CN203104288U

CN203104288U - 宽输入范围直流放电装置

Info

Publication number: CN203104288U
Application number: CN 201220576602
Authority: CN
Inventors: 王仕城; 易虎; 张益宁
Original assignee: SUOYING ELECTRICAL TECH Co Ltd BEIJING
Current assignee: SUOYING ELECTRICAL TECH Co Ltd BEIJING
Priority date: 2012-11-05
Filing date: 2012-11-05
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2022-11-05

Abstract

本实用新型涉及一种宽输入范围直流放电装置，包括数字控制模块和受其控制的由一路或多路并联的直流变换电路组成的主功率电路，直流变换电路包括依次连接的由电感L₁、电容C₁和电感L₂组成的LCL-T型电路、由第一、二功率开关管S₁、S₂串联组成的桥臂单元和电容C₂，桥臂单元与电容C₂连接形成回路，LCL-T型电路的正输出端连接到S₁、S₂之间的电结点，负输出端连接到电容C₂的负极，L₁所在支路上设有二极管D₂，D₂的负极连接C₁的正极，D₂的正极与LCL-T型电路的正输出端之间的支路上设有二极管D₁，D₁的正极连接D₂的正极。本实用新型具有输入电压范围宽、升压比高、硬件组成简单、成本低的特点。

Description

宽输入范围直流放电装置

技术领域

本实用新型属于直流电能控制和转换技术领域，主要涉及一种可对直流电源的放电过程中的电压、电流进行控制的装置。

背景技术

DC/DC变换器是直流电源充放电控制装置的核心器件，其升压比通常取决于控制开关管的PWM占空比，受PWM占空比限制，传统的DC/DC变换器的典型拓扑结构如图1所示，其工作时，输入端连接电压较低的直流电源，其输出端连接电压较高的直流母线，当电流由输入端流向输出端，变换器控制直流电源的放电过程，反之，变换器控制直流电源的充电过程。这种变换器的升压比一般不超过5:1。

在较多的应用场合，直流电源的电压较低，而要求其变换后的输出电压较高，升压比要求达到10倍以上。在这种应用场合，传统的充放电控制装置的电压输入范围偏窄，升压比偏低，难以满足这类直流电源的放电控制要求。

为了提高升压比，目前普遍采用多个DC-DC模块级联的方式获得高增益比的DC-DC变换器。其缺点是开关器件过多，电路拓扑复杂，增加了电路的硬件成本，且控制变得复杂，同时还降低了变换器的整体效率，即相应地降低了充放电控制装置的效率。

实用新型内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型提供了一种宽输入范围直流放电装置，具有电压输入范围宽、升压比高的特点，由于没有复杂的多个的DC-DC模块级联的结构，因此硬件简单、成本低，使得本实用新型可满足部分高增益比应用场合。

本实用新型所采用的技术方案是：一种宽输入范围直流放电装置，包括数字控制模块和受其控制的由一路或多路并联的直流变换电路组成的主功率电路，每一路所述直流变换电路的直流输入端设有电池模块接线端子，所述直流变换电路包括第一、第二电感，第一、第二电容以及由第一、第二功率开关管串联组成的桥臂单元，所述桥臂单元与所述第二电容连接形成回路，所述第一、第二电感串联构成电感支路，两电感之间的电结点连接第一电容的正极，第一、第二电容的负极相连接并构成负输入端和负输出端，所述电感支路的靠近第一电感的一端构成正输入端，靠近第二电感的一端连接所述第一、第二功率开关管之间的电结点，第二电容的正极构成正输出端，所述第一、第二电感之间串接有第二二极管，所述第二二极管的负极连接所述第一电容的正极，所述第二二极管的正极与第一、第二功率开关管之间的电结点之间设有一支路，该支路上设有第一二极管，所述第一二极管的正极连接所述第二二极管的正极。

所述第一、第二功率开关管可以为MOS管、IGBT管、碳化硅SiC功率器件或IGCT可控型功率开关器件。

所述第一、第二功率开关管采用同种型号的开关管，且为同向串联连接，当所述第一、第二功率开关管采用P型器件时，与所述第二电容的负极相连的所述桥臂单元的一端可以为所述第二功率开关管的发射极或源极；当所述第一、第二功率开关管采用N器件时，与所述第二电容的负极相连的所述桥臂单元的一端可以为所述第二功率开关管的集电极或漏极。

针对上述任意一种技术方案，还优选设有双路切换开关，所述双路切换开关设在所述宽输入范围直流放电装置的正输入端与第一电感之间以及所述正输入端与第一电容的正极之间。

所述数字控制模块包括沿信号走向依次连接的信号采集与处理电路、控制电路和驱动电路，所述驱动电路的输出端连接所述第一、第二功率开关管的控制端，所述信号采集与处理电路的输入端连接所述直流变换电路的直流输入端上的电压和/或电流采样点，

所述信号采集与处理电路用于采集所述直流变换电路的直流输入电压和/或电流信号并进行放大、滤波、A/D转换的信号处理；

所述控制电路用于将处理后的直流输入电压和/或电流数据与预设的或人为给定的目标电压和/或电流数据进行比较、计算，并输出可改变所述驱动电路的输出的控制信号；

所述驱动电路用于输出占空比可调的方波。

本实用新型的有益效果是：

通过对放电装置的主功率部分电路所做的简单改进，即在传统的DC-DC电路基础上增加少量的二极管和电容器件，就获得了较高的、传统直流DC-DC变换电路所无法达到的宽电压输入范围和升压比，因此可较好地满足电压较低的直流电源高升压比的放电要求。

由于采用了完全不同于传统的为提高升压比所采用的DC-DC模块级联的技术思路，很好地解决了电路拓扑结构复杂、成本高的问题，具有广阔的推广应用前景。

双路切换开关的使用，实现了高变压比直流变换电路与传统直流变换电路的组合与切换，使本实用新型的直流放电装置不仅可满足电压较低的直流电源的特殊需要，而且还保留其对电压相对较高的直流电源的适用。

附图说明

图1是传统直流变换电路的电路拓扑结构示意图；

图2是本实用新型的直流放电装置用于直流电源放电控制时的系统组成示意图；

图3是本实用新型的直流放电装置的原理框图；

图4是本实用新型中所采用的直流变换电路的一个实施例的原理图；

图5是图4的开关S闭合在K1点时，开关S1导通、S2不导通时的系统回路示意图；

图6是图4的开关S闭合在K1点时，开关S2导通、S1不导通时的系统回路示意图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种宽输入范围直流放电装置，可用于电池模块的充、放电状态的电能控制，控制其充放电电流及输出电压，如图2所示，DCsource-1、……、DCsource-n是n个直流电源模块，通常电压较低，通过宽输入范围直流放电装置的控制，可将其电压升高。如图3所示，所述宽输入范围直流放电装置包括数字控制模块和受其控制的主要由一路或多路并联的直流变换电路组成的主功率电路，主功率电路是能量流动的通路，通过功率开关管的导通与关断实现DC-DC变换和能量的流动。直流隔离开关K₃可决定其所对应的直流变换电路是否参与构成所述主功率电路。每一路所述直流变换电路的直流输入端对应该直流放电装置的低电压侧，设有电池模块接线端子，所述直流变换电路包括第一、第二电感L₁、L₂，第一、第二电容C₁、C₂以及由第一、第二功率开关管S₁、S₂串联组成的桥臂单元，所述桥臂单元与所述第二电容连接形成回路，所述第一、第二电感串联构成电感支路，两电感之间的电结点连接第一电容的正极，第一、第二电容的负极相连接并构成负输入端和负输出端，所述电感支路的靠近第一电感的一端构成正输入端，靠近第二电感的一端连接所述第一、第二功率开关管之间的电结点，第二电容的正极构成正输出端，所述第一、第二电感之间串接有第二二极管，所述第二二极管D₂的负极连接所述第一电容的正极，所述第二二极管的正极与第一、第二功率开关管之间的电结点之间设有一支路，该支路上设有第一二极管D₁，所述第一二极管的正极连接所述第二二极管的正极。其中，电容C₁、C₂用于稳压，电感用于L₁、L₂稳纹波。

并且，设置当所述宽输入范围DC-DC放电电路运行时，所述第一、第二功率开关管的开关状态处于互补状态，且设有一定的死区时间。

所述第一、第二功率开关管可以采用MOS管、IGBT管、碳化硅SiC功率器件或IGCT可控型功率开关器件。

所述第一、第二功率开关管采用同种型号的开关管，且为同向串联连接，当所述第一、第二功率开关管采用P型器件（如NPN型晶体三极管、P沟道场效应管等）时，与所述第二电容的负极相连的所述桥臂单元的一端为所述第二功率开关管的发射极或源极，统称为发射极端；当所述第一、第二功率开关管采用N器件（如PNP型晶体三极管、N沟道场效应管等）时，与所述第二电容的负极相连的所述桥臂单元的一端为所述第二功率开关管的集电极或漏极，统称为集电极端。

所述第一、第二功率开关管各自的集电极和发射极之间，或者源极和漏极之间可反向并联有阻尼二极管，或者，所述第一、第二功率开关管采用含有反向并联的阻尼二极管的复合功率开关管。阻尼二极管具有较高的反向工作电压和峰值电流，正向压降小，当第一、第二功率开关管特别是用在感性负载中开关时关断的一瞬间，给产生的与关断电流反向的自感电动势提供一个泄放通路，从而起到保护相应功率开关管的作用。

具体到图4所示的拓扑结构，所述第一功率开关管S₁的的集电极端和所述第二功率开关管S₂的发射极端分别连接所述第二电容的正、负极，所述第一功率开关管的发射极端与所述述第二功率开关管的集电极端连接，并与所述电感支路的靠近第二电感的一端相连接。

如图5所示，当S₁导通、S₂不导通时，A点电压被钳位在u_O，二极管D₁不导通。电流在L₁、D₂、L₂、S₁和外电阻（也称为外部负载或电池模块）中形成回路，开关导通期间电感L₁、L₂上的电流减小。如图6所示，当S₁不导通、S₂导通时，A点电压被钳位在电源负极电位，电感L₁电流通过D₁、S₂形成回路，电感L₂与C₁、S₂形成回路，开关导通期间，电感L₁、L₂上的电流增大。

通过调节PWM波占空比可以控制第一、第二功率开关管S₁、S₂的开、断，从而实现对升压比和输出电压的控制。高增益比的电路通过两级升压实现。从输入电压u_i到第一电容C₁上的电压u_C1，电压升高一级，升压比为k1；从u_C1到输出电压u_O，电压再升高一级，升压比为k2。电路的实际升压比k为这两级升压比的乘积：k=k1×k2。

通过这样的两级升压，可将直流变换电路的最高升压比提升至10倍以上，极大地扩展了所述直流放电装置的升压范围，也相应地拓宽了所适用的输入电压范围。

对于上述任意一种技术方案，还优选设有双路切换开关S，所述双路切换开关设在所述宽输入范围直流放电装置的正输入端与第一电感之间以及正输入端与第一电容的正极之间，其一路的电接点K₁连接所述电感支路的靠近第一电感的一端，另一路的电接点K₂连接所述第一电容的正极，所述正输入端连接所述双路切换开关的两路的公共端。

双路切换开关S闭合在K₂点时，该电路成为单级的传统的直流变换电路。此时第二电感L₂上的电流i_L可以为负，可实现对低压侧电池模块的充电。通过调节PWM波占空比控制第一、第二功率开关管S₁、S₂的开、断，实现对充电电流的控制。

双路切换开关S闭合在K₁点时，该电路即成为上述的高升压比的直流变换电路，可实现DC/DC的高增益比升压，可用于电源电压较低时的输出控制。

切换开关S的设置使得该电路具备了单级与双级并存的特点，使该电路所适应的输入电压范围更宽，升压比范围的上限进一步提高，可适用于更多种不同电压范围的直流电源。

所述双路切换开关可以为机械开关、电子开关或复合开关。并且，实践中不排除实际使用多于两路的切换开关。

图3仅示出了数字控制模块针对一路直流变换电路进行控制的系统结构原理，当存在多路直流变换电路时，每一路直流变换电路的受控过程类同，且多路直流变换电路由同一数字控制模块统一控制。所述数字控制模块包括沿信号走向依次连接的信号采集与处理电路、控制电路和驱动电路，所述驱动电路的输出端连接所述第一、第二功率开关管的控制端，所述信号采集与处理电路的输入端连接所述直流变换电路的直流输入端上的相应采样点，所述采样点包括输入电压采样点和输入电流采样点。所述信号采集与处理电路用于采集所述直流变换电路的直流输入电压和/或电流信号、对这些信号进行处理（如放大、滤波、A/D转换等）以及对故障信号的检测，然后将采样信号反馈给所述控制电路；所述控制电路用于将处理后的直流输入电压和/或电流数据与预设的或人为给定的目标电压和/或电流数据进行比较、计算，并输出可改变所述驱动电路的输出的控制信号；所述驱动电路用于输出占空比可调的脉冲至第一、第二功率开关管的控制端（或称门极端、基极端），以控制第一、第二功率开关管的导通和关断。

所述宽输入范围直流放电装置还设有为所述数字控制模块的各组成部分等二次回路供电的辅助电源。

所述控制电路设有用于同就地控制器双向通信的接口，因此可与就地控制器通信，可充分利用就地控制器的完善的智能控制功能，实现远程测控和监视现场设备，进行数据采集、数据处理、数据显示、计算，实现对输入输出电参量的就地监视控制，还便于维护人员的现场设定、改变参数，进行友好的人机交互，并便于接受上位机的监控，极大地提高了自动控制水平。

所述控制电路是直流放电装置的核心部分，采用DSP芯片作为核心处理器。其主要功能除前述的信号采样和计算、与就地控制器通信，还有控制直流变换电路、对直流变换电路进行故障判断与保护等。

所述驱动电路采用相应的第一、第二功率开关管专用驱动电路，例如，所述第一、第二功率开关管优选为IGBT管，其驱动功率小而饱和压降低，非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域，所述驱动电路则优选采用IGBT专用驱动电路，以使IGBT工作于最优开关状态，提高了IGBT的工作可靠性。同时该驱动电路本身还具有对IGBT功率器件进行过流、过温等异常状态的检测功能，当有异常状态出现时，则关断相应的功率器件，以达到保护功率器件的目的。

Claims

1.一种宽输入范围直流放电装置，包括数字控制模块和受其控制的由一路或多路并联的直流变换电路组成的主功率电路，每一路所述直流变换电路的直流输入端设有电池模块接线端子，其特征在于所述直流变换电路包括第一、第二电感，第一、第二电容以及由第一、第二功率开关管串联组成的桥臂单元，所述桥臂单元与所述第二电容连接形成回路，所述第一、第二电感串联构成电感支路，两电感之间的电结点连接第一电容的正极，第一、第二电容的负极相连接并构成负输入端和负输出端，所述电感支路的靠近第一电感的一端构成正输入端，靠近第二电感的一端连接所述第一、第二功率开关管之间的电结点，第二电容的正极构成正输出端，所述第一、第二电感之间串接有第二二极管，所述第二二极管的负极连接所述第一电容的正极，所述第二二极管的正极与第一、第二功率开关管之间的电结点之间设有一支路，该支路上设有第一二极管，所述第一二极管的正极连接所述第二二极管的正极。

2.如权利要求1所述的宽输入范围直流放电装置，其特征在于所述第一、第二功率开关管为MOS管、IGBT管、碳化硅SiC功率器件或IGCT可控型功率开关器件。

3.如权利要求2所述的宽输入范围直流放电装置，其特征在于所述第一、第二功率开关管各自的集电极和发射极之间，或者源极和漏极之间反向并联阻尼二极管，或者，所述第一、第二功率开关管采用含有反向并联的阻尼二极管的复合功率开关管。

4.如权利要求3所述的宽输入范围直流放电装置，其特征在于所述第一、第二功率开关管采用同种型号的开关管，且为同向串联连接，当所述第一、第二功率开关管采用P型器件时，与所述第二电容的负极相连的所述桥臂单元的一端为所述第二功率开关管的发射极或源极；当所述第一、第二功率开关管采用N器件时，与所述第二电容的负极相连的所述桥臂单元的一端为所述第二功率开关管的集电极或漏极。

5.如权利要求1、2、3或4所述的宽输入范围直流放电装置，其特征在于所述宽输入范围直流放电装置的正输入端与第一电感之间以及其与第一电容的正极之间连接有双路切换开关。

6.如权利要求5所述的宽输入范围直流放电装置，其特征在于所述双路切换开关为机械开关、电子开关或机电复合开关。

7.如权利要求6所述的宽输入范围直流放电装置，其特征在于所述数字控制模块包括沿信号走向依次连接的信号采集与处理电路、控制电路和驱动电路，所述驱动电路的输出端连接所述第一、第二功率开关管的控制端，所述信号采集与处理电路的输入端连接所述直流变换电路的直流输入端上的电压和/或电流采样点，

所述驱动电路用于输出占空比可调的方波。

8.如权利要求7所述的宽输入范围直流放电装置，其特征在于还设有为所述数字控制模块的各组成部分供电的辅助电源。

9.如权利要求8所述的宽输入范围直流放电装置，其特征在于所述控制电路设有用于同就地控制器双向通信的接口。

10.如权利要求9所述的宽输入范围直流放电装置，其特征在于所述第一、第二功率开关管为IGBT管，所述驱动电路采用IGBT专用驱动电路。