电路中降压电路30的个数。例如，可以选择以两个降压电路30构成二重化的降压电路30，为高压电容进行充电，其总充电功率为两个降压电路30的充电功率之和。
需要说明的是，控制器40可以通过向开关管31的受控端发送脉宽调制信号，以控制开关管31的导通和截止状态。
进一步地，在上述实施例中，每个降压电路30还设置有多个阻尼电路，阻尼电路由第一阻尼电阻R1和阻尼电容C串联而成，开关管31和续流二极管32上均可以并联有阻尼电路，通过设置阻尼电路可以使得降压电路30的电流回路在开关管31和续流二极管32上切换的过程中防止电流过冲和过电压损坏开关管31，保护降压电路30的安全。优选地，阻尼电路还可以设置为第一阻尼电阻R1和阻尼电容C串联以后，再与第二阻尼电阻R2并联的结构，通过加入并联的第二阻尼电阻R2，能够使得阻尼电路能够进一步限制开关管31两端的电压突变，避免开关管31在切换过程中受损。进一步地，上述第一阻尼电阻R1和阻尼电容C串联以后，还可以与阻尼二极管D并联，阻尼二极管D的阴极靠近电源模块10，阻尼二极管D的阳极靠近电感L，从而使得产生的过电流能够通过阻尼二极管D形成电流回路，避免开关管31受损。
在优选实施例中，降压电路30的开关管31可以是多个开关管31串联，开关管31可以为绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管IGBT。每个绝缘栅双极型晶体管IGBT的受控端可以控制器40的控制端连接，控制器40可以控制绝缘栅双极型晶体管IGBT的导通和截止。降压电路30的续流二极管32也可以是由多个快恢复二极管FRD串联形成，每个快恢复二极管FRD的阳极均靠近降压电路30的第二输入端，以使得电流能够从降压电路30的第二输入端流向电感L形成电流回路。例如，通过5个绝缘栅双极型晶体管IGBT串联形成开关管31，通过5个快恢复二极管FRD串联形成续流二极管32。可以理解的是，在多个绝缘栅双极型晶体管IGBT进行串联时，还可以在每个绝缘栅双极型晶体管IGBT上并联阻尼电路，以防止绝缘栅双极型晶体管IGBT在开关切换过程中因产生过电流和过电压而受损，提升绝缘栅双极型晶体管IGBT的稳定性和使用寿命。每个快恢复二极管FRD也可以并联上述阻尼电路，从而提升快恢复二极管FRD的稳定性，进而提升大功率充电电路在使用过程中的安全性和稳定性。
需要说明的是，在上述绝缘栅双极型晶体管IGBT的串联回路中，每个绝缘栅双极型晶体管IGBT的驱动信号需要保持同步，且绝缘栅双极型晶体管IGBT具有一致性，从而使得控制器40控制开关管31导通时，所有绝缘栅双极型晶体管IGBT均处于导通状态，避免有绝缘栅双极型晶体管IGBT未能及时导通而出现开关管31截止现象。例如，为了保持绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动信号的同步性，可以设置为控制器40通过光纤与绝缘栅双极型晶体管IGBT的受控端连接，以使得不同的绝缘栅双极型晶体管IGBT能够同时接收到驱动信号并进行开关状态的切换。
可选地，在大功率充电电路中，控制器40可以控制降压电路30的工作模式为非连续导通模式DCM，在非连续导通模式下，在开关管31截止后，电感L上流过的电流因为不会骤变，在续流二极管32的续流下慢慢降低，直至降低为零。并且在电感L上的电流为零时还需要经历一段时间，控制器40才会控制开关管31导通，使电感L流过的电流增加，即开关管31从截止变为导通状态时，流过电感L的电流为零。需要说明的是，通过改变电感L的参数即可实现上述降压电路30的非连续导通模式DCM，即调整电感L的参数使得控制器40控制开关管31截止到开关管31导通的这段时间内电感L能够将流过的电流降低为零。而开关管31导通时，续流二极管32的两端将会产生非常高的反向电压，从而引起系统过电压。通过将降压电路30设置为非连续导通模式，能够有效防止续流二极管32反方向恢复而引发的系统过电压，避免续流二极管32受损。在降压电路30工作在非连续导通模式下时，所消耗的功耗降低，并且能量转换效率大幅度提升，但电感L流过的电流在降低至零时可能会产生振荡现象，因此在非连续导通模式下，开关管31和续流二极管32可以分别并联阻尼电路以避免电流过零时发生振荡而受损。
进一步地，在多个降压电路30工作时，可以通过控制器40设置为多个降压电路30的导通与关断依次间隔预设周期。该预设周期可以根据预设算法、降压电路30的工作周期和设置的降压电路30的数量来计算得到。可以理解的是，降压电路30的工作周期即为开关管31的导通截止变化周期。通过将多个降压电路30按照一定周期进行延时运行，能够使得多个降压电路30不会同时通过开关管31进行输出，有效降低多个降压回路的瞬时总电流。并且，若同一时间内多个降压电路30中导通的开关管31数量过多，将会导致大功率充电电路的总电流非常大，进而产生较大的电流纹波，因此，将不同的降压电路30设置为相差一定的工作时序还能够减小电流纹波的产生。
可以理解的是，请一并参照图1和图3，当降压电路30为两个时，两个降压电路30的时序互差180°，即两个降压电路30相差半个周期，如图3的电流波形图所示，两个降压电路30中的一个开关管31处于导通状态时，另一个处于截止状态。
在优选实施例中，上述降压电路30中的电感L可以为空芯电感L，当开关管31导通时，容易产生一定的浪涌电流，利用空芯电感L的阻流作用能够有效抑制开关管31导通时的浪涌电流，提升电路的工作稳定性。
进一步地，大功率充电电路中还可以包括泄能模块(未标示)，泄能模块包括串联形成的泄能电阻R和泄能继电器K，泄能模块的第一端分别与每个降压电路30的输出端连接，泄能模块的第二端则可以与电源模块10的负极连接，从而将阻尼电路中的电容存储的能量进行释放。可以理解的是，泄能模块用于在大功率充电电路主动停止充电或大功率充电电路在故障条件下被动停止充电后，释放高压电容上已充电能量或剩余能量，并且泄能继电器K在停机条件下处于闭合状态，能够使得泄能模块释放高压电容上集聚的电荷，防止静电荷长时间在高压电容上的集聚而导致高压电容受损或发生故障，便于设备维护和保护设备安全。
在上述实施例中，电源模块10输出的初级电压需要高于高压电容的额定充电电压，由于降压回路的输出电压小于输入电压，因此在电源模块10中的能量不断下降时，其所输出的初级电压也在不断降低，在初级电压低于下限值时，可以停止对高压电容进行充电，从而避免充电效率因初级电压不足而降低。
需要说明的是，电源模块10的初级电压的下限值还可以在额定充电电压的基础上保持一定余量，例如，当额定充电电压为10KV时，可以设置初级电压的下限值为11KV，从而在电源模块10输出的初级电压低于11KV时及时为电源模块10进行充电。
本发明还提供一种大功率充电装置，该大功率充电装置包括高压电容以及为所述高压电容进行充电的大功率充电电路，该大功率充电电路的结构可参照上述实施例，在此不再赘述。理所应当地，由于本实施例的大功率充电装置采用了上述大功率充电电路的技术方案，因此该大功率充电装置具有上述大功率充电电路所有的有益效果。
以上仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种大功率充电电路，用于为高压电容进行充电，其特征在于，包括：
电源模块，用于输出初级电压；
断路开关，所述断路开关的一端与所述电源模块连接；
多个降压电路，其中每个降压电路的输入端与所述断路开关的另一端连接，每个降压电路的输出端与所述高压电容连接；
控制器，所述控制器的控制端分别与每个降压电路的受控端连接；
所述控制器用于向每个降压电路发送控制信号，以控制每个降压电路对所述电源模块输出的所述初级电压降压后输出至所述高压电容进行充电。
2.如权利要求1所述的大功率充电电路，其特征在于，所述多个降压电路中每个降压电路包括开关管、续流二极管以及电感；
每个降压电路的第一输入端通过所述断路开关与所述电源模块的正极连接，每个降压电路的第二输入端与所述电源模块的负极连接，每个降压电路的第一输入端还经过串联的所述开关管与所述电感的第一端连接，所述开关管的受控端作为降压电路的受控端与所述控制器的控制端连接，所述电感的第二端作为降压电路的输出端与所述高压电容的第一端连接，每个降压电路的第二输入端经过所述续流二极管与所述电感的第一端连接，所述续流二极管的阴极靠近所述电感的第一端，所述续流二极管的阳极靠近所述降压电路的第二输入端，每个降压电路的第二输入端还与所述高压电容的第二端连接。
3.如权利要求2所述的大功率充电电路，其特征在于，每个降压电路还设置有多个由第一阻尼电阻和阻尼电容串联而成的阻尼电路，所述开关管并联有所述阻尼电路，所述续流二极管并联有所述阻尼电路。
4.如权利要求2所述的大功率充电电路，其特征在于，所述开关管由多个绝缘栅双极型晶体管IGBT串联形成，所述续流二极管由多个快恢复二极管FRD串联形成。
5.如权利要求2所述的大功率充电电路，其特征在于，所述控制器控制所述多个降压电路以非连续导通模式DCM对所述电源模块输出的所述初级电压进行降压。
6.如权利要求2所述的大功率充电电路，其特征在于，所述控制器控制所述多个降压电路依次间隔预设周期运行。
7.如权利要求2所述的大功率充电电路，其特征在于，所述电感为空芯电感。
8.如权利要求1-7中任一项所述的大功率充电电路，其特征在于，所述大功率充电电路还包括泄能模块，所述泄能模块包括串联的泄能电阻和泄能继电器，所述泄能模块的第一端与每个降压电路的输出端连接，所述泄能模块的第二端与所述电源模块的负极连接。
9.如权利要求1-7中任一项所述的大功率充电电路，其特征在于，所述电源模块，用于当输出的初级电压小于所述高压电容的额定充电电压时，停止输出。
10.一种大功率充电装置，其特征在于，所述大功率充电装置包括高压电容以及为所述高压电容进行充电的大功率充电电路，所述大功率充电电路被配置为如权利要求1-9任一项所述的大功率充电电路。
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