一种具有多路输入处理能力的直流斩波装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有多路输入处理能力的直流斩波装置，由主电路和驱动信号系统串联组成，主电路是方案主体，驱动信号系统用以保证主电路按照设计方式工作。主动式多路输入选择控制器由并联的n路输入选择控制器组成；每一路输入选择控制器由输入电压源、输入电容、输入控制开关和输入隔离二极管组成；驱动信号系统是由单片机及开关管驱动芯片组成的常规脉冲驱动电路。本发明使用多路输入选择控制器实现多路不同幅值的电源同时输入，并使用升降调压电路实现单路能量输出，将多个输出电压不同的发电装置的电能整合成一路稳定的直流输出，可以有效降低太阳能、风能发电系统成本，提高太阳能、风能利用灵活性。
【专利说明】
-种具有多路输入处理能力的直流斩波装置
技术领域
[0001] 本发明属于电力电子技术领域，具体设及一种具有多路输入处理能力的直流斩波 装置。
【背景技术】：
[0002] 与本技术相关的【背景技术】有两种，一是允许一种电压输入的直流开关变换器，二 是在需要对一种W上不同电压输入进行变换的分级式解决方案。
[0003] 直流开关变换器又称DC-DC开关电源，是成熟的电压转换技术。该类型设备通过电 子开关的高速开关不断改变电路的工作状态，控制不同状态下电路中电容与电感的能量储 存与释放时间相对比例，并利用电感抑制电流突变的电气特性，可W使电路输出特性得到 控制，从而实现电压的调整。一台该类型设备允许对一路电压源输入进行调整，并提供一路 输出电压。在存在多个不同的输入时，电路不能正常工作，并且可能会造成输入电源损坏。
[0004] 对一路W上电压同时进行变换和管理的现有解决方案是分级式调整方案。分级式 方案为每一个输入电压源分配一个DC-DC开关电源，并调节其输出特性使每个电源输出满 足并联使用条件。满足并联条件的多个开关电源可W并联供下一级电压调整设备使用或在 并联状态下向储能设备输出，再由储能设备输出能量供下一级电压调整设备使用。运种方 法虽然有较强的适用性，能够解决大量的多类型能量输入的问题，但是需要大量的各型直 流设备，造成设备成本过高，并且设备数量多会提高整体故障率;进一步地，分级的转换方 案会使大量能量消耗在各级设备中耗损，造成总体效率较低。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种直接对多个不同的电压源进行同时处理、实现电压变 换输出的具有多路输入处理能力的直流斩波装置。
[0006] 本发明提供的具有多路输入处理能力的直流斩波装置由主电路和驱动信号系统 两部分串联组成;主电路是方案主体，驱动信号系统用W保证主电路按照设计方式工作。
[0007] 主电路由主动式多路输入选择控制器和Buck-Boost升降调压电路两部分组成;如 图1所示，左虚线框部分对应主动式多路输入选择控制器，右虚线框部分对应Buck-Boost升 降调压电路。
[000引主动式多路输入选择控制器由并联的n路(n为大于或等于1的整数)输入选择控制 器组成;每一路输入选择控制器由输入电压源、输入电容、输入控制开关和输入隔离二极管 组成;输入电压源与输入电容并联后与输入控制开关和输入隔离二极管组成串联电路;主 动式多路输入选择控制器由输入控制开关来选择输入电压源，输入控制开关由驱动信号系 统控制;驱动信号系统是由单片机及开关管驱动忍片组成的常规脉冲驱动电路，通过n+1根 导线与各输入控制开关控制端相连(剩下一根导线是公共信号回流线）
[0009]进一步地，输入电压源为单晶娃太阳能电池组件、多晶娃太阳能组件或风力发电 机。
[0010] Buck-Boost升降调压电路是将典型的Buck电路和典型的Boost电路融和到一起的 非典型结构的电路;Buck-Boost升降调压电路由降压调整开关9、降压续流二极管10、调整 电感11、升压调整开关12、升压续流二极管13、输出滤波电容14组成，部件15为负载;降压调 整开关9串联调整电感11后，再串联升压续流二极管13;降压续流二极管10负极接在降压调 整开关9和调整电感11连接处，其正极接在输入电压源的负端;升压调整开关12-端连接在 调整电感11与升压续流二极管13的连接处，另一端连接在输入电压源负端，负载15连接在 升压续流二极管13负极与输入电压源负端之间；升压调整开关12与降压调整开关9的工作 状态由驱动信号系统控制;在驱动信号系统控制下，保持升压调整开关12处于断开状态，调 节降压调整开关9的导通时间和频率可使Buck-Boost升降调压电路处于降压模式，即典型 的Buck降压电路;在驱动信号系统控制下，保持降压调整开关9处于导通状态，调节升压调 整开关12的导通时间和频率即可使Buck-Boost升降调压电路处于升压模式，即典型的 boost电路。此两种模式可由驱动信号系统控制其自由切换，使主电路多路输入电压降低或 者升高，W满足主电路输出电压的要求。
[0011] 在电路工作时的每个工作周期内，Buck-Boost升降调压电路会根据驱动信号系统 的控制信号在一定的时间内导通相应的升降压调整开关，各路输入控制开关轮流导通，使 各路的输入电压源分别作为升降调压电路的电压源，从而实现多电压源协同向同一设备输 出。驱动信号系统的控制信号为频率20~lOOKhz、幅值为15~20V的脉宽调制方波。隔离二 极管在相应的输入控制开关后连接，用于隔离电源，防止输入开关在导通的情况下出现电 流倒流回电压源的事故。
[0012] 输入电容在相应的输入控制开关断开时，会接受输入电压源的充电；而在相应的 输入控制开关导通时，相应的输入电容与相应的输入电压源共同向Buck-Boost升降调压电 路供电，提供了更大的瞬时功率，从而保证输入选择控制器的输出电压相对稳定，避免其 剧烈下降。
[0013] 给上述装置中各开关提供导通与关闭的控制信号的波形图分别如图2、图3所示。 在Buck-Boost升降调压电路处于升压模式时，降压调整开关9处于常导通状态；在Buck- Boost 升降调压电路处于降压模式时，升压调整开关 12 处于常断开的状态，所 W 在图 2 与图 3 中未画出状态不变的开关的驱动信号。
[0014] 处于升压模式的控制信号系统W下述方式工作，如图2所示：
[0015] 1、在一个工作周期T内，升压调整开关12的驱动信号（信号20)是一般的脉宽调制 方波(PWM);
[0016] 2、在一个工作周期T内的升压调整开关12开通时间Ton内，各路输入控制开关(5、 6、18)依次导通(信号21，信号22)，没有任两路的输入控制开关在同一时间导通；
[0017] 3、在一个工作周期T内的升压调整开关12非开通时间内，为了维持升压电路特性， 有且仅有一路输入选择开关处于导通状态(信号23)。
[0018] 处于降压模式的控制信号系统W下述方式工作，如图3所示：
[0019] 1、在一个工作周期T内，降压调整开关9的驱动信号(信号24)是一般的脉宽调制方 波。WM);
[0020] 2、在一个工作周期T内的降压调整开关9开通时间Ton内，各路输入控制开关(5、6、 18)依次导通(信号25,信号26)，没有任两路的输入控制开关在同一时间导通；
[0021] 3、在一个工作周期T内的升压调整开关12非开通时间内，可W有一路输入选择开 关处于导通状态，也可W将所有输入选择开关处于断开状态(信号27)。
[0022] 本发明的优点如下：
[0023] 1.本发明的主电路的有效工作的驱动方案，是W独立的控制信号系统来实现。使 主电路的输入控制开关和升降压调整开关程序化，逻辑清晰，反应灵敏，降低对多种存在幅 度差异的电能进行统一存储和利用时间的成本。
[0024] 2.本发明的主电路使用隔离二极管使输入控制开关关断时切断输入源与主电路 输入关系，同时实现各电压源间的隔离，不会相互影响;提高了系统在复杂的环境下工作的 可靠性
[0025] 3.本发明的各电压源输入端加入输入电容，使各电压源平稳输出，并在相应先择 开关开启时提供足够的瞬时电流;从而提高了效率，减少了能量损失，有利于保护环境与提 高效益。
[00%] 4.Buck与Boost电路集成在一组电路中，通过控制信号相互转换，二者共用同一调 节电感与稳压电容，减小了设备体积与成本;为风能、太阳能等新能源的管理与利用提供 了新的配套方案，有利于相关产业的进一步发展。
【附图说明】：
[0027]图1为本发明的具有多路输入处理能力的直流斩波装置的电路结构图；
[00%]图中：第一路输入电压源1、第二路输入电压源2、第一路输入电容3、第二路输入电 容4、第一路输入控制开关5、第二路输入控制开关6、第一路输入隔离二极管7、第二路输入 隔离二极管8、降压调整开关9、降压续流二极管10、调整电感11、升压调整开关12、升压续流 二极管13、输出滤波电容14、输出负载15、第n路输入电压源16、第n路输入电容17、第n路输 入控制开关18、第n路输入隔离二极管19;
[0029] 图2为Boost升压状态的控制信号关系图；
[0030] 图中：升压调整开关信号20、第一路输入控制开关信号21、第二路输入控制开关信 号22、第n路输入控制开关信号23;
[0031] 图3为Buck降压状态的控制信号关系图；
[0032] 图中：降压调整开关信号24、第一路输入控制开关信号25、第二路输入控制开关信 号26、第n路输入控制开关信号27;
【具体实施方式】：
[0033] 实施例1:
[0034] 一种多路输入处理能力的直流斩波装置，该斩波装置设计具有两路输入能力。
[0035] 本发明提供的具有多路输入处理能力的直流斩波装置包括主电路和驱动信号系 统两部分;主电路是方案主体，驱动信号系统用W保证主电路按照设计方式工作。
[0036] 主电路由主动式多路输入选择控制器和Buck-Boost升降调压电路两部分组成;如 图1所示，左虚线框部分对应主动式多路输入选择控制器，右虚线框部分对应Buck-Boost升 降调压系统。
[0037] 主动式多路输入选择控制器由并联的两路输入选择控制器组成;每一路输入选择 控制器由输入电压源、输入电容、输入控制开关和输入隔离二极管组成;输入电压源与输入 电容并联后再与输入控制开关和输入隔离二极管组成串联电路;主动式多路输入选择控制 器主要由输入控制开关状态来选择输入电压源;输入控制开关状态由驱动信号系统决定。
[0038] Buck-Boost升降调压电路由降压调整开关9、降压续流二极管10、调整电感11、升 压调整开关12、升压续流二极管13、输出滤波电容14组成；降压调整开关9串联调整电感11 后，再串联升压续流二极管13;降压续流二极管10负极接在降压调整开关9和调整电感11连 接处，其正极接在输入电压源的负端;升压调整开关12-端连接在调整电感11与升压续流 二极管13的连接处，另一端连接在输入电压源负端，负载15连接在升压续流二极管13负极 与输入电压源负端之间；升压调整开关12与降压调整开关9的工作状态由驱动信号系统控 审IJ;在驱动信号系统控制下，保持升压调整开关12处于断开状态，调节降压调整开关9的导 通时间和频率可使Buck-Boost升降调压电路处于降压模式，即典型的Buck降压电路;保持 降压调整开关9处于导通状态，调节升压调整开关12的导通时间和频率即可使Buck-Boost 升降调压电路处于升压模式，即典型的Boost电路。此两种模式可由驱动信号系统控制其自 由切换，使主电路多路输入电压降低或者升高，W满足主电路输出电压的要求。
[0039] 本实施方案中两路输入电压源分别由串联两个型号为SFM30072单晶娃太阳能电 池组件和串联两个型号为SFP11072多晶娃太阳能组件提供，每组最大输出电压60V，最大电 流10A;降压调整开关9和升压调整开关12使用场效应管IRF3205,各路输入控制开关使用场 效应管IRF460,各场效应管均使用驱动忍片IR2101进行驱动。降压续流二极管10、升压续流 二极管13和各路输入隔离二极管使用肖特基二极管MBR30。调整电感11使用额定电流50A、 电感量33uH的环形绕线电感。输出滤波电容14使用并联的4个耐压63V、电容量4700Uf的电 解电容，总电容量达到ISSOOuf。各路输入电容使用耐压63V、电容量1000 Ouf的电解电容。主 电路输出48V电压为负载供电即为48VMaxwell超级电容组充电。
[0040] 某一时刻工作状态下，第一路输入电压源和输出电压的波形图，输入电压源单晶 娃太阳能组件提供电压60V，第二路输入电压源多晶娃太阳能板提供电压55V，输出电压为 48V。
[0041 ]驱动信号系统使用意法半导体公司生产的STM32F103C8T6微控制器作为控制器， 该控制器内部集成AD对莫数转换模块，可W采集各路输入源电压和系统输出电压，作为控制 输出的依据。控制器具备6路脉冲输出能力，用于控制各路输入控制开关和降压调整开关、 升压调整开关。本实施例工作方式，主要W降压为主，将升压调整开关12常断开，为降压调 整开关9提供频率最大为30趾Z，占空比最大为60%的驱动方波。各输入通路采用轮流输电 的工作方式，脉冲控制周期为40US。
[0042] 表1:本发明的装置基本工作参数
[0043]
[0044]
[0045] 数据中的输出纹波在36V，5A的条件下测得。
[0046] 实施例2:
[0047] 一种多路输入处理能力的直流斩波装置，该装置用在装有SFM30072型号的单晶娃 太阳能电池组件（串联20个），SFP11072型号多晶娃太阳能组件（串联20个）和1台型号为 FD21-100的风力发电机的系统中，具有3路输入能力。每路输出最大电压650V，最大电流 250A。
[004引本实施方案中电路中降压调整开关9和升压调整开关12使用IGBT模块 BSM75GB170DN2,各路输入控制开关使用IGBT模块BSM75GB120DN2,各IGBT模块均使用 CONCEPT 2SD315A巧E动组件进行驱动。降压续流二极管10、升压续流二极管13和各路输入 隔离二极管使用ZK300A1快恢复二极管。调整电感11使用额定电流300A、电感量1.化H的环 形绕线电感。输出滤波电容14使用耐压1050V、电容量为13F的电容组。各路输入电容使用耐 压800V、电容量5.4F的电容组。主电路输出高压为负载供电即输入到逆变器中变为S相交 流电压可驱动Grundos-MAOOO电机。
[0049] 某一时刻工作状态下，输入电压源和输出电压的波形图，第一路输入电压源单晶 娃太阳能电池组件(20个)提供电压600V，第二路输入电压源多晶娃太阳能电池组件(20个） 提供低压550V，第S路输入电压源风力发电机提供电压650V，输出电压为1000V。
[0050] 驱动信号系统使用意法半导体公司生产的STM32F103C8T6微控制器作为控制器， 该控制器内部集成AD对莫数转换模块，可W采集各路输入源电压和系统输出电压，作为控制 输出的依据。控制器具备5路脉冲输出能力，用于控制各路输入控制开关和降压调整开关、 升压调整开关。本实例工作方式，主要W升压为主。将降压调整电压开关9常导通，为升压调 整开关提供频率最大为50化Z，占空比最大60%的驱动方波;各输入通路采用轮流输电的工 作方式，脉冲控制周期为600US。
[0051 ]表2:装置基本工作参数
[0化2]
【主权项】
1. 一种具有多路输入处理能力的直流斩波装置，其特征在于：由主电路和驱动信号系 统两部分串联组成，其中，主电路由主动式多路输入选择控制器和Buck-Boost升降调压电 路组成;主动式多路输入选择控制器由并联的η路输入选择控制器组成，其中，η为大于或等 于1的整数;每一路输入选择控制器由输入电压源、输入电容、输入控制开关和输入隔离二 极管组成;输入电压源与输入电容并联后与输入控制开关和输入隔尚二极管组成串联电 路;主动式多路输入选择控制器由输入控制开关来选择输入电压源，输入控制开关由驱动 信号系统控制；驱动信号系统是由单片机及开关管驱动芯片组成的脉冲驱动电路;Buck-Boost 升降调压电路由降压调整开关 (9)、降压续流二极管 （10)、调整电感 (11)、升压调整开 关（12)、升压续流二极管（13)、输出滤波电容（14)组成，部件（15)为负载;降压调整开关(9) 串联调整电感（11)后，再串联升压续流二极管（13);降压续流二极管（10)负极接在降压调 整开关(9)和调整电感（11)连接处，其正极接在输入电压源的负端;升压调整开关(12)-端 连接在调整电感（11)与升压续流二极管（13)的连接处，另一端连接在输入电压源负端，负 载(15)连接在升压续流二极管（13)负极与输入电压源负端之间;升压调整开关(12)与降压 调整开关(9)的工作状态由驱动信号系统控制。2. 如权利要求1所述的一种具有多路输入处理能力的直流斩波装置，其特征在于:所述 的输入电压源为单晶硅太阳能电池组件、多晶硅太阳能组件或风力发电机。3. 如权利要求1所述的一种具有多路输入处理能力的直流斩波装置，其特征在于:所述 的驱动信号系统的控制信号为频率20~lOOKhz、幅值为15~20V的脉宽调制方波。
【文档编号】H02M3/156GK105939110SQ201610356265
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】韩炜, 张世达, 付成伟
【申请人】吉林大学