CN114792986A - 一种用于匹配大动态负载变化的双向buck/boost储能电路 - Google Patents

一种用于匹配大动态负载变化的双向buck/boost储能电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及供电系统给大动态负载供电变换领域，公开了一种用于匹配大动态负载变化的双向BUCK/BOOST储能电路，该电路由MOS管S1、二极管D1、MOS管S2、二极管D2、电感L和储能电容Cs组成，其中，MOS管S1的漏源极(DS)与二极管D1等效并联，MOS管S2的漏源极(DS)与二极管D2等效并联，MOS管S1的源极与MOS管S2的漏极相连，MOS管S1与MOS管S2的驱动信号互补，电感L和储能电容Cs串联后并联在MOS管S2上。本发明提供的双向BUCK/BOOST储能电路相较现有技术，可提高储能电容的能量利用率，通过单级变换实现高效率。

Description

一种用于匹配大动态负载变化的双向BUCK/BOOST储能电路
技术领域
本发明涉及供电系统给大动态负载供电变换领域，具体涉及一种用于匹配大动态负载变化的双向BUCK/BOOST储能电路，主要应用在供电发电机输出功率变化大场合，而系统体积要求较小，功率密度要求高的场合。
背景技术
随着探测距离的增加，发射机的功率不断加大。发射机基本的工作模式为发射和接收两种模式，即T/R(Transmitter and Receiver)模式，导致以T/R为主要负载的电力电子变换器在负载侧存在负载大动态变化。对飞机、无人机、汽车以及小舰船等有限小功率电源系统，其大动态变化脉冲负载对发电系统的影响尤为显著。
对于高频负载动态变化可以由储能电容实现输入功率平滑，从而减小发电机输出电流脉动，解决电流调制超标问题；任意频率任意占空比的脉冲负载，低频负载下电容储能方法需求的电容量大，不适用。为解决几赫兹至几百赫兹的脉冲负载变化问题，常用的方法有电阻假负载补偿法，以及提高发射机组件在接收阶段的功率。电阻假负载方法需在负载侧并联额外的电阻与控制开关，占用系统体积，并且电阻产热热量大，电源系统效率低与散热困难。对于提高发射机组件在接收阶段的功率方法，同样存在电源系统效率低的缺点，同时发射机组件接收阶段的功率提升有限，对负载的动态变化改善有限。另外也有单向BUCK变换储能的方法，再由另一个BOOST变换放电方法，其好处是电路简单，互不影响。但其始终只有一个变换器在工作，即BUCK储能时，BOOST变换器不工作；BOOST放电时，BUCK又停止工作。单向BUCK变换储能方法中器件利用率不高，尺寸大，不适合小型化的平台应用。同时为了单向传输，器件多，损耗大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种用于匹配大动态负载变化的双向BUCK/BOOST储能电路，该储能电路采用一级双向变换电路，先通过BUCK电路正向充电；再通过BOOST电路反向放电。这样电路利用率高，共用了电感支路和主变换；同时电路回路与主电路相对独立，互不影响，使发电系统稳定。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于匹配大动态负载变化的双向BUCK/BOOST储能电路，该双向BUCK/BOOST储能电路连接在主电路上，当主电路的负载功率需求变大时，通过双向BUCK/BOOST储能电路升压，为负载供电；当主电路的负载功率减小时，通过双向BUCK/BOOST储能电路降压进行储能；
该储能电路包括第一MOS管、第二MOS管、电感和储能电容；所述第一MOS管的漏源极等效并联第一二极管，所述第一MOS管与第一二极管并联后再与第二MOS管串联，所述第二MOS管的漏源极等效并联第二二极管，所述电感和储能电容串联后并联在第二二极管上；
其中，双向BUCK/BOOST储能电路连接在主电路的供电点上，当主电路的负载功率变小时，第一MOS管、第二二极管和电感L构成正向的BUCK变换电路，给储能电容充电；
当主电路的负载功率变大时，第一MOS管不工作，第二MOS管工作，第二MOS管、第二二极管和电感构成逆向BOOST变换电路进行放电。
进一步的，所述BUCK变换电路在充能时，先使第一MOS管工作，第二二极管进行续流，等检测到储能电容电压正常后，再启动与第二二极管并联的第二MOS管工作，这样可降低功耗，提高效率。
所述BOOST变换电路在放电时，先使第二MOS管工作，第一二极管进行续流，等检测到储能电容电压正常后，再启动与第一二极管并联的第一MOS管工作，这样保持了单向储能传输的独立性，保证了其可靠性。
进一步的，所述第一MOS管和第二MOS管在储能电路启动完成后信号互补，电路的正常工作状态为第一MOS管和第二MOS管工作，电路器件少，稳定可靠，同时实现器件的共用完成能量的双向变换。
进一步的，在储能电路工作前通过软启动方法将所述储能电容充到指定电压。改电路不需额外增加储能电容的软启动电路，在工作前通过软启动方法可把储能电容充到指定电压，不存在上电浪涌问题。
进一步的，所述储能电容的电压低于主电路上的电压，从而使储能电容的耐压可控；尤其是在270V主电路的应用，所述储能电容可以直接选取250V耐压的固态电容，无需串联，无需考虑串联后的电容均压问题。
进一步的，所述储能电路通过输入电流与储能电容电压的双环控制实现大动态负载变化的匹配；当储能电容上的电压在设定范围内时，则对输入电流进行控制，当储能电容上的电压为设定范围的两端端值时，则对储能电容的电压进行控制。
进一步的，所述输入电流可以控制为线性模式或指数型模式，以兼顾输入电流动态与电路稳定工作的要求，实现充电储能以及放电释能的双象限控制。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明通过一级双向BUCK/BOOST电路对电容成有源储能，实现供电能量平滑，减小发电系统侧的功率脉动，改善电源系统的电压调制问题；同时此变换工作于双向结构，由一个变换器实现双向功能，变换器利用率提高了一倍，大大减小尺寸，同时还可提高效率。本发明相较现有技术，可实现能量高效利用，提升电源系统的效率和功率密度，减小了系统体积。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种用于匹配大动态负载变化的双向BUCK/BOOST储能电路结构示意图。
图2是本发明电路应用到主电路中的示意图。
图3是无双向BUCK/BOOST储能电路仿真图。
图4是增加双向BUCK/BOOST储能电路仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明实施例提供一种用于匹配大动态负载变化的双向BUCK/BOOST储能电路，该电路连接在主电路的供电点上,在主电路负载突然功率减小时通过BUCK电路对储能电容降压充电储能；在负载功率突然加大时又通过BOOST电路逆向对储能电容上的能量进行释放，给负载供电。
如图1所示，本电路中，BUCK的MOS管S1的漏源极(DS)等效并联了二极管D1，为MOS管S1的寄生二极管；BOOST的MOS管S2的漏源极(DS)等效并联D2，为MOS管S2的寄生二极管。MOS管S1的源极与MOS管S2的漏极相连，MOS管S1与MOS管S2的驱动信号互补，电感L和储能电容Cs串联后并联在MOS管S2上。
优选地，在本实施例中，主电路上的电压为270V，储能电容选择250V耐压的固态电容。
在BUCK电路储能时，先开始MOS管S1工作，而不是直接让MOS管S2互补直接工作，而是由二极管D2进行续流工作，等检测到储能电容Cs的电压正常后，再启动MOS管S2工作，降低功耗，提高效率。这样保持了单向储能传输的独立性，保证了其可靠性。
同理，在BOOST电路放电时，先开始MOS管S2工作，而不是直接让MOS管S1互补直接工作，而是由二极管D1进行续流工作，待检测到储能电容Cs的电压正常后，再启动MOS管S1工作。
由于采用一级双向变换电路，是先通过BUCK电路正向充电；再通过BOOST电路反向放电。这样电路利用率很高，共用了电感支路和主变换；同时主电路相对独立，互不影响，使供电系统稳定。
从传统原理上，通过控制MOS管S1和S2可以省掉二极管D1、D2；其好处由于MOS管内阻低，这样可以既可以省体积，也提高效率。但由于这个储能变换电路不能影响主电路的可靠性，故需要前期通过二极管D1、D2，形成BUCK电路和BOOST电路，检测各器件状态；当然也可以利用MOS管的体二极管，但通常MOS管寄生二极管特性差，故加上外置二极管后，可提升电路性能。
下面提供本电路的工作模式：
双向BUCK/BOOST储能电路首先是启动阶段：检测电路回报正常后，缓慢启动MOS管S1工作，而MOS管S2不工作，在本实施例中，MOS管S1的启动时间可设置到200ms。这时MOS管S1、续流二极管D2、电感L1就构成了一个BUCK变换电路，以小功率给储能电容充电；直到充电到额定值，MOS管S1停止工作，然后检测储能电容状态，状态正常则使变换器处于待机状态；不正常进行预警。
当发射机组件处于T模式时，负载突然加重，负载需求的功率变大，此时启动MOS管S2，这时MOS管S2、续流二极管D1、电感L1就构成了逆向BOOST变换电路。将储能电容能量反向馈入到供电电源，发射机起始的功率通过系统传输T阶段功率减去R阶段功率，控制MOS管S2工作；这时再检测主电路的电流，如果电流的增长曲线为发电系统能响应脉冲负载的曲线，就不进行数字修正，如果曲线斜率过大，就加大MOS管S2输出功率，以保证主电路供电功率是按其发电机的响应的斜率变化；当检测储能电容的放电电路正常后，可以开启与MOS管S2互补的MOS管S1信号，提高BOOST变换效率；最终将储能电容的释放的功率线性由大变小，供电电路缓慢增加功率；由此匹配发电机的控制可响应负载功率突增变化，避免引起发电机震荡。
当发射机组件处于接收R模式时，负载突然减轻，负载需求的功率变小，此时启动MOS管S1工作，这时MOS管S1、续流二极管D2、电感L1就构成了一个正向的BUCK变换电给储能电容充电，其起始的功率通过上一阶段的电流检测信号控制MOS管S1工作，使供电系统输出电流连续；这时再检测主电路的电流，如果主电路电流的增长曲线为发电机减轻负载后的可响应曲线，就不进行数字修正，如果曲线斜率过大，就加大MOS管S1输入功率，这样使主电路供电功率是按其响应的斜率逐渐减小。同时再检测储能电容的充电电路正常后，可以开启与MOS管S1互补的MOS管S2信号，提高BUCK变换效率；控制储能电容功率由大变小的存储能量，同时供电电路逐渐增加功率；最终匹配发电机可响应负载功率突减变化，避免引起发电机震荡。
后续当发射机组件工作模式再转换到T发射模式后，同理，MOS管S2、续流二极管D1、电感L1就构成了一个逆向的BOOST变换电路，只是其起始的放电功率可以通过电流互感器检测供电主电路的电流得到，重复第一步骤动作。
本电路的优点如下：
1、器件数量少，性能可靠：只需要两个开关管一个电感，即用一个变换器实现两个变换功能，既可完成电流实时双向可控，通过设计好的算法，即可满足高电流变化率的要求；功率密度提高了一倍；
2、不需额外增加软启动电路：网侧到储能电容是BUCK电路，可以自行进行工作前的软启动，把储能电容冲到指定电压，不存在自身的上电浪涌问题。
3、270V的主电路应用中，使用250V的固态储能电容即可。储能电容无需串联提高耐电压能力。由于工作时储能电容是充放电动态平衡的，如果串联使用，需要做动态均压，而随着产品的使用，电容的容值下降速度不同，其将失去靠容值均压的动态均压功能，从而可能导致局部电容电压过高的问题，而采用双向BUCK(从网侧看)拓扑，可直接选择250V耐压的固态电容作为储能电容，就不存在均压的问题。
下面给出一个具体的实施实例：
主电路的发电机为一个三相115V/400Hz，通过一个三相整流电路。输入电压范围为AC108V～AC125V。
双向BUCK/BOOST储能电路：由MOS管S1、MOS管S2、电感L1构成了BUCK储能充电电路和BOOST释能电路；
270V由发电机发出交流电经18脉整流滤波输出，其负载动态特性较差，即负载发生动态变化时，在无补偿装置的情况下，270Vin的电流和电压会随着负载电流变化而动态变化。供电系统发生13kW恒功率负载瞬变(13kW，50Hz，50％占空比，以下简称标准动态工况)时，无双向BUCK/BOOST储能电路仿真如下图3所示。，可见，交流电流(发电机输出电流)波动和负载电流波动相当，270V母线波动达到30V以上。
图4是同等标准动态工况下，增加本发明双向BUCK/BOOST储能电路后仿真波形，当负载发生0～13kW动态变化时，补偿装置补偿了电流波动中的交流成分，使得交流电流(发电机输出电流)波动较小，270V母线波动波动也随之减少，只有约2.5V。
由图3与图4仿真波形可知，补偿装置的引入，可以很好的平滑动态负载对供电系统的影响。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种用于匹配大动态负载变化的双向BUCK/BOOST储能电路，其特征在于：
所述双向BUCK/BOOST储能电路连接在主电路上，当主电路的负载功率需求变大时，通过双向BUCK/BOOST储能电路反向升压，为负载供电；当主电路的负载功率减小时，通过双向BUCK/BOOST储能电路正向降压进行储能；
所述双向BUCK/BOOST储能电路包括第一MOS管、第二MOS管、电感和储能电容；所述第一MOS管的漏源极等效并联有第一二极管，所述第一MOS管与第一二极管并联后再与第二MOS管串联，所述第二MOS管的漏源极等效并联有第二二极管，所述电感和储能电容串联后并联在第二二极管上。
2.根据权利要求1所述的一种用于匹配大动态负载变化的双向BUCK/BOOST储能电路，其特征在于：所述BOOST变换电路在放电时，先使第二MOS管工作，第一二极管进行续流，等检测到储能电容电压正常后，再启动与第一二极管并联的第一MOS管工作。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于匹配大动态负载变化的双向BUCK/BOOST储能电路，其特征在于：所述BUCK变换电路在充电储能时，先使第一MOS管工作，第二二极管进行续流，等检测到储能电容电压正常后，再启动与第二二极管并联的第二MOS管工作。
4.根据权利要求1所述的一种用于匹配大动态负载变化的双向BUCK/BOOST储能电路，其特征在于：所述第一MOS管和第二MOS管在储能电路启动完成后信号互补。
5.根据权利要求1所述的一种用于匹配大动态负载变化的双向BUCK/BOOST储能电路，其特征在于：在储能电路工作前通过软启动方法将所述储能电容充到指定电压。
6.根据权利要求1所述的一种用于匹配大动态负载变化的双向BUCK/BOOST储能电路，其特征在于：所述储能电容的电压低于主电路的电压。
7.根据权利要求6所述的一种用于匹配大动态负载变化的双向BUCK/BOOST储能电路，其特征在于：所述储能电容选取250V耐压的固态电容。
8.根据权利要求1所述的一种用于匹配大动态负载变化的双向BUCK/BOOST储能电路，其特征在于：所述储能电路通过输入电流与储能电容电压的双环控制实现大动态负载变化的匹配；当储能电容上的电压在设定范围内时，则对输入电流进行控制，当储能电容上的电压为设定范围的两端端值时，则对储能电容的电压进行控制。
9.根据权利要求8所述的一种用于匹配大动态负载变化的双向BUCK/BOOST储能电路，其特征在于：所述输入电流可以控制为线性模式或指数型模式。
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