專利名稱：寬輸入范圍直流放電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于直流電能控制和轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種可對直流電源的放電過程中的電壓、電流進(jìn)行控制的裝置。
背景技術(shù)：
DC/DC變換器是直流電源充放電控制裝置的核心器件，其升壓比通常取決于控制開關(guān)管的PWM占空比，受PWM占空比限制，傳統(tǒng)的DC/DC變換器的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作時(shí)，輸入端連接電壓較低的直流電源，其輸出端連接電壓較高的直流母線，當(dāng)電流由輸入端流向輸出端，變換器控制直流電源的放電過程，反之，變換器控制直流電源的充電過程。這種變換器的升壓比一般不超過5:1。在較多的應(yīng)用場合，直流電源的電壓較低，而要求其變換后的輸出電壓較高，升壓比要求達(dá)到10倍以上。在這種應(yīng)用場合，傳統(tǒng)的充放電控制裝置的電壓輸入范圍偏窄，升壓比偏低，難以滿足這類直流電源的放電控制要求。為了提高升壓比，目前普遍采用多個(gè)DC-DC模塊級聯(lián)的方式獲得高增益比的DC-DC變換器。其缺點(diǎn)是開關(guān)器 件過多，電路拓?fù)鋸?fù)雜，增加了電路的硬件成本，且控制變得復(fù)雜，同時(shí)還降低了變換器的整體效率，即相應(yīng)地降低了充放電控制裝置的效率。

實(shí)用新型內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本實(shí)用新型提供了一種寬輸入范圍直流放電裝置，具有電壓輸入范圍寬、升壓比高的特點(diǎn)，由于沒有復(fù)雜的多個(gè)的DC-DC模塊級聯(lián)的結(jié)構(gòu)，因此硬件簡單、成本低，使得本實(shí)用新型可滿足部分高增益比應(yīng)用場合。本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是:一種寬輸入范圍直流放電裝置，包括數(shù)字控制豐吳塊和受:其控制的由一路或多路并聯(lián)的直流變換電路組成的主功率電路，每一路所述直流變換電路的直流輸入端設(shè)有電池模塊接線端子，所述直流變換電路包括第一、第二電感，第一、第二電容以及由第一、第二功率開關(guān)管串聯(lián)組成的橋臂單元，所述橋臂單元與所述第二電容連接形成回路，所述第一、第二電感串聯(lián)構(gòu)成電感支路，兩電感之間的電結(jié)點(diǎn)連接第一電容的正極，第一、第二電容的負(fù)極相連接并構(gòu)成負(fù)輸入端和負(fù)輸出端，所述電感支路的靠近第一電感的一端構(gòu)成正輸入端，靠近第二電感的一端連接所述第一、第二功率開關(guān)管之間的電結(jié)點(diǎn)，第二電容的正極構(gòu)成正輸出端，所述第一、第二電感之間串接有第二二極管，所述第二二極管的負(fù)極連接所述第一電容的正極，所述第二二極管的正極與第一、第二功率開關(guān)管之間的電結(jié)點(diǎn)之間設(shè)有一支路，該支路上設(shè)有第一二極管，所述第一二極管的正極連接所述第二二極管的正極。所述第一、第二功率開關(guān)管可以為MOS管、IGBT管、碳化硅SiC功率器件或IGCT可控型功率開關(guān)器件。所述第一、第二功率開關(guān)管采用同種型號的開關(guān)管，且為同向串聯(lián)連接，當(dāng)所述第一、第二功率開關(guān)管采用P型器件時(shí)，與所述第二電容的負(fù)極相連的所述橋臂單元的一端可以為所述第二功率開關(guān)管的發(fā)射極或源極；當(dāng)所述第一、第二功率開關(guān)管采用N器件時(shí)，與所述第二電容的負(fù)極相連的所述橋臂單元的一端可以為所述第二功率開關(guān)管的集電極或漏極。針對上述任意一種技術(shù)方案，還優(yōu)選設(shè)有雙路切換開關(guān)，所述雙路切換開關(guān)設(shè)在所述寬輸入范圍直流放電裝置的正輸入端與第一電感之間以及所述正輸入端與第一電容的正極之間。所述數(shù)字控制模塊包括沿信號走向依次連接的信號采集與處理電路、控制電路和驅(qū)動(dòng)電路，所述驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接所述第一、第二功率開關(guān)管的控制端，所述信號采集與處理電路的輸入端連接所述直流變換電路的直流輸入端上的電壓和/或電流采樣點(diǎn)， 所述信號采集與處理電路用于采集所述直流變換電路的直流輸入電壓和/或電流信號并進(jìn)行放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換的信號處理；所述控制電路用于將處理后的直流輸入電壓和/或電流數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的或人為給定的目標(biāo)電壓和/或電流數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、計(jì)算，并輸出可改變所述驅(qū)動(dòng)電路的輸出的控制
信號;所述驅(qū)動(dòng)電路用于輸出占空比可調(diào)的方波。本實(shí)用新型的有益效果是:通過對放電裝置的主功率部分電路所做的簡單改進(jìn)，即在傳統(tǒng)的DC-DC電路基礎(chǔ)上增加少量的二極管和電容器件，就獲得了較高的、傳統(tǒng)直流DC-DC變換電路所無法達(dá)到的寬電壓輸入范圍和升壓比，因此可較好地滿足電壓較低的直流電源高升壓比的放電要求。由于采用了完全不同于傳統(tǒng)的為提高升壓比所采用的DC-DC模塊級聯(lián)的技術(shù)思路，很好地解決了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 復(fù)雜、成本高的問題，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。雙路切換開關(guān)的使用，實(shí)現(xiàn)了高變壓比直流變換電路與傳統(tǒng)直流變換電路的組合與切換，使本實(shí)用新型的直流放電裝置不僅可滿足電壓較低的直流電源的特殊需要，而且還保留其對電壓相對較高的直流電源的適用。

圖1是傳統(tǒng)直流變換電路的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型的直流放電裝置用于直流電源放電控制時(shí)的系統(tǒng)組成示意圖；圖3是本實(shí)用新型的直流放電裝置的原理框圖；圖4是本實(shí)用新型中所采用的直流變換電路的一個(gè)實(shí)施例的原理圖；圖5是圖4的開關(guān)S閉合在Kl點(diǎn)時(shí)，開關(guān)SI導(dǎo)通、S2不導(dǎo)通時(shí)的系統(tǒng)回路不意圖；圖6是圖4的開關(guān)S閉合在Kl點(diǎn)時(shí)，開關(guān)S2導(dǎo)通、SI不導(dǎo)通時(shí)的系統(tǒng)回路不意圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提供了一種寬輸入范圍直流放電裝置，可用于電池模塊的充、放電狀態(tài)的電能控制，控制其充放電電流及輸出電壓，如圖2所示,DCsource-1、......、DCsource_n是n個(gè)直流電源模塊，通常電壓較低，通過寬輸入范圍直流放電裝置的控制，可將其電壓升高。如圖3所示，所述寬輸入范圍直流放電裝置包括數(shù)字控制模塊和受其控制的主要由一路或多路并聯(lián)的直流變換電路組成的主功率電路，主功率電路是能量流動(dòng)的通路，通過功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)DC-DC變換和能量的流動(dòng)。直流隔離開關(guān)K3可決定其所對應(yīng)的直流變換電路是否參與構(gòu)成所述主功率電路。每一路所述直流變換電路的直流輸入端對應(yīng)該直流放電裝置的低電壓側(cè)，設(shè)有電池模塊接線端子，所述直流變換電路包括第一、第二電感LpL2，第一、第二電容CpC2以及由第一、第二功率開關(guān)管SpS2串聯(lián)組成的橋臂單元，所述橋臂單元與所述第二電容連接形成回路，所述第一、第二電感串聯(lián)構(gòu)成電感支路，兩電感之間的電結(jié)點(diǎn)連接第一電容的正極，第一、第二電容的負(fù)極相連接并構(gòu)成負(fù)輸入端和負(fù)輸出端，所述電感支路的靠近第一電感的一端構(gòu)成正輸入端，靠近第二電感的一端連接所述第一、第二功率開關(guān)管之間的電結(jié)點(diǎn)，第二電容的正極構(gòu)成正輸出端，所述第一、第二電感之間串接有第二二極管，所述第二二極管D2的負(fù)極連接所述第一電容的正極，所述第二二極管的正極與第一、第二功率開關(guān)管之間的電結(jié)點(diǎn)之間設(shè)有一支路，該支路上設(shè)有第一二極管D1，所述第一二極管的正極連接所述第二二極管的正極。其中，電容C1X2用于穩(wěn)壓，電感用于U、L2穩(wěn)紋波。并且，設(shè)置當(dāng)所述寬輸入范圍DC-DC放電電路運(yùn)行時(shí)，所述第一、第二功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)處于互補(bǔ)狀態(tài)，且設(shè)有一定的死區(qū)時(shí)間。所述第一、第二功率開關(guān)管可以采用MOS管、IGBT管、碳化硅SiC功率器件或IGCT可控型功率開關(guān)器件。所述第一、第二功率開關(guān)管采用同種型號的開關(guān)管，且為同向串聯(lián)連接，當(dāng)所述第一、第二功率開關(guān)管采用P型器件(如NPN型晶體三極管、P溝道場效應(yīng)管等)時(shí)，與所述第二電容的負(fù)極相連的所述橋臂單元的一端為所述第二功率開關(guān)管的發(fā)射極或源極，統(tǒng)稱為發(fā)射極端；當(dāng)所述第一、第二功率開關(guān)管采用N器件(如PNP型晶體三極管、N溝道場效應(yīng)管等)時(shí)，與所述第二電容的負(fù)極相連的所述橋臂單元的一端為所述第二功率開關(guān)管的集電極或漏極，統(tǒng)稱為集電極 端。所述第一、第二功率開關(guān)管各自的集電極和發(fā)射極之間，或者源極和漏極之間可反向并聯(lián)有阻尼二極管，或者，所述第一、第二功率開關(guān)管采用含有反向并聯(lián)的阻尼二極管的復(fù)合功率開關(guān)管。阻尼二極管具有較高的反向工作電壓和峰值電流，正向壓降小，當(dāng)?shù)谝?、第二功率開關(guān)管特別是用在感性負(fù)載中開關(guān)時(shí)關(guān)斷的一瞬間，給產(chǎn)生的與關(guān)斷電流反向的自感電動(dòng)勢提供一個(gè)泄放通路，從而起到保護(hù)相應(yīng)功率開關(guān)管的作用。具體到圖4所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述第一功率開關(guān)管S1的的集電極端和所述第二功率開關(guān)管S2的發(fā)射極端分別連接所述第二電容的正、負(fù)極，所述第一功率開關(guān)管的發(fā)射極端與所述述第二功率開關(guān)管的集電極端連接，并與所述電感支路的靠近第二電感的一端相連接。如圖5所示，當(dāng)S1導(dǎo)通、S2不導(dǎo)通時(shí)，A點(diǎn)電壓被鉗位在Utj，二極管D1F導(dǎo)通。電流在U、D2, L2, S1和外電阻(也稱為外部負(fù)載或電池模塊)中形成回路，開關(guān)導(dǎo)通期間電感Lp L2上的電流減小。如圖6所示，當(dāng)S1不導(dǎo)通、S2導(dǎo)通時(shí)，A點(diǎn)電壓被鉗位在電源負(fù)極電位，電感L1電流通過Dp S2形成回路，電感L2與Cp S2形成回路，開關(guān)導(dǎo)通期間，電感U、L2上的電流增大。[0031]通過調(diào)節(jié)PWM波占空比可以控制第一、第二功率開關(guān)管SpS2的開、斷，從而實(shí)現(xiàn)對升壓比和輸出電壓的控制。高增益比的電路通過兩級升壓實(shí)現(xiàn)。從輸入電壓Ui到第一電容C1上的電壓ua,電壓升聞一級,升壓比為kl ;從Uci到輸出電壓uQ,電壓再升聞一級,升壓比為k2。電路的實(shí)際升壓比k為這兩級升壓比的乘積:k=klXk2。通過這樣的兩級升壓，可將直流變換電路的最高升壓比提升至10倍以上，極大地?cái)U(kuò)展了所述直流放電裝置的升壓范圍，也相應(yīng)地拓寬了所適用的輸入電壓范圍。對于上述任意一種技術(shù)方案，還優(yōu)選設(shè)有雙路切換開關(guān)S，所述雙路切換開關(guān)設(shè)在所述寬輸入范圍直流放電裝置的正輸入端與第一電感之間以及正輸入端與第一電容的正極之間，其一路的電接點(diǎn)K1連接所述電感支路的靠近第一電感的一端，另一路的電接點(diǎn)K2連接所述第一電容的正極，所述正輸入端連接所述雙路切換開關(guān)的兩路的公共端。雙路切換開關(guān)S閉合在K2點(diǎn)時(shí)，該電路成為單級的傳統(tǒng)的直流變換電路。此時(shí)第二電感L2上的電流k可以為負(fù)，可實(shí)現(xiàn)對低壓側(cè)電池模塊的充電。通過調(diào)節(jié)PWM波占空比控制第一、第二功率開關(guān)管S:、S2的開、斷，實(shí)現(xiàn)對充電電流的控制。雙路切換開關(guān)S閉合在K1點(diǎn)時(shí)，該電路即成為上述的高升壓比的直流變換電路，可實(shí)現(xiàn)DC/DC的高增益比升壓，可用于電源電壓較低時(shí)的輸出控制。
切換開關(guān)S的設(shè)置使得該電路具備了單級與雙級并存的特點(diǎn)，使該電路所適應(yīng)的輸入電壓范圍更寬，升壓比范圍的上限進(jìn)一步提高，可適用于更多種不同電壓范圍的直流電源。所述雙路切換開關(guān)可以為機(jī)械開關(guān)、電子開關(guān)或復(fù)合開關(guān)。并且，實(shí)踐中不排除實(shí)際使用多于兩路的切換開關(guān)。圖3僅示出了數(shù)字控制模塊針對一路直流變換電路進(jìn)行控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理，當(dāng)存在多路直流變換電路時(shí)，每一路直流變換電路的受控過程類同，且多路直流變換電路由同一數(shù)字控制模塊統(tǒng)一控制。所述數(shù)字控制模塊包括沿信號走向依次連接的信號采集與處理電路、控制電路和驅(qū)動(dòng)電路，所述驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接所述第一、第二功率開關(guān)管的控制端，所述信號采集與處理電路的輸入端連接所述直流變換電路的直流輸入端上的相應(yīng)采樣點(diǎn)，所述采樣點(diǎn)包括輸入電壓采樣點(diǎn)和輸入電流采樣點(diǎn)。所述信號采集與處理電路用于采集所述直流變換電路的直流輸入電壓和/或電流信號、對這些信號進(jìn)行處理(如放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等)以及對故障信號的檢測，然后將采樣信號反饋給所述控制電路；所述控制電路用于將處理后的直流輸入電壓和/或電流數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的或人為給定的目標(biāo)電壓和/或電流數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、計(jì)算，并輸出可改變所述驅(qū)動(dòng)電路的輸出的控制信號；所述驅(qū)動(dòng)電路用于輸出占空比可調(diào)的脈沖至第一、第二功率開關(guān)管的控制端(或稱門極端、基極端)，以控制第一、第二功率開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷。所述寬輸入范圍直流放電裝置還設(shè)有為所述數(shù)字控制模塊的各組成部分等二次回路供電的輔助電源。所述控制電路設(shè)有用于同就地控制器雙向通信的接口，因此可與就地控制器通信，可充分利用就地控制器的完善的智能控制功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測控和監(jiān)視現(xiàn)場設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對輸入輸出電參量的就地監(jiān)視控制，還便于維護(hù)人員的現(xiàn)場設(shè)定、改變參數(shù)，進(jìn)行友好的人機(jī)交互，并便于接受上位機(jī)的監(jiān)控，極大地提高了自動(dòng)控制水平。[0041]所述控制電路是直流放電裝置的核心部分，采用DSP芯片作為核心處理器。其主要功能除前述的信號采樣和計(jì)算、與就地控制器通信，還有控制直流變換電路、對直流變換電路進(jìn)行故障判斷與保護(hù)等。所述驅(qū)動(dòng)電路采用相應(yīng)的第一、第二功率開關(guān)管專用驅(qū)動(dòng)電路，例如，所述第一、第二功率開關(guān)管優(yōu)選為IGBT管，其驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低，非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域，所述驅(qū)動(dòng)電路則優(yōu)選采用IGBT專用驅(qū)動(dòng)電路，以使IGBT工作于最優(yōu)開關(guān)狀態(tài)，提高了 IGBT的工作可靠性。同時(shí)該驅(qū)動(dòng)電路本身還具有對IGBT功率器件進(jìn)行過流、過溫等異常狀態(tài)的檢測功能，當(dāng)有異常狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)·，則關(guān)斷相應(yīng)的功率器件，以達(dá)到保護(hù)功率器件的目的。
權(quán)利要求1.一種寬輸入范圍直流放電裝置，包括數(shù)字控制模塊和受其控制的由一路或多路并聯(lián)的直流變換電路組成的主功率電路，每一路所述直流變換電路的直流輸入端設(shè)有電池模塊接線端子，其特征在于所述直流變換電路包括第一、第二電感，第一、第二電容以及由第一、第二功率開關(guān)管串聯(lián)組成的橋臂單元，所述橋臂單元與所述第二電容連接形成回路，所述第一、第二電感串聯(lián)構(gòu)成電感支路，兩電感之間的電結(jié)點(diǎn)連接第一電容的正極，第一、第二電容的負(fù)極相連接并構(gòu)成負(fù)輸入端和負(fù)輸出端，所述電感支路的靠近第一電感的一端構(gòu)成正輸入端，靠近第二電感的一端連接所述第一、第二功率開關(guān)管之間的電結(jié)點(diǎn)，第二電容的正極構(gòu)成正輸出端，所述第一、第二電感之間串接有第二二極管，所述第二二極管的負(fù)極連接所述第一電容的正極，所述第二二極管的正極與第一、第二功率開關(guān)管之間的電結(jié)點(diǎn)之間設(shè)有一支路，該支路上設(shè)有第一二極管，所述第一二極管的正極連接所述第二二極管的正極。
2.如權(quán)利要求1所述的寬輸入范圍直流放電裝置，其特征在于所述第一、第二功率開關(guān)管為MOS管、IGBT管、碳化硅SiC功率器件或IGCT可控型功率開關(guān)器件。
3.如權(quán)利要求2所述的寬輸入范圍直流放電裝置，其特征在于所述第一、第二功率開關(guān)管各自的集電極和發(fā)射極之間，或者源極和漏極之間反向并聯(lián)阻尼二極管，或者，所述第一、第二功率開關(guān)管采用含有反向并聯(lián)的阻尼二極管的復(fù)合功率開關(guān)管。
4.如權(quán)利要求3所述的寬輸入范圍直流放電裝置，其特征在于所述第一、第二功率開關(guān)管采用同種型號的開關(guān)管，且為同向串聯(lián)連接，當(dāng)所述第一、第二功率開關(guān)管采用P型器件時(shí)，與所述第二電容的負(fù)極相連的所述橋臂單元的一端為所述第二功率開關(guān)管的發(fā)射極或源極；當(dāng)所述第一、第二功率開關(guān)管采用N器件時(shí)，與所述第二電容的負(fù)極相連的所述橋臂單元的一端為所述第二功率開關(guān)管的集電極或漏極。
5.如權(quán)利要求1、2、3或4所述的寬輸入范圍直流放電裝置，其特征在于所述寬輸入范圍直流放電裝置的正輸入端與第一電感之間以及其與第一電容的正極之間連接有雙路切換開關(guān)。
6.如權(quán)利要求5所述的寬輸入范圍直流放電裝置，其特征在于所述雙路切換開關(guān)為機(jī)械開關(guān)、電子開關(guān)或機(jī)電復(fù)合開關(guān)。
7.如權(quán)利要求6所述的寬輸入范圍直流放電裝置，其特征在于所述數(shù)字控制模塊包括沿信號走向依次連接的信號采集與處理電路、控制電路和驅(qū)動(dòng)電路，所述驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接所述第一、第二功率開關(guān)管的控制端，所述信號采集與處理電路的輸入端連接所述直流變換電路的直流輸入端上的電壓和/或電流采樣點(diǎn)， 所述信號采集與處理電路用于采集所述直流變換電路的直流輸入電壓和/或電流信號并進(jìn)行放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換的信號處理； 所述控制電路用于將處理后的直流輸入電壓和/或電流數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的或人為給定的目標(biāo)電壓和/或電流數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、計(jì)算，并輸出可改變所述驅(qū)動(dòng)電路的輸出的控制信號； 所述驅(qū)動(dòng)電路用于輸出占空比可調(diào)的方波。
8.如權(quán)利要求7所 述的寬輸入范圍直流放電裝置，其特征在于還設(shè)有為所述數(shù)字控制模塊的各組成部分供電的輔助電源。
9.如權(quán)利要求8所述的寬輸入范圍直流放電裝置，其特征在于所述控制電路設(shè)有用于同就地控制器雙向通信的接口。
10.如權(quán)利要求9所述的寬輸入范圍直流放電裝置，其特征在于所述第一、第二功率開關(guān)管為IGBT管，所述驅(qū)動(dòng) 電路采用IGBT專用驅(qū)動(dòng)電路。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種寬輸入范圍直流放電裝置，包括數(shù)字控制模塊和受其控制的由一路或多路并聯(lián)的直流變換電路組成的主功率電路，直流變換電路包括依次連接的由電感L1、電容C1和電感L2組成的LCL-T型電路、由第一、二功率開關(guān)管S1、S2串聯(lián)組成的橋臂單元和電容C2，橋臂單元與電容C2連接形成回路，LCL-T型電路的正輸出端連接到S1、S2之間的電結(jié)點(diǎn)，負(fù)輸出端連接到電容C2的負(fù)極，L1所在支路上設(shè)有二極管D2，D2的負(fù)極連接C1的正極，D2的正極與LCL-T型電路的正輸出端之間的支路上設(shè)有二極管D1，D1的正極連接D2的正極。本實(shí)用新型具有輸入電壓范圍寬、升壓比高、硬件組成簡單、成本低的特點(diǎn)。
文檔編號H02M3/155GK203104288SQ20122057660
公開日2013年7月31日 申請日期2012年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月5日
發(fā)明者王仕城, 易虎, 張益寧 申請人:北京索英電氣技術(shù)有限公司