CN216957242U - 一种dc-dc电力电子教学实验平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种DC‑DC电力电子教学实验平台，它包括开关直流降压电路、开关直流升压电路、开关直流双向充放电电路、PWM驱动控制电路、大电容、负载、辅助直流电源及可充电的电池；开关直流升压电路的低压侧连接辅助直流电源且高压侧连接大电容；开关直流降压电路的高压侧连接大电容且低压侧连接负载，开关直流双向充放电电路的高压侧连接大电容且低压侧连接电池，PWM驱动控制电路与开关直流降压电路、开关直流升压电路、开关直流双向充放电电路相连以对该开关直流降压电路、开关直流升压电路、开关直流双向充放电电路中的开关器件进行控制。它具有如下优点：实现具有更多实验功能的实验平台的搭建，更加利于实验教学与学生实验学习。

Description

一种DC-DC电力电子教学实验平台

技术领域

本实用新型涉及DC-DC电源，尤其涉及一种DC-DC电力电子教学实验平台。

背景技术

《电力电子技术》是电气工程领域的一门重要专业课程，是电气工程(强电)、信息工程(弱电)、控制工程的交叉学科，是连接弱电和强电的桥梁，是目前最活跃、发展最快的新兴学科之一。

针对发展的需求，电力电子技术课程需要进行实验教学改革，国内外进行电力电子技术实验的组织方式通常是使用标准的电力电子试验台和试验箱，其功能基本齐全，能够实现基本拓扑的实验教学，但难以实现前沿技术的演示教学，不利于激发学生兴趣，限制了学生动手能力和创新能力的培养。

现有教学通常是使用标准的电力电子试验台和试验箱，常见的试验箱有浙江求是科教设备有限公司的NMCL-II电机电力电子及电气传动试验仪，通过其中NMCL-22现代电力电子及直流脉宽调速组件可以进行直流斩波电路的实验教学，其功能比较基本，仅能通过独立器件的连接完成直流斩波电路的开环实验，无法基于现有的实验台对开关电源中稳压精度、电压调整率和负载调整率等重要参数进行演示教学，同时无法进行前沿技术的演示教学，不利于激发学生兴趣，限制了学生动手能力和创新能力的培养。

实用新型内容

本实用新型提供了一种DC-DC电力电子教学实验平台，其克服了背景技术中所述的现有技术的不足。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种DC-DC电力电子教学实验平台，它包括开关直流降压电路、开关直流升压电路、开关直流双向充放电电路、能产生PWM信号的PWM驱动控制电路、大电容、负载、辅助直流电源及可充电的电池；该开关直流升压电路的低压侧连接辅助直流电源且高压侧连接大电容；该开关直流降压电路的高压侧连接大电容且低压侧连接负载，该开关直流双向充放电电路的高压侧连接大电容且低压侧连接电池，该PWM驱动控制电路与开关直流降压电路、开关直流升压电路、开关直流双向充放电电路相连以对该开关直流降压电路、开关直流升压电路、开关直流双向充放电电路中的开关器件进行控制。

一实施例之中：该PWM驱动控制电路包括控制器、采样电路和功率放大电路，该采样电路和功率放大电路均与该控制器连接，该采样电路用于采集电路的电压或电流信号，该功率放大电路与开关直流降压电路、开关直流升压电路、开关直流双向充放电电路中的开关器件相连，控制器根据采样电路的采样值产生相应的PWM信号。

一实施例之中：还包括用于过流保护、过压保护或短路保护的保护电路。

一实施例之中：该开关直流降压电路为Buck拓扑电路、cuk拓扑电路、sepic拓扑电路、zeta拓扑电路中的任一种。

一实施例之中：该开关直流升压电路为Boost拓扑电路、cuk拓扑电路、sepic拓扑电路、zeta拓扑电路中的任一种。

一实施例之中：该开关直流双向充放电电路为双向Buck-Boost拓扑电路。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

通过大电容将开关直流降压电路、开关直流升压电路、开关直流双向充放电电路联合起来形成了一个具有新的DC-DC拓扑电路，构架了一个能够实现各种先进技术功能的基本实验电路框架，通过不同的控制策略，基于该实验平台能够实现基本拓扑的理论教学与实验验证，又能够实现前沿的光伏发电蓄电教学、最大功率跟踪算法、蓄电池充电策略、电动车供电系统基本框架以及空间飞行器供电系统基本框架等多方面的演示和研究。扩大了实验平台的功能，更加适用于学生的实验学习，该平台可操作性大大提高，可实现的功能更多，也更能激发学生的学习兴趣。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1为一种DC-DC电力电子教学实验平台的总体硬件结构框图。

图2为本实施例所述的实验控制策略框图。

图3为本实施例所述的信号控制流程图。

具体实施方式

请查阅图1，一种DC-DC电力电子教学实验平台，它包括通过开关器件控制进行直流降压的开关直流降压电路1、通过开关器件控制进行直流升压的开关直流升压电路2、通过开关器件控制实现双向升降压并进行充放电的开关直流双向充放电电路3、能产生PWM信号的PWM驱动控制电路4、大电容5、负载6、辅助直流电源7及可充电的电池8；该开关直流升压电路2的低压侧连接辅助直流电源7且高压侧连接大电容5；该开关直流降压电路1的高压侧连接大电容4且低压侧连接负载6，该开关直流双向充放电电路3的高压侧连接大电容5且低压侧连接电池8，该PWM驱动控制电路4与开关直流降压电路1、开关直流升压电路2、开关直流双向充放电电路3相连以对该开关直流降压电路1、开关直流升压电路2、开关直流双向充放电电路3中的开关器件进行控制。

该PWM驱动控制电路4包括控制器41、采样电路42和功率放大电路43，该采样电路42和功率放大电路43均与该控制器41连接，该采样电路42用于采集电路的电压或电流信号以形成用于调节PWM信号输出的反馈信号，该功率放大电路43与开关直流降压电路1、开关直流升压电路2、开关直流双向充放电电路3中的开关器件相连以实现对该些开关器件的直接作用，控制器41根据采样电路42的采样值产生相应的PWM信号。

通常，该实验平台还包括用于过流保护、过压保护或短路保护的保护电路(图中未示出)，以保护该实验平台上电路的安全。

该开关直流降压电路1可为Buck拓扑电路、cuk拓扑电路、sepic拓扑电路、zeta拓扑电路中的任一种。

该开关直流升压电路2可为Boost拓扑电路、cuk拓扑电路、sepic拓扑电路、zeta拓扑电路中的任一种。

该开关直流双向充放电电路3可为双向Buck-Boost拓扑电路或其他开关直流双向充放电电路。

请查阅图2和图3，基于上述实验平台，本实施例取开关直流降压电路1为Buck拓扑电路，该开关直流升压电路2为Boost拓扑电路，该开关直流双向充放电电路3为双向Buck-Boost拓扑电路，配合不同的控制策略，该控制策略为对Boost拓扑电路、Buck拓扑电路、双向Buck-Boost拓扑电路三者进行选择控制，再结合达到相应实验目的所需的现有控制策略或算法(如开环实验涉及的策略、硬件电压闭环实验涉及的策略、软件电压闭环实验涉及的策略、电池恒压充电涉及的策略、电池恒流充电涉及的策略、电池涓流充电策略、电池放电策略、功率因数校正控制策略、光伏发电蓄电策略、电动车供电策略、空间飞行器相关控制策略等)形成，能够实现以下实验：

实验1：单独选择使用Boost拓扑电路时(即单独使用Boost拓扑电路)，大电容作为输出电容，在大电容两端接负载，通过PWM驱动控制电路、保护电路实现基本Boost拓扑的开环实验教学。

实验2：单独选择使用Boost拓扑电路时，大电容作为输出电容，在大电容两端接负载，通过PWM驱动控制电路、保护电路实现基本Boost拓扑电路的硬件电压闭环实验教学。

实验3：单独选择使用Boost拓扑电路时，大电容作为输出电容，在大电容两端接负载，通过PWM驱动控制电路、保护电路实现基本Boost拓扑电路的软件电压闭环实验教学。

实验4：单独选择使用Buck拓扑电路时，对Boost拓扑电路不进行控制，大电容作为输入电容，Buck拓扑电路输出端接负载，通过PWM驱动控制电路、保护电路实现基本Buck拓扑电路的开环实验教学。

实验5：单独选择使用Buck拓扑电路时，对Boost拓扑电路不进行控制，大电容作为输入电容，Buck拓扑电路输出端接负载，通过PWM驱动控制电路、保护电路实现基本Buck拓扑的硬件电压闭环实验教学。

实验6：单独选择使用Buck拓扑电路时，对Boost拓扑电路不进行控制，大电容作为输入电容，Buck拓扑电路输出端接负载，通过PWM驱动控制电路、保护电路实现基本Boost拓扑电路的软件电压闭环实验教学。

实验7：单独选择使用双向Buck-Boost拓扑电路时，对Boost拓扑电路不进行控制，大电容作为输入电容，双向Buck-Boost拓扑电路变为一个Buck拓扑电路，输出端接电池，通过PWM驱动控制电路、保护电路实现软件电压闭环，可进行电池恒压充电演示教学。

实验8：单独选择使用双向Buck-Boost拓扑电路时，对Boost拓扑电路不进行控制，大电容作为输入电容，则双向Buck-Boost拓扑电路变为一个Buck拓扑电路，输出端接电池，通过PWM驱动控制电路、保护电路实现电流环软件闭环，可进行电池恒流充电演示教学。

实验9：单独选择使用双向Buck-Boost拓扑电路时，对Boost拓扑电路不进行控制，大电容作为输入电容，则双向Buck-Boost拓扑电路变为一个Buck拓扑电路，输出端接电池，通过PWM驱动控制电路、保护电路实现软件电压电流闭环，可进行电池涓流充电演示教学及电池充电策略研究。

实验10：单独选择使用双向Buck-Boost拓扑电路时，对Boost拓扑电路不进行控制，大电容作为输出电容，则双向Buck-Boost拓扑电路变为一个Boost拓扑电路，输入端接电池，大电容可接负载，通过PWM驱动控制电路、保护电路实现软件电压电流闭环，可进行电池放电演示教学和电池放电策略研究。

实验11：联合使用Boost拓扑电路和Buck拓扑电路时，构成一个二级电路，大电容作为电路直流母线电容，对前级Boost拓扑电路和后级Buck拓扑电路进行解耦，可实现二级独立控制。其中后级Buck拓扑电路输出端接负载，通过对直流母线电容电压进行采样实现母线电压环稳压控制。前级Boost拓扑电路输入端口接辅助直流电源(该辅助直流电流可用来模拟光伏电池)，对输入电压和电流进行采样实现功率环控制，通过PWM驱动控制电路、保护电路可进行光伏电池最大功率跟踪技术的演示教学及策略的研究。同时，相同的电路也可以实现功率因数校正控制策略的演示教学及策略的研究。

实验12：联合使用Boost拓扑电路和双向Buck-Boost拓扑电路时，构成一个二级电路，大电容作为电路直流母线电容，对前级Boost拓扑电路和后级双向Buck-Boost拓扑电路进行解耦，可实现二级独立控制。其中后级双向Buck-Boost拓扑电路实现Buck拓扑电路功能，输出端接电池，通过对直流母线电容电压进行采样及电池端口输出电压和输出电流进行采样实现母线电压稳压和蓄电池充电的耦合控制，可通过前级Boost拓扑电路对输入电压和电流进行采样实现功率环控制，实现太阳能电池最大功率跟踪技术，通过PWM驱动控制电路、保护电路可进行光伏发电蓄电的演示教学及策略的研究。

实验13：联合使用双向Buck-Boost拓扑电路和Buck拓扑电路时，构成一个二级电路，大电容作为电路直流母线电容，对前级双向Buck-Boost拓扑电路和后级Buck拓扑电路进行解耦，可实现二级独立控制。其中后级Buck拓扑电路输出端接负载，通过对直流母线电容电压进行采样及蓄能端口输出电压电流进行采样实现母线电压稳压控制。前级双向Buck-Boost拓扑电路作为Boost拓扑电路使用，输入端口接电池，对输入端口的电压和电流进行采样，通过电压电流采样电路、控制器、驱动电路、保护电路可进行电动车供电系统基本框架的演示教学及策略的研究。

实验14：联合使用Boost拓扑电路模块，双向Buck-Boost拓扑电路模块和Buck拓扑电路模块时，构成一个三端口DC-DC电路，大电容作为电路直流母线电容，对三个拓扑模块进行解耦，可实现三端口各级拓扑电路独立控制。其中Boost拓扑电路输入端口接模拟光伏电池，对输入电压和电流进行采样实现功率环控制，实现太阳能电池最大功率跟踪技术。Buck拓扑电路输出端接负载，通过对直流母线电容电压和输出电压进行采样实现母线电压稳压和输出恒压控制。当太阳能电池电压高时，双向Buck-Boost拓扑电路作为正向Buck拓扑电路向电池充电，并通过电池端口电压环和电流环控制实现电池充电。当太阳能电池电压下降时，双向Buck-Boost拓扑电路作为Boost拓扑电路，对电池端口的电压和电流进行采样实现蓄电池放电。最后通过PWM驱动控制电路、保护电路可进行空间飞行器系统基本框架的演示教学及策略的研究。

其他拓扑电路(cuk拓扑电路、sepic拓扑电路、zeta拓扑电路及其他开关直流双向充放电电路)结合大电容组合形成的本案DC-DC拓扑电路同样适用于本述实施例所述各实验。

以上所述，仅为本实用新型较佳实施例而已，故不能依此限定本实用新型实施的范围，即依本实用新型专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖的范围内。

Claims (6)

1.一种DC-DC电力电子教学实验平台，其特征在于：包括开关直流降压电路、开关直流升压电路、开关直流双向充放电电路、能产生PWM信号的PWM驱动控制电路、大电容、负载、辅助直流电源及可充电的电池；该开关直流升压电路的低压侧连接辅助直流电源且高压侧连接大电容；该开关直流降压电路的高压侧连接大电容且低压侧连接负载，该开关直流双向充放电电路的高压侧连接大电容且低压侧连接电池，该PWM驱动控制电路与开关直流降压电路、开关直流升压电路、开关直流双向充放电电路相连以对该开关直流降压电路、开关直流升压电路、开关直流双向充放电电路中的开关器件进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种DC-DC电力电子教学实验平台，其特征在于：该PWM驱动控制电路包括控制器、采样电路和功率放大电路，该采样电路和功率放大电路均与该控制器连接，该采样电路用于采集电路的电压或电流信号，该功率放大电路与开关直流降压电路、开关直流升压电路、开关直流双向充放电电路中的开关器件相连，控制器根据采样电路的采样值产生相应的PWM信号。

3.根据权利要求2所述的一种DC-DC电力电子教学实验平台，其特征在于：还包括用于过流保护、过压保护或短路保护的保护电路。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种DC-DC电力电子教学实验平台，其特征在于：该开关直流降压电路为Buck拓扑电路、cuk拓扑电路、sepic拓扑电路、zeta拓扑电路中的任一种。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种DC-DC电力电子教学实验平台，其特征在于：该开关直流升压电路为Boost拓扑电路、cuk拓扑电路、sepic拓扑电路、zeta拓扑电路中的任一种。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种DC-DC电力电子教学实验平台，其特征在于：该开关直流双向充放电电路为双向Buck-Boost拓扑电路。

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