CN112039426A - 一种低损耗太阳电池分流调节模块 - Google Patents

一种低损耗太阳电池分流调节模块 Download PDF

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CN112039426A CN202010864939.8A CN202010864939A CN112039426A CN 112039426 A CN112039426 A CN 112039426A CN 202010864939 A CN202010864939 A CN 202010864939A CN 112039426 A CN112039426 A CN 112039426A
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李雅琳
张璇
王骞
李巍
韩悦
朱洪雨
邢浩江
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Abstract

本发明公开了一种低损耗太阳电池分流调节模块，包括：有损缓冲电路、无损缓冲电路和开关管和第二电阻串联电路，其中，有损缓冲电路用于以有损方式释放所述低损耗太阳电池分流调节模块中的磁场能，用于连接供能单元；无损缓冲电路连接所述有损缓冲电路，用于以无损方式释放所述低损耗太阳电池分流调节模块中的磁场能，用于连接母线；开关管分别与所述有损缓冲电路和无损缓冲电路连接，第二电阻接地。能够通过有损缓冲电路和无损缓冲电路结合的方式将低损耗太阳电池分流调节模块中的能量释放到母线上或者释放到电路中，从而提高了低损耗太阳电池分流调节模块减小半导体器件电压及电流应力的能力。

Description

一种低损耗太阳电池分流调节模块
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种低损耗太阳电池分流调节模块。
背景技术
缓冲电路是电力电子器件的一种重要的保护电路，缓冲电路在电力电子系统中广泛采用。目前，缓冲电路主要采用RC型电路、RCD型电路等，但是这些缓冲电路对减小半导体器件电压及电流应力的能力比较有限。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种低损耗太阳电池分流调节模块，能够提高低损耗太阳电池分流调节模块减小半导体器件电压及电流应力的能力。
根据本发明的第一方面实施例的低损耗太阳电池分流调节模块，包括：
有损缓冲电路，用于以有损方式释放所述低损耗太阳电池分流调节模块中的磁场能，用于连接供能单元；无损缓冲电路，连接所述有损缓冲电路，用于以无损方式释放所述低损耗太阳电池分流调节模块中的磁场能，用于连接母线；开关管和第二电阻串联电路，所述开关管分别与所述有损缓冲电路和所述无损缓冲电路连接，所述第二电阻接地。
根据本发明实施例的低损耗太阳电池分流调节模块，至少具有如下有益效果：能够通过有损缓冲电路和无损缓冲电路结合的方式将低损耗太阳电池分流调节模块中的能量释放到母线上或者释放到电路中，从而提高低损耗太阳电池分流调节模块减小半导体器件电压及电流应力的能力。
根据本发明的一些实施例，所述开关管为MOS管，所述MOS管的漏极分别与所述有损缓冲电路和所述无损缓冲电路连接，所述MOS管的源极连接所述第二电阻第一端，所述第二电阻第二端接地。
根据本发明的一些实施例，所述有损缓冲电路包括：
限流单元，分别与所述无损缓冲电路和所述开关管和第二电阻串联电路连接，用于吸收所述限流单元两端的突变电压；
有损缓冲单元，分别与所述限流单元、所述无损缓冲电路连接和所述开关管和第二电阻串联电路连接，吸收所述限流单元中释放的磁场能。
根据本发明的一些实施例，所述有损缓冲单元包括第一电阻和第一电容，所述第一电阻和第一电容串联形成RC串联电路，所述RC串联电路与所述限流单元并联。
根据本发明的一些实施例，所述限流单元包括第一电感，所述第一电感第一端连接所述RC串联电路第一端，所述第一电感第二端连接所述RC 串联电路第二端，所述第一电感第二端和所述RC串联电路第二端均连接所述无损缓冲电路，所述第一电感第一端和所述RC串联电路第一端均连接所述供能单元。
根据本发明的一些实施例，所述无损缓冲电路包括：变压器单元，分别与所述有损缓冲电路和所述开关管和第二电阻串联电路连接，用于减小所述低损耗太阳电池分流调节模块中电流上升速度；无损缓冲单元，分别与所述变压器单元、所述有损缓冲电路和所述开关管和第二电阻串联电路连接，用于将母线反灌电流输送到所述变压器单元。
根据本发明的一些实施例，所述无损缓冲单元包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管、第二电容、第三电容，所述第一二极管正极分别与所述有损缓冲电路和所述变压器单元第一端连接，所述第一二极管负极分别与所述第二二极管正极和所述第二电容第一端连接，所述第二二极管负极分别与所述第三电容第一端和所述第三二极管正极连接，所述第三二极管负极连接所述第二电容第二端，所述第三电容第二端连接所述变压器第二端。
根据本发明的一些实施例，还包括第四二极管，所述第四二极管的正极分别与所述第三电容第二端和所述变压器第二端连接，所述第四二极管的负极连接所述母线，用于防止电流反灌到所述低损耗太阳电池分流调节模块中。
根据本发明的第二方面实施例的分流器，包括如第一方面所述的低损耗太阳电池分流调节模块，用于开启或关闭所述供能单元和所述母线之间的连接。
根据本发明实施例的分流器，至少具有如下有益效果：能够通过分流器的开启或关闭，控制供能单元与母线之间的连接，从而使供能单元中的能量释放到母线上，提高分流器的可靠性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例提供的低损耗太阳电池分流调节模块的示意图；
图2是根据本发明另一实施例提供的低损耗太阳电池分流调节模块的示意图；
图3是根据本发明另一实施例提供的低损耗太阳电池分流调节模块的示意图；
图4是根据本发明另一实施例提供的低损耗太阳电池分流调节模块的电路原理图；
图5是根据本发明一实施例提供的分流器的测试效果图。
附图标记：
有损缓冲电路100、无损缓冲电路200、开关管和第二电阻串联电路300、限流单元101、有损缓冲单元102、变压器单元201、无损缓冲单元202。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
缓冲电路又称为吸收电路，其作用是抑制电力电子器件的过压或者过流等，减小器件的开关损耗。现有技术中有使用RC型吸收电路来作为缓冲电路，但是存在对分流支路开关管吸收效果有限，电阻发热严重的问题，也有使用RCD型吸收电路来作为缓冲电路，但电阻的发热仍较严重，但是这些吸收电路无法兼顾分流支路开关管及输出二极管上的电压及电流应力，使缓冲电路的可靠性降低。
缓冲电路在电力电子与电工技术领域应用广泛，应用之一即是分流器中的应用，可以理解的，卫星电源系统目前普遍采用直接能量传递架构。其太阳能电池的能量通过分流器输送到母线上，当分流器工作于直通状态时，其效率最高可达99％以上。
分流器是卫星电源控制器的一个重要模块。以工作于高轨道卫星的电源控制器为例，其99％以上的在轨时间工作于光照期，需要太阳能电池阵通过分流器为母线提供能量，因而对卫星电源控制器来说，其分流器长时间、高可靠工作尤为重要。
因此本发明实施例设计了一种低损耗太阳电池分流调节模块，又称为缓冲电路，能够通过有损缓冲电路和无损缓冲电路结合的方式将缓冲电路中的能量释放到母线上或者释放到电路中，有效的减少了分流支路上开关管以及输出二极管上的电压及电流应力，提高了缓冲电路减小半导体器件电压及电流应力的能力。
参照图1，是根据本发明实施例提供的缓冲电路的示意图。
在一些实施例中，缓冲电路包括有损缓冲电路100、无损缓冲电路200、开关管和第二电阻串联电路300，其中，有损缓冲电路100，用于以有损方式释放所述缓冲电路中的磁场能，用于连接供能单元；有损方式是通过电路中的损耗方式进行对磁场能的减少。其中，无损缓冲电路200连接有损缓冲电路100，用于以无损方式释放所述缓冲电路中的磁场能，用于连接母线。开关管和第二电阻串联电路300中开关管分别与上述有损缓冲电路100 和无损缓冲电路200连接，第二电阻接地。其中，无损方式是电路中无损耗，但是同样能够达到释放磁场能的效果。
本实施例能够通过有损缓冲电路和无损缓冲电路结合的方式，即将有损缓冲电路中没有释放完全的磁场能，在经过无损缓冲电路释放到母线上或者释放到电路中，有效的减少了开关管和第二电阻串联电路电压及电流应力，提高了缓冲电路减小半导体器件电压及电流应力的能力，从而提高了缓冲电路的可靠性。
参照图4，是根据本发明另一实施例提供的缓冲电路的电路原理图。
在一些实施例中，上述开关管为MOS管，MOS管的漏极分别与有损缓冲电路100和无损缓冲电路200连接，MOS管的源极连接第二电阻第一端，第二电阻第二端接地。
参照图2，是根据本发明另一实施例提供的缓冲电路的示意图。
在一些实施例中，上述有损缓冲电路100包括：限流单元101、有损缓冲单元102，其中，限流单元101连接无损缓冲电路200和开关管和第二电阻串联电路300，用于吸收限流单元101两端的突变电压；其中，有损缓冲单元102，分别与上述限流单元101、无损缓冲电路200和开关管和第二电阻串联电路300连接，吸收限流单元101中释放的磁场能。
其中，限流单元101可以为限流电感，有损缓冲单元102以有损方式吸收限流电感中的少量磁场能。
本实施例能够实现限流电感上的能量一部分传输到无损缓冲电路200 中，另一部分通过有损缓冲电路100中的有损缓冲单元102消耗掉，从而有效的减小了缓冲电路输出端的电压及电流应力，可以理解的，其中，电流应力是应用中的电流与零件规格值的比值，其中，电压应力是应用中的电压与零件规格值的比值，例如，电流应力和电压应力都要满足一定的条件，电压应力一般不超出90％，电流应力不超出80％。
参照图3，是根据本发明另一实施例提供的缓冲电路的示意图。
在一些实施例中，上述无损缓冲电路200包括：变压器单元201、无损缓冲单元202，其中，变压器单元201连接有损缓冲电路100和开关管和第二电阻串联电路300，用于减小缓冲电路中电流上升速度；无损缓冲单元 202分别与变压器单元201、有损缓冲电路100和开关管和第二电阻串联电路300连接，用于将母线反灌电流输送到变压器单元201。
本实施例通过变压器单元201以及无损缓冲单元202，有效的提高了缓冲电路输出端的电压及电流应力，从而提高了缓冲电路的可靠性。
参照图4，是根据本发明另一实施例提供的缓冲电路的电路原理图。
在一些实施例中，上述有损缓冲单元102包括第一电阻R1和第一电容 C1，第一电阻R1和第一电容C1串联形成RC串联电路，RC串联电路与限流单元101并联。
具体的，上述限流单元101包括第一电感L，第一电感L第一端连接上述RC串联电路第一端，第一电感L第二端连接RC串联电路第二端，第一电感L第二端和RC串联电路第二端均连接无损缓冲电路200，第一电感 L第一端和RC串联电路第一端均连接供能单元。
本实施例能够通过RC串联电路对第一电感L两端的能量进行消耗，从而减小电路中的能量值，提高缓冲电路的可靠性。
参照图4，根据本发明另一实施例提供的缓冲电路的电路原理图。
本实施例中的缓冲电路还包括第四二极管D4，第四二极管D4的正极分别与第三电容C3第二端和变压器T1第二端连接，第四二极管D4的负极连接母线，用于防止母线上的电流反灌到缓冲电路中。
参照图4，是根据本发明另一实施例提供的缓冲电路的电路原理图。
在一些实施例中，上述无损缓冲单元包括，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第二电容C2、第三电容C3，第一二极管D1第一端分别与有损缓冲电路100和变压器单元201第一端连接，第一二极管D1 第二端分别与第二二极管D2第一端和第二电容C2第一端连接，第二二极管D2第二端分别与第三电容C3第一端和第三二极管D3第一端连接，第三二极管D3第二端连接第二电容C2第二端，第三电容C3第二端连接变压器201第二端。
具体的，本实施例能够通过二极管、电容或者电阻这些无源器件实现将限流电感上的大部分能量通过无源无损缓冲电路释放到母线上。
参照图4，是根据本发明另一实施例提供的缓冲电路的电路原理图。
在一些实施例中，还包括开关管Q1和第二电阻R2，开关管Q1漏极分别与有损缓冲电路和无损缓冲电路连接，开关管Q1源极连接第二电阻R2 第一端，第二电阻R2第二端接地。
上述无损缓冲电路可以在开关管Q1的开通或者关断，将上述限流电感 L中的磁场能释放到母线上，对母线电容形成反向放电通路，从而降低输出二极管D4两端的电压应力。
具体的，在上述开关管断开时，由于变压器T1有电流输入，则在变压器T1中就存在原边电感，其中电感为1uH左右，在开关管Q1关断瞬间限流电感L中的能量先是通过第一二极管D1，第二二极管D2，第三二极管 D3输出到母线上，并将分流支路开关管Q1的漏极电压箝位在设定电平上，此设定电平比母线电压高三个二极管压降，加入二极管压降电压为0.6V-0.7V左右，则此时设定电平为母线电压加上三倍的0.6V-0.7V即母线电压加上1.8V-2.1V，这样就降低了分流支路开关管Q1的电压应力。然后，限流电感L中的能量通过电流注入变压器T1以及输出二极管D4，最终输出到母线上。可以理解的，上述开关管栅极连接的为驱动装置或者驱动电路(图中未示出)，以便使和开关管连接的电路在开关管使能的情况下能够正常工作。
可以理解的，由于分流支路开关管Q1两端的电压被箝位，当Q1工作于开关状态时，其开关管损耗及热应力大幅减小，其中热应力是开关管对于电流、电压、温度变化的特性，其损耗越小或者热应力越小，对于开关管以及整个缓冲电路的效果越好。
具体的，在上述开关管闭合导通时，太阳能电池阵及母线电容中的能量通过限流电感L，以及分流开关管Q1支路传输到地，缓冲电路中电流迅速增加，电流注入变压器T1的原边续流，该电流使得分流开关管Q1支路中的电流应力减小。母线电容中的能量通过第二电容C2，第二二极管D2，第三电容C3、变压器T1、分流支路开关管Q1，以及分流支路电流采样电阻即第二电阻R2传输到地。又由于变压器T1存在电流，其原边存在电感，母线电容中的反向放电电流得到了抑制，减小了分流支路开关管Q1在导通瞬间的电流应力。
同时，在分流支路开关管Q1导通瞬间，相当于为母线电容的反向放电提供了放电通路，输出二极管D4两端的电压应力较小，提高了缓冲电路的可靠性。
在一些实施例中，本发明还提供了一种分流器，包括上述的缓冲电路，用于开启或关闭供能单元和母线之间的连接。
其中，供能单元可以为太阳能电池阵，分流支路开关管Q1关断瞬间，电路中的第一二极管D1，第二二极管D2和第三二极管D3导通，将开关管Q1的源极和漏极电压箝位在比母线电压高三个二极管压降的电平上，此设定电平比母线电压高三个二极管压降，加入二极管压降电压为0.6V-0.7V 左右，则此时设定电平为母线电压加上三倍的0.6V-0.7V即母线电压加上 1.8V-2.1V，这样就降低了分流支路开关管Q1的电压应力。然后，限流电感L中的能量通过电流注入变压器T1以及输出二极管D4，最终输出到母线上。
具体的，分流支路开关管Q1关断瞬间，电感两端的并联的有损RC吸收电路吸收了一部分限流电感L中所释放的磁场能。
具体的，分流支路开关管Q1导通瞬间，母线电压经第二电容C2，第二二极管D2，第三电容C3构成通路，最终实现了输出二极管D4两端的电压应力控制。该反灌的母线放电电流经过电流注入变压器T1的原边电感滤波，减小了分流支路开关管Q1导通瞬间的电流上升速度。此时，电流注入变压器的原边电感续流，减小了分流支路中的电流上升速度，减小了分流支路开关管Q1中的电流应力。
通过上述实施例中无源混合型吸收电路，对缓冲电路中的半导体元器件的电压应力和电流应力进了精确的控制，有效的提高了缓冲电路的可靠性。
参照图5，是根据本发明一实施例提供的分流器的测试效果图。具体的，横坐标表示一个开关周期，纵坐标表示开关管Q1是上的损耗，曲线1的波形为分流器中增加了本发明实施例中的缓冲电路以后的开关管Q1 上的热损耗波形。从图中可以看出，在一个开关周期内共出现三次开关损耗，一个开关周期内总的开关损耗为5.5W至7.5W。而在在分流器不包括本发明实施例中的缓冲电路的情况下，根据经验值或者试验值，一个开关周期内总的开关损耗为20W左右(图中未示出曲线)。通过比较可以明显确定，在分流器采用了本发明实施例中的缓冲电路后，开关管Q1上的损耗大大降低，相当于降为原来的1/3左右，使分流器的可靠性大大提高。
其中，曲线2的波形为流过开关管Q1源漏极的电流波形，即IDS波形，曲线3的波形为开关管Q1上漏源极的电压波形，即VDS电压波形，可以理解的，相同周期位置的VDS波形上电压数值(曲线3上的电压数值)与IDS 波形上电流数值(曲线2上的电流数值)的乘积即为曲线1波形的功率值即曲线1的热功耗波形，其中曲线1上的热功耗即开关管Q1上的热功耗。
本实施例能够对本发明实施例中的缓冲电路进行直观的结果评价，结果证明本发明实施例中的缓冲电路能够大大降低分流支路开关管Q1上的热功耗，并且将上述缓冲电路应用到分流器中，可以使分流器的可靠性大大提高。
可以理解的，在上述缓冲电路中电感L及分流支路开关管Q1上，可以并联RC电路，或RCD吸收电路，或者去掉RC，或去掉RCD吸收电路。
可以在任意上述任意一个二极管，包括第一二极管D1，第二二极管 D2及第三二极管D3的两端并联电容，或并联RC电路。
也可以在图4的基础上去掉第二电容C2，但是不限于以上变形的替代方案。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (8)

1.低损耗太阳电池分流调节模块，其特征在于，包括：
有损缓冲电路，用于以有损方式释放所述低损耗太阳电池分流调节模块中的磁场能，用于连接供能单元；
无损缓冲电路，连接所述有损缓冲电路，用于以无损方式释放所述低损耗太阳电池分流调节模块中的磁场能，用于连接母线；
开关管和第二电阻串联电路，所述开关管分别与所述有损缓冲电路和所述无损缓冲电路连接，所述第二电阻接地。
2.根据权利要求1所述的低损耗太阳电池分流调节模块，其特征在于，所述开关管为MOS管，所述MOS管的漏极分别与所述有损缓冲电路和所述无损缓冲电路连接，所述MOS管的源极连接所述第二电阻第一端，所述第二电阻第二端接地。
3.根据权利要求1所述的低损耗太阳电池分流调节模块，其特征在于，所述有损缓冲电路包括：
限流单元，分别与所述无损缓冲电路和所述开关管和第二电阻串联电路连接，用于吸收所述限流单元两端的突变电压；
有损缓冲单元，分别与所述限流单元、所述无损缓冲电路和所述开关管和第二电阻串联电路连接，吸收所述限流单元中释放的磁场能。
4.根据权利要求3所述的低损耗太阳电池分流调节模块，其特征在于，所述有损缓冲单元包括第一电阻和第一电容，所述第一电阻和第一电容串联形成RC串联电路，所述RC串联电路与所述限流单元并联。
5.根据权利要求4所述的低损耗太阳电池分流调节模块，其特征在于，所述限流单元包括第一电感，所述第一电感第一端连接所述RC串联电路第一端，所述第一电感第二端连接所述RC串联电路第二端，所述第一电感第二端和所述RC串联电路第二端均连接所述无损缓冲电路，所述第一电感第一端和所述RC串联电路第一端均连接所述供能单元。
6.根据权利要求1所述的低损耗太阳电池分流调节模块，其特征在于，所述无损缓冲电路包括：
变压器单元，分别与所述有损缓冲电路和所述开关管和第二电阻串联电路连接，用于减小所述低损耗太阳电池分流调节模块中电流上升速度；
无损缓冲单元，分别与所述变压器单元、所述有损缓冲电路和所述开关管和第二电阻串联电路连接，用于将母线反灌电流输送到所述变压器单元。
7.根据权利要求6所述的低损耗太阳电池分流调节模块，其特征在于，所述无损缓冲单元包括：
第一二极管、第二二极管、第三二极管、第二电容、第三电容，所述第一二极管正极分别与所述有损缓冲电路和所述变压器单元第一端连接，所述第一二极管负极分别与所述第二二极管正极和所述第二电容第一端连接，所述第二二极管负极分别与所述第三电容第一端和所述第三二极管正极连接，所述第三二极管负极连接所述第二电容第二端，所述第三电容第二端连接所述变压器第二端。
8.根据权利要求1-7任一项所述的低损耗太阳电池分流调节模块，其特征在于，还包括第四二极管，所述第四二极管的正极分别与所述第三电容第二端和所述变压器第二端连接，所述第四二极管的负极连接所述母线，用于防止电流反灌到所述低损耗太阳电池分流调节模块中。
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