CN219394677U - 一种降低开关损耗的电源电路及储能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及储能系统供电技术领域，提供一种降低开关损耗的电源电路及储能系统，在电源电路的变压器初级绕组上并联吸收模块，在开关驱动模块关断时，变压器因漏感产生尖峰电压，此时导通第一二极管，尖峰电压经过第一二极管向吸收电容C1充电，一方面对开关驱动模块与变压器连接端上的高压高频衰减谐振进行抑制；另一方面，在吸收电容C1充满电时，通过放电电阻R1向供电电池进行充电，实现电能回收，通过降低开关管损耗以及提高电池组供电效率，进而改善电源或储能电路系统的EMC特性并提高电路的稳定性。

Description

一种降低开关损耗的电源电路及储能系统

技术领域

本实用新型涉及储能系统供电技术领域，尤其涉及一种降低开关损耗的电源电路及储能系统。

背景技术

在对储能过程进行分析时，为了确定研究对象而划出的部分物体或空间范围，称为储能系统。它包括能量和物质的输入和输出、能量的转换和储存设备。储能系统往往涉及多种能量、多种设备、多种物质、多个过程，是随时间变化的复杂能量系统，需要多项指标来描述它的性能。常用的评价指标有储能密度、储能功率、蓄能效率以及储能价格、对环境的影响等。

现有的储能电路系统中都设置有辅助电源，辅助电源设置有MOSFET开关管和变压器，而在开关管关断的时候，会因变压器存在漏感而产生高频谐振的尖峰电压，而尖峰电压过高则容易损坏后面连接的电子元器件，并且电压过高也增大了MOS管的开关损耗，降低了整体电路的工作效率。幅值高且频率高的尖峰电压易造成干扰，带来电源及储能系统EMC不良的问题，或者造成控制电路不稳定。

发明内容

本实用新型提供一种降低开关损耗的电源电路及储能系统，解决了现有的辅助电源电路因漏感产生的尖峰电压，存在元器件损坏的隐患，且高电压将导致开关损耗过大，幅值高且频率高也存在干扰电路正常工作的技术问题。

为解决以上技术问题，本实用新型提供一种降低开关损耗的电源电路，包括与供电电池连接的变压器，以及开关驱动模块和吸收模块；所述变压器包括初级绕组和次级绕组，所述变压器的初级绕组与所述开关驱动模块连接；所述吸收模块与所述初级绕组并联，一端与供电电池连接，另一端与所述开关驱动模块连接；

所述吸收模块包括吸收电容C1、放电电阻R1和第一二极管，所述吸收电容C1的一端通过所述放电电阻R1与所述供电电池连接，另一端接地；所述第一二极管的正极接入所述开关驱动模块与所述初级绕组之间，负极接入所述吸收电容C1与所述放电电阻R1之间。

本基础方案的有益效果如下：

在电源电路的变压器初级绕组上并联吸收模块，在开关驱动模块关断时，变压器因漏感产生尖峰电压，此时导通第一二极管，尖峰电压经过第一二极管向吸收电容C1充电，一方面对开关驱动模块与变压器连接端上的高压高频衰减谐振进行抑制；另一方面，在吸收电容C1充满电时，通过放电电阻R1向供电电池进行充电，实现电能回收，通过降低开关管损耗以及提高电池组供电效率，进而改善电源或储能电路系统的EMC特性并提高电路的稳定性。

在进一步的实施方案中，本实用新型还包括与所述第一二极管并联的缓冲保护模块，所述缓冲保护模块包括电阻R2和电容C2，电阻R2的一端接入所述吸收电容C1和放电电阻R1之间，另一端通过电容C2接入所述开关驱动模块与所述初级绕组的同名端之间。

本方案在吸收模块上接入缓冲保护模块，在第一二极管未导通前，通过电阻R2和电容C2吸收上升状态的突变电压，而在突变电压上升至第一二极管导通时，则由电容C2与第一二极管同时向第一电容充电，如此使得开关驱动模块上的突变电压上升趋势减缓，从而使得开关驱动模块的关断损耗能够降低，提高电源转换效率和稳定性。

在进一步的实施方案中，本实用新型还包括低压控制模块，所述低压控制模块的一端与供电电池连接，另一端与所述开关驱动模块连接；

所述低压控制模块包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C3、电容C4和电源管理芯片；所述电源管理芯片的电源端通过电阻R3与供电电池连接、还通过电容C3接地，使能端通过电阻R4与开关信号输入端连接、还通过电阻R5接地，控制端与所述开关驱动模块连接；电容C4与电阻R4并联。

本方案将以电源管理芯片为核心的低压控制模块直接连接在供电电池上，利用低开启电压的电源管理芯片控制电池电压隔离转换为稳定的低压直流，为后面的开关驱动电路等其他功能电路供电，通过低压供电，降低电路损耗，避免供电电池的电能消耗过快，进而提高供电电池的续航能力。

在进一步的实施方案中，所述开关驱动模块包括第一开关管、电阻R6、电阻R7和电阻R8；当所述第一开关管为N沟道MOS管时，所述第一开关管的栅极与所述低压控制模块连接，源极通过电阻R8接地，漏极与所述初级绕组的同名端连接；电阻R7的两端分别与所述第一开关管的栅极、源极连接；电阻R6的一端与所述第一开关管的源极连接，另一端与所述低压控制模块连接。

本方案采用MOS管组件开关驱动模块，适应大电流的电源输出，同时通过电源管理芯片的信号控制，实现对电源输出导通/关断的控制。

在进一步的实施方案中，本实用新型还包括与所述变压器的次级绕组连接的恒压输出模块，所述恒压输出模块包括电阻R9、电容C5、电容C6和第二二极管；所述第二二极管的正极与所述次级绕组的同名端连接，负极与电源输出端连接；电阻R9的一端与所述次级绕组的同名端连接，另一端通过电容C5与电源输出端连接；电容C6的正极与所述第二二极管的负极连接，负极接地。

本方案在变压器之后，设置与第二二极管并联的电阻R9、电容C5，结合电容C6的滤波作用，可输出稳定可靠的恒压电源。

在进一步的实施方案中，本实用新型还包括反馈模块，所述反馈模块的输入端与所述恒压输出模块连接，输出端与所述低压控制模块的反馈脚连接；

所述反馈模块包括电阻R10、电阻R11、电阻R12；电阻R10的一端与所述恒压输出模块的电源输出端连接，另一端通过电阻R11接地；电阻R12的一端与所述低压控制模块的电源端连接，另一端接入低压控制模块的反馈脚；所述低压控制模块的反馈脚接入电阻R10与电阻R11之间。

本方案在恒压输出模块的电源输出端接入反馈模块，利用分压电阻将电源输出实时反馈至低压控制模块的反馈脚，进而实现对电源输出的实时监测、调整。

在进一步的实施方案中，本实用新型还包括短路保护模块，所述短路保护模块串联在所述开关驱动模块与所述低压控制模块之间，包括第三二极管和电阻R13，所述第三二极管的正极与所述开关驱动模块连接、负极与所述低压控制模块连接；电阻R13与所述第三二极管并联。

本方案利用了二极管具有很强的耐冲击电流能力和钳位的特性，在出现输出短路时，电阻R13两端的电压会被钳位在预定范围左右，多余的电流通过第三二极管，进而有效保护电阻R13不被损坏。

在进一步的实施方案中，本实用新型还包括滤波电路，所述滤波电路包括滤波电容C7，所述滤波电容C7的正极与供电电池连接、负极接地。

本方案在供电电池的输出端，接入滤波电容降低交流脉动波纹系数提升高效平滑直流输出。

本实用新型还提供一种储能系统，包括BMS电池管理模块、储能装置和逆变器，所述储能装置包括至少一个电池包，所述逆变器包括上述的一种降低开关损耗的电源电路。

本方案针对现有的储能系统因尖峰电压导致能耗过高问题，将其逆变电路进行优化，改进得到低开关损耗的电源电路，从而可进一步提高储能系统的能源利用率，且提高储能系统的稳定性，适用性更高。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种降低开关损耗的电源电路的硬件电路图；

其中：变压器T1，电源管理芯片U1，第一开关管Q1，第一二极管D1，第二二极管D2，第三二极管D3，电阻R1～电阻R13，电容C1～电容C7。

具体实施方式

下面结合附图具体阐明本实用新型的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本实用新型的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本实用新型专利保护范围的限制，因为在不脱离本实用新型精神和范围基础上，可以对本实用新型进行许多改变。

实施例1

本实用新型实施例提供的一种降低开关损耗的电源电路，如图1所示，在本实施例中，包括与供电电池连接的变压器T1、低压控制模块、滤波电路，以及开关驱动模块、吸收模块、缓冲保护模块、恒压输出模块、反馈模块和短路保护模块；变压器T1包括初级绕组T1B和次级绕组T1A，变压器T1的初级绕组T1B与开关驱动模块连接；吸收模块与初级绕组T1B并联，一端与供电电池连接，另一端与开关驱动模块连接；

吸收模块包括吸收电容C1、放电电阻R1和第一二极管D1，吸收电容C1的一端通过放电电阻R1与供电电池连接，另一端接地；第一二极管D1的正极接入开关驱动模块与初级绕组T1B之间，负极接入吸收电容C1与放电电阻R1之间。

具体的，吸收模块的工作原理如下：

在MOS管的D极(漏极)设置吸收电容C1及放电电阻R1，当MOS管关断时，因变压器T1存在漏感，MOS管的D极电压呈突变上升状态，当突变尖峰电压上升至输入电压加输出电压反射至初级侧的电压值时，第一二极管D1将导通；

此时，突变的尖峰电压会经第一二极管D1向吸收电容C1进行充电，使得MOS管关断后的D极的高压高频衰减谐振被抑制到很低的状态，而当吸收电容C1充满的时候，则会通过放电电阻R1向电池组充电，达到电能回收的作用。

在本实施例中，缓冲保护模块与第一二极管D1并联，包括电阻R2和电容C2，电阻R2的一端接入吸收电容C1和放电电阻R1之间，另一端通过电容C2接入开关驱动模块与初级绕组T1B的同名端之间。

具体的，缓冲保护模块的工作原理如下：

电阻R2和电容C2串联后和第一二极管D1并联，使得当MOS管关断后其D极电压呈突变上升状态时，在第一二极管D1未导通前，此突变电压可以经电阻R2和电容C2给电容C1充电，当突变电压上升至使第一二极管D1导通后，第一二极管D1和电容C2并联一起给电容C1充电，使得MOS管的D极电压上升趋势减缓，从而使得MOS管的关断损耗能够降低。

本实施例在吸收模块上接入缓冲保护模块，在第一二极管D1未导通前，通过电阻R2和电容C2吸收上升状态的突变电压，而在突变电压上升至第一二极管D1导通时，则由电容C2与第一二极管D1同时向第一电容充电，如此使得开关驱动模块上的突变电压上升趋势减缓，从而使得开关驱动模块的关断损耗能够降低，提高电源转换效率和稳定性。

在本实施例中，低压控制模块的一端与供电电池连接，另一端与开关驱动模块连接；

低压控制模块包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C3、电容C4和电源管理芯片U1；电源管理芯片U1的电源端通过电阻R3与供电电池连接、还通过电容C3接地，使能端通过电阻R4与开关信号输入端ON/OFF连接、还通过电阻R5接地，控制端与开关驱动模块连接；电容C4与电阻R4并联。

在本实施例中，开关信号输入端ON/OFF用于接收来自主控芯片给的开关信号或者按键开关给信号。

本实施例将以电源管理芯片U1为核心的低压控制模块直接连接在供电电池上，利用低开启电压的电源管理芯片U1控制电池电压隔离转换为稳定的低压直流，为后面的开关驱动电路等其他功能电路供电，通过低压供电，降低电路损耗，避免供电电池的电能消耗过快，进而提高供电电池的续航能力。

在本实施例中，开关驱动模块包括第一开关管Q1、电阻R6、电阻R7和电阻R8；当第一开关管Q1为N沟道MOS管时，第一开关管Q1的栅极与低压控制模块连接，源极通过电阻R8接地，漏极与初级绕组T1B的同名端连接；电阻R7的两端分别与第一开关管Q1的栅极、源极连接；电阻R6的一端与第一开关管Q1的源极连接，另一端与低压控制模块连接。

本实施例采用MOS管组件开关驱动模块，适应大电流的电源输出，同时通过电源管理芯片U1的信号控制，实现对电源输出导通/关断的控制。

在本实施例中，恒压输出模块与变压器T1的次级绕组T1A连接，包括电阻R9、电容C5、电容C6和第二二极管D2；第二二极管D2的正极与次级绕组的同名端连接，负极与电源输出端Vout连接；电阻R9的一端与次级绕组的同名端连接，另一端通过电容C5与电源输出端Vout连接；电容C6的正极与第二二极管D2的负极连接，负极接地。

本实施例在变压器T1之后，设置与第二二极管D2并联的电阻R9、电容C5，结合电容C6的滤波作用，可输出稳定可靠的恒压电源。

在本实施例中，反馈模块的输入端Vo1与恒压输出模块连接，输出端与低压控制模块的反馈脚连接；

反馈模块包括电阻R10、电阻R11、电阻R12；电阻R10的一端与恒压输出模块的电源输出端Vout连接，另一端通过电阻R11接地；电阻R12的一端与低压控制模块的电源端连接，另一端接入低压控制模块的反馈脚；低压控制模块的反馈脚接入电阻R10与电阻R11之间。

本实施例在恒压输出模块的电源输出端Vout接入反馈模块，利用分压电阻将电源输出实时反馈至低压控制模块的反馈脚，进而实现对电源输出的实时监测、调整。

在本实施例中，短路保护模块串联在开关驱动模块与低压控制模块之间，包括第三二极管D3和电阻R13，第三二极管D3的正极与开关驱动模块连接、负极与低压控制模块连接；电阻R13与第三二极管D3并联。

本实施例利用了二极管具有很强的耐冲击电流能力和钳位的特性，在出现输出短路时，电阻R13两端的电压会被钳位在预定范围左右，多余的电流通过第三二极管D3，进而有效保护电阻R13不被损坏。

在本实施例中，滤波电路包括滤波电容C7，滤波电容C7的正极与供电电池连接、负极接地。

本实施例在供电电池的输出端，接入滤波电容降低交流脉动波纹系数提升高效平滑直流输出。

本基础方案的有益效果如下：

在电源电路的变压器T1初级绕组T1B上并联吸收模块，在开关驱动模块关断时，变压器T1因漏感产生尖峰电压，此时导通第一二极管D1，尖峰电压经过第一二极管D1向吸收电容C1充电，一方面对开关驱动模块与变压器T1连接端上的高压高频衰减谐振进行抑制；另一方面，在吸收电容C1充满电时，通过放电电阻R1向供电电池进行充电，实现电能回收，通过降低开关管损耗以及提高电池组供电效率，进而改善电源或储能电路系统的EMC特性并提高电路的稳定性。

实施例2

本实用新型实施例还提供一种储能系统，包括BMS电池管理模块、储能装置和逆变器，储能装置包括至少一个电池包，逆变器包括上述实施例1提供的一种降低开关损耗的电源电路。

在本实施例中，电池包为电源电路中的供电电池。

本实用新型实施例针对现有的储能系统因尖峰电压导致能耗过高问题，将其逆变电路进行优化，改进得到低开关损耗的电源电路，从而可进一步提高储能系统的能源利用率，且提高储能系统的稳定性，适用性更高。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种降低开关损耗的电源电路，其特征在于：包括与供电电池连接的变压器，以及开关驱动模块和吸收模块；所述变压器包括初级绕组和次级绕组，所述变压器的初级绕组与所述开关驱动模块连接；所述吸收模块与所述初级绕组并联，一端与供电电池连接，另一端与所述开关驱动模块连接；

所述吸收模块包括吸收电容C1、放电电阻R1和第一二极管，所述吸收电容C1的一端通过所述放电电阻R1与所述供电电池连接，另一端接地；所述第一二极管的正极接入所述开关驱动模块与所述初级绕组之间，负极接入所述吸收电容C1与所述放电电阻R1之间。

2.如权利要求1所述的一种降低开关损耗的电源电路，其特征在于：还包括与所述第一二极管并联的缓冲保护模块，所述缓冲保护模块包括电阻R2和电容C2，电阻R2的一端接入所述吸收电容C1和放电电阻R1之间，另一端通过电容C2接入所述开关驱动模块与所述初级绕组的同名端之间。

3.如权利要求2所述的一种降低开关损耗的电源电路，其特征在于：还包括低压控制模块，所述低压控制模块的一端与供电电池连接，另一端与所述开关驱动模块连接；

所述低压控制模块包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C3、电容C4和电源管理芯片；所述电源管理芯片的电源端通过电阻R3与供电电池连接、还通过电容C3接地，使能端通过电阻R4与开关信号输入端连接、还通过电阻R5接地，控制端与所述开关驱动模块连接；电容C4与电阻R4并联。

4.如权利要求3所述的一种降低开关损耗的电源电路，其特征在于：所述开关驱动模块包括第一开关管、电阻R6、电阻R7和电阻R8；当所述第一开关管为N沟道MOS管时，所述第一开关管的栅极与所述低压控制模块连接，源极通过电阻R8接地，漏极与所述初级绕组的同名端连接；电阻R7的两端分别与所述第一开关管的栅极、源极连接；电阻R6的一端与所述第一开关管的源极连接，另一端与所述低压控制模块连接。

5.如权利要求4所述的一种降低开关损耗的电源电路，其特征在于：还包括与所述变压器的次级绕组连接的恒压输出模块，所述恒压输出模块包括电阻R9、电容C5、电容C6和第二二极管；所述第二二极管的正极与所述次级绕组的同名端连接，负极与电源输出端连接；电阻R9的一端与所述次级绕组的同名端连接，另一端通过电容C5与电源输出端连接；电容C6的正极与所述第二二极管的负极连接，负极接地。

6.如权利要求5所述的一种降低开关损耗的电源电路，其特征在于：还包括反馈模块，所述反馈模块的输入端与所述恒压输出模块连接，输出端与所述低压控制模块的反馈脚连接；

所述反馈模块包括电阻R10、电阻R11、电阻R12；电阻R10的一端与所述恒压输出模块的电源输出端连接，另一端通过电阻R11接地；电阻R12的一端与所述低压控制模块的电源端连接，另一端接入所述低压控制模块的反馈脚；所述低压控制模块的反馈脚接入电阻R10与电阻R11之间。

7.如权利要求3所述的一种降低开关损耗的电源电路，其特征在于：还包括短路保护模块，所述短路保护模块串联在所述开关驱动模块与所述低压控制模块之间，包括第三二极管和电阻R13，所述第三二极管的正极与所述开关驱动模块连接、负极与所述低压控制模块连接；电阻R13与所述第三二极管并联。

8.如权利要求4所述的一种降低开关损耗的电源电路，其特征在于：还包括滤波电路，所述滤波电路包括滤波电容C7，所述滤波电容C7的正极与供电电池连接、负极接地。

9.一种储能系统，其特征在于：包括BMS电池管理模块、储能装置和逆变器，所述储能装置包括至少一个电池包，所述逆变器包括如权利要求1～8中任一项权利要求所述的一种降低开关损耗的电源电路。