本發(fā)明涉及軟開關(guān)控制技術(shù)，特別是一種雙向DC/DC軟開關(guān)控制系統(tǒng)、方法及港機的混合動力系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

雙向DC/DC變換器，能將一種直流電能轉(zhuǎn)換成另一種形式的直流電能，主要對電壓、電流實現(xiàn)變換。它在可再生能源、電力系統(tǒng)、交通、航天航空、計算機和通訊、家用電器、國防軍工、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。

現(xiàn)有技術(shù)中采用雙向DC/DC設(shè)計的功率模塊在使用時，通常由于半導體元件特性導致開關(guān)損耗很高，效率較低，頻率無法提升，從而造成能源的浪費和成本的提高。傳統(tǒng)解決方案的雙向DC/DC功率模塊由兩個電容、兩個開關(guān)管、一個電感以及控制電路組成。然而其突出的缺點在于：體積大、成本高、重量重且效率不高，不利于批量生產(chǎn)，不適用于對體積、重量、成本要求嚴格的行業(yè)，比如港機的混合動力系統(tǒng)對體積和重量有著明確的限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足而提供一種體積小，成本低，重量輕的雙向DC/DC軟開關(guān)控制系統(tǒng)、方法及港機的混合動力系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

本發(fā)明之一種雙向DC/DC軟開關(guān)控制系統(tǒng)，包括第一開關(guān)管S₁、第二開關(guān)管S₂、第三開關(guān)管S3、第四開關(guān)管S4、第一電感L1、第二電感L2、第三電感L3、母線電容C₁和濾波電容C₂；

所述第一開關(guān)管S₁和第二開關(guān)管S₂串聯(lián)連接后與相互串聯(lián)的第三開關(guān)管S3和第四開關(guān)管S4并聯(lián)連接；

所述第一開關(guān)管S₁、第二開關(guān)管S₂、第三開關(guān)管S₃和第四開關(guān)管S₄的兩端分別并聯(lián)有第一二極管D₁、第二二極管D₂、第三二極管D₃和第四二極管D₄；

所述第一開關(guān)管S₁和第二開關(guān)管S₂之間具有第一節(jié)點，所述第三開關(guān)管S₃和第四開關(guān)管S₄之間具有第二節(jié)點；所述第一節(jié)點連接第二電感L2的一端，所述第二節(jié)點連接第三電感L3的一端，所述第二電感L2與第三電感L3的另一端均與第一電感L1串聯(lián)連接；

所述第一電感L1與濾波電容C₂串聯(lián)連接；

所述第一開關(guān)管S₁和第二開關(guān)管S₂串聯(lián)連接后，以及第三開關(guān)管S₃和第四開關(guān)管S₄串聯(lián)連接后，均與母線電容C₁并聯(lián)連接；

所述母線電容C₁的兩端連接直流電源輸入端，濾波電容C₂的兩端連接直流電源輸出端。

進一步，所述第一二極管D₁、第二二極管D₂、第三二極管D₃和第四二極管D₄分別為第一開關(guān)管S₁、第二開關(guān)管S₂、第三開關(guān)管S₃和第四開關(guān)管S₄的寄生二極管或外置二極管。

進一步，所述母線電容C₁的兩端還連接輔助電源。

進一步，所述直流電源輸入端的直流電壓通過市電經(jīng)由整流器獲得。

進一步，所述直流電源輸出端連接直流負載或通過DC/AC轉(zhuǎn)換裝置連接交流負載供電。

進一步，所述第一電感L1、第二電感L2、第三電感L3同時封裝在灌膠的鋁盒中，并引出三根電源線。

本發(fā)明之一種根據(jù)前述雙向DC/DC軟開關(guān)控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：

步驟1：當需要直流電源輸出端的連接設(shè)備作為負載時，輪流導通第一開關(guān)管S₁、第三開關(guān)管S₃來調(diào)整占空比，由直流電源輸入端為負載供電，使負載工作；

步驟2：當需要直流電源輸出端的連接設(shè)備作為供電端時，輪流導通第二開關(guān)管S₂、第四開關(guān)管S₄來調(diào)整占空比，為母線電容C₁充電。

進一步，步驟（1）中，所述輪流導通第一開關(guān)管S₁、第三開關(guān)管S₃，使得第一電感L1的頻率為第一開關(guān)管S₁的頻率與第三開關(guān)管S₃的頻率之和；或者，

步驟（2）中，所述輪流導通第二開關(guān)管S₂、第四開關(guān)管S₄，使得第一電感L1的頻率為第二開關(guān)管S₂的頻率與第四開關(guān)管S₄的頻率之和。

本發(fā)明之一種港機的混合動力系統(tǒng)，其包括前述的雙向DC/DC軟開關(guān)控制系統(tǒng)和/或采用前述雙向DC/DC軟開關(guān)的控制方法實施。

進一步，所述負載為起升電機。

本發(fā)明的有益效果：

（1）能夠避免開關(guān)管開啟時導通電流突變，減小開關(guān)損耗，降低電壓尖峰，并且能夠減小二極管的反向恢復損耗，從而提高效率；

（2）能夠使得電感的工作頻率提高1倍，進而減小電感的尺寸，實現(xiàn)輕量化；

（3）特別適用于對體積、重量、成本要求嚴格的行業(yè)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下將結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。

如圖1所示：一種雙向DC/DC軟開關(guān)控制系統(tǒng)，包括第一開關(guān)管S₁、第二開關(guān)管S₂、第三開關(guān)管S3、第四開關(guān)管S4、第一電感L1、第二電感L2、第三電感L3、母線電容C₁和濾波電容C₂；

第一開關(guān)管S₁和第二開關(guān)管S₂串聯(lián)連接后與相互串聯(lián)的第三開關(guān)管S3和第四開關(guān)管S4并聯(lián)連接；第一開關(guān)管S₁、第二開關(guān)管S₂、第三開關(guān)管S₃和第四開關(guān)管S₄的兩端分別并聯(lián)有第一二極管D₁、第二二極管D₂、第三二極管D₃和第四二極管D₄；

第一開關(guān)管S₁和第二開關(guān)管S₂之間具有第一節(jié)點，所述第三開關(guān)管S₃和第四開關(guān)管S₄之間具有第二節(jié)點；所述第一節(jié)點連接第二電感L2的一端，所述第二節(jié)點連接第三電感L3的一端，所述第二電感L2與第三電感L3的另一端均與第一電感L1串聯(lián)連接；第一電感L1與濾波電容C₂串聯(lián)連接；

第一開關(guān)管S₁和第二開關(guān)管S₂串聯(lián)連接后，以及第三開關(guān)管S₃和第四開關(guān)管S₄串聯(lián)連接后，均與母線電容C₁并聯(lián)連接；母線電容C₁的兩端連接直流電源輸入端，濾波電容C₂的兩端連接直流電源輸出端。

本實施例通過在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上增加兩個開關(guān)管（如第三開關(guān)管S₃和第四開關(guān)管S₄）和兩個電感（第二電感L2與第三電感L3），使得開關(guān)管在開通時進入軟開關(guān)狀態(tài)，徹底解決了功率模塊的開通損耗問題，同時增加兩個開關(guān)管后，電感的頻率加倍，電感尺寸可以做到更小，從而實現(xiàn)整體的輕量化。

本實施例特別適用于港機的混合動力系統(tǒng)，下面以港機的混合動力系統(tǒng)為例進行具體說明。本實施例的港機是指港口起重機，它是集裝箱碼頭裝卸的核心設(shè)備,因此要求這些設(shè)備高效、可靠,并易于維護。對于港機的混合動力系統(tǒng)大功率變流器，通過采用雙向DC/DC設(shè)計的功率模塊。

本實施例中，母線電容C₁的兩端還連接輔助電源，用于為照明設(shè)備、空調(diào)設(shè)備等輔助設(shè)備提供電源。直流電源輸入端的直流電壓通過市電經(jīng)由整流器獲得，整流器通過DC母線連接母線電容C₁的兩端。直流電源輸出端經(jīng)逆變器連接起升電機。

優(yōu)選地，第一電感L1、第二電感L2、第三電感L3同時封裝在一個灌膠的鋁盒中，引出3根電源線，方便接線；第一二極管D₁、第二二極管D₂、第三二極管D₃和第四二極管D₄分別為第一開關(guān)管S₁、第二開關(guān)管S₂、第三開關(guān)管S₃和第四開關(guān)管S₄的寄生二極管；母線電容C₁為超級電容器；第一開關(guān)管S₁、第二開關(guān)管S₂、第三開關(guān)管S3、第四開關(guān)管S4為IGBT開關(guān)管。

本實施例的工作原理為：當提起貨物時，起升電機作為負載，第一開關(guān)管S₁和第三開關(guān)管S₃輪流導通，調(diào)整占空比給逆變器供電，使起升電機工作。放下貨物時，起升電機作為發(fā)電機，第二開關(guān)管S₂和第四開關(guān)管S₄輪流導通，調(diào)整占空比給母線電容C₁充電，并同時為輔助電源供電，從而大大提高港機混合動力系統(tǒng)的大功率變流器的工作效率。

本實施例中，第一開關(guān)管S₁和第三開關(guān)管S₃輪流導通的工作原理為：

（1）當?shù)谝婚_關(guān)管S₁開通時，電流經(jīng)過第二電感L2，再流經(jīng)第一電感L1，由于第一電感L1的電流連續(xù)，第二電感L2的電流從零開始上升至第一電感L1的電流值，所以第一開關(guān)管S₁的開通為零電流開通，開通損耗幾乎為零；當?shù)诙姼蠰2電流上升時，第三電感L3的電流慢慢變?yōu)榱?，第四二極管D₄的電流慢慢變?yōu)榱?，所以第四二極管D₄的反向恢復損耗幾乎為零。

（2）當?shù)谝婚_關(guān)管S₁關(guān)斷時，第二電感L2與第一電感L1電流一致，第二二極管D₂為電感續(xù)流，輸入電流被切斷，第二電感L2、第一電感L1、第二二極管D₂與濾波電容C₂組成電流回路，達到降壓的目的。

（3）當?shù)谌_關(guān)管S₃開通時，電流經(jīng)過第三電感L3，再流經(jīng)第一電感L1，由于第一電感L1的電流連續(xù)，第三電感L3的電流從零開始上升至第一電感L1的電流值，所以第三開關(guān)管S₃的開通為零電流開通，開通損耗幾乎為零；第三電感L3電流上升時，第二電感L2的電流慢慢變?yōu)榱?，第二二極管D₂的電流慢慢變?yōu)榱悖缘诙O管D₂的反向恢復損耗幾乎為零。

（4）當?shù)谌_關(guān)管S₃關(guān)斷時，第三電感L3與第一電感L1電流一致，第四二極管D₄為電感續(xù)流，輸入電流被切斷，第二電感L2、第一電感L1、第四二極管D₄與濾波電容C₂組成電流回路，達到降壓的目的。

本實施例通過交錯開通第一開關(guān)管S₁、第三開關(guān)管S₃的占空比，第一開關(guān)管S₁、第三開關(guān)管S₃錯開時間可根據(jù)具體電路應用和最優(yōu)效率做出調(diào)整，由于第一開關(guān)管S₁、第三開關(guān)管S₃在時間上有錯開，所以第一電感L1的頻率為第一開關(guān)管S₁的頻率加第三開關(guān)管S₃的頻率，使得電感工作頻率能提高1倍，從而使得第一電感L1可以減小尺寸，實現(xiàn)輕量化。

另外，本實施例在第一開關(guān)管S₁、第三開關(guān)管S₃工作時，第二電感L2，第三電感L3的存在可以避免第一開關(guān)管S₁、第三開關(guān)管S₃開啟時導通電流突變。這樣，能減小開關(guān)管的開關(guān)損耗，降低第一開關(guān)管S₁、第三開關(guān)管S₃的電壓尖峰，并且能夠減小第二二極管D₂、第四二極管D₄的反向恢復損耗，從而提高效率。

本實施例中，第二開關(guān)管S₂和第四開關(guān)管S₄輪流導通的工作原理為：

（1）當?shù)诙_關(guān)管S₂開通時，電流經(jīng)過第一電感L1，再流經(jīng)第二電感L2，由于第一電感L1的電流連續(xù)，第二電感L2的電流從零開始上升至第一電感L1的電流值，所以第二開關(guān)管S₂的開通為零電流開通，開通損耗幾乎為零；當?shù)诙姼蠰2電流上升時，第三電感L3的電流慢慢變?yōu)榱?，第三二極管D₃的電流慢慢變?yōu)榱悖缘谌O管D₃的反向恢復損耗幾乎為零。

（2）當?shù)诙_關(guān)管S₂關(guān)斷時，第二電感L2與第一電感L1電流一致，第一二極管D₁為電感續(xù)流，電流通過第一電感L1、第二電感L2與濾波電容C₂串聯(lián)，母線電容C₁被充電，電壓升高，達到升壓的目的。

（3）當?shù)谒拈_關(guān)管S₄開通時，電流經(jīng)過第一電感L1，再流經(jīng)第三電感L3，由于第一電感L1的電流連續(xù)，第三電感L3的電流從零開始上升至第一電感L1的電流值，所以第三開關(guān)管S₃的開通為零電流開通，開通損耗幾乎為零；第三電感L3電流上升時，第二電感L2的電流慢慢變?yōu)榱悖谝欢O管D₁的電流慢慢變?yōu)榱?，所以第一二極管D₁的反向恢復損耗幾乎為零。

（4）當?shù)谒拈_關(guān)管S₄關(guān)斷時，第三電感L3與第一電感L1電流一致，第三二極管D₃為電感續(xù)流，電流通過第一電感L1、第三電感L3與濾波電容C₂串聯(lián)，母線電容C₁被充電，電壓升高，達到升壓的目的。

本實施例通過交錯開通第二開關(guān)管S₂和第四開關(guān)管S₄的占空比，第二開關(guān)管S₂和第四開關(guān)管S₄的錯開時間可根據(jù)具體電路應用和最優(yōu)效率做出調(diào)整，由于第二開關(guān)管S₂和第四開關(guān)管S₄在時間上有錯開，所以第一電感L1的頻率為第二開關(guān)管S₂的頻率加第四開關(guān)管S₄的頻率，電感工作頻率能提高1倍，從而第一電感L1可以減小尺寸，減輕重量。

另外，本實施例在第二開關(guān)管S₂、第四開關(guān)管S₄工作時，第二電感L2，第三電感L3的存在可以避免第二開關(guān)管S₂、第四開關(guān)管S₄開啟時導通電流突變。這樣，能減小開關(guān)管的開關(guān)損耗，降低第二開關(guān)管S₂、第四開關(guān)管S₄的電壓尖峰，并且能夠減小第一二極管D₁、第三二極管D₃的反向恢復損耗，從而提高效率。

整體而言，本實施例徹底解決了開關(guān)管的開通損耗問題和二極管的反向恢復損耗，能夠保證在不增加成本和重量的條件下，大大提高了系統(tǒng)的效率，特別適用于對體積、重量、成本要求嚴格的行業(yè)。