一种开关电容双向直流变换器单电源集成驱动及控制方法技术

技术编号:17783509 阅读:124 留言:0更新日期:2018-04-22 14:27
本发明专利技术公开了一种开关电容双向直流变换器单电源集成驱动及控制方法,该发明专利技术巧妙地结合主电路开关管工作状态,利用二极管和电容构成自举电路,为各开关管提供驱动电压,从而可以采用单个隔离电源模块供电。MOSFET的驱动芯片结构简单且易于集成,而隔离的电源模块包括原边的逆变电路、高频变压器和副边整流电路,占据驱动电路成本和体积的主要部分。本发明专利技术提出的适用于基于开关电容网络的高增益双向直流变换器单电源驱动电路,有助于降低驱动电路成本,提高功率密度。

【技术实现步骤摘要】
一种开关电容双向直流变换器单电源集成驱动及控制方法
本专利技术属于新能源分布式发电领域储能变换器的应用,具体涉及一种开关电容双向直流变换器单电源集成驱动及控制方法。
技术介绍
以光伏、风电、燃料电池为代表的新能源分布式发电技术迅速发展,对于优化我国能源结构,实现经济、环境的可持续发展具有重要的战略意义。蓄电池储能系统作为一种能源缓冲单元,可以有效地改善可再生能源对电网输送功率存在波动性、间歇性的不利影响。在储能变换器中,双向直流变换器是承担蓄电池能量到高压直流母线功率双向调节的关键角色,一方面,在新能源发电量大于电网负荷需求时,将母线上多余的能量经降压型直流变换器给蓄电池充电,另一方面,在新能源发电量小于负荷需求时,将蓄电池中的电量经升压直流变换器回馈给电网,实现削峰填谷的作用。通常,在考虑蓄电池串联特性和安规的情况下,端口电压可能不超过48V,而典型直流微网的电压等级主要有200V、270V、400V和540V几种。因此,上述直流变换器除需要满足能量双向流动,还需要具有较高的电压增益。传统直流变换器,受主电路寄生参数和控制器性能影响,即使占空比达到接近0或1的极限状态,也很难具有较高的电压增益。功率管在极短的时间内导通,且承受相对较大的电压、电流应力,势必导致严重的开关损耗和开关噪声,效率显著降低。耦合电感和开关电容网络是目前实现非隔离高增益直流变换主要技术手段。开关电容网络通过开关切换巧妙地实现多个电容并联充电,之后再串联放电,提高变换器输出电压。与其它高增益直流变换技术相比,开关电容电感网络型具有效率高、功率密度大、易于模块化的显著优势,在中小功率型储能变换器中具有良好的应用前景。典型的开关电容网络高增益直流变换器拓扑如图1所示。相比于传统直流变换器,基于开关电容网络的直流变换器在高增益升/降压场合,有助于减小开关器件的电压应力和无源元件的需求。为进一步提高电压增益,可以引入多个基本电压增益拓展单元构成多单元开关电容网络高增益直流变换器,如图2所示。通常2~3个单元就可以满足上述应用场合电压增益的需求。在相同电压增益下,多单元变换器一方面降低电力半导体器件和单个电容电压应力,另一方面通过降低升压占空比,减小输入电流纹波和磁性元件需求。此外,多单元开关电容网络设计灵活,可根据电压增益需求,调整基本单元的数量。图1所示开关电容网络高增益直流变换器引入多个不共源极的开关器件,因此需要各自独立的电源模块提供驱动电压。典型的驱动电路设计如框图3所示,当驱动3个不共源极的开关器件时,需要3个隔离型驱动电源。尤其针对图2所示多单元高增益直流变换器,驱动电路需要为每一个MOSFET提供一个隔离电源。在MOSFET驱动电路中,驱动芯片结构简单且易于集成,而隔离的驱动电源包括原边的逆变电路、高频变压器和副边整流电路,显著增加了驱动电路的成本和体积。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一直开关电容双向直流变换器单电源集成驱动及控制方法,简化基于开关电容网络的高增益双向直流变换器驱动电路,实现单电源供电的低成本、小型化模块化驱动设计。为了实现上述目的,本专利技术采用以下技术方案予以实现:一种开关电容双向直流变换器单电源集成驱动,包括变换器主电路和驱动电路,变换器主电路中包含N个功率管Sj和N-1个直流电容Ck,1≤j≤N,1≤k≤N-1,其中N个功率管的源极和漏极依次相连接构成串联结构,相邻的任意功率管工作状态互补;任一电容Ck分别并联在两个串联的功率管中上管Sk+1的源极和下管Sk的漏极两端,1≤k≤N-1;驱动电路包括N个驱动芯片、一个DC-DC隔离电源模块、N个稳压电容CPi和N-1个二极管Di,1≤i≤N;其中各驱动芯片的门极输出端vgi分别经过驱动一个电阻Rg接功率管Si门极,驱动芯片门极驱动电压的负端vsi接功率管Si源极,直流稳压电容CPi接驱动芯片输出侧正、负两端vdi和vsi之间;二极管Dj接临近的两个驱动芯片驱动电压正端vdj和vd(j+1)之间。作为本专利技术的进一步改进,二极管D2、D3…DN的电压应力分别为电容C1、C2…CN-1。作为本专利技术的进一步改进,自举电容的门极电容取值满足:其中:Qg为功率管门极电荷,VCpk为驱动电容电压,εmax为预先设定的最大电容电压跌落系数。一种开关电容双向直流变换器单电源集成驱动的控制方法,包括以下步骤:变换器正常工作时,任意相邻的两个功率管互补导通,包含两种工作模式:模式1:PWM=1,此时,奇数功率管S1、S3、S5…Sj,开通,j为奇数,偶数功率管S2、S4、S6…Sk关断,k为偶数;模式2:PWM=1,此时,功率管S1、S3、S5…Sj关断,j为奇数;功率管S2、S4、S6…Sk开通,k为偶数;当功率管S1开通时,直流稳压电容CP1经电阻Rg给功率管S1门极充电,并经二极管D2和功率管S1给为第二驱动芯片直流稳压电容CP2供电,此时功率管S2关断,二极管D3承受反压截止,功率管S3开通,直流稳压电容CP3经电阻Rg给功率管S3门极供电,并经二极管D4和功率管S3给为第四驱动芯片稳压电容CP4充电,依次类推;当功率管S1关断时,二极管D2承受反压截止,功率管S2开通,直流稳压电容CP2经电阻Rg给功率管S2门极充电,并经二极管D3和功率管S2给为第三驱动芯片稳压电容CP3供电,S3关断,二极管D2承受反压截止,依次类推。作为本专利技术的进一步改进,具体步骤如下:假定初始时刻驱动电路中各自举电容电压为零,当输入PWM=1时,所有偶数功率管关断,第一驱动芯片输出参考高电平由隔离电源提供,功率管S1顺利导通;其余奇数功率管由于对应自举电容上电压为零而无法开通;功率管S1导通使得这一时刻功率管S2的源极电势与功率管S1的源极电势相等,因此二极管D2正向偏置导通,直流稳压电容CP1向直流稳压电容CP2迅速充电至直流稳压电容CP2两端电压为隔离电源输出电压,为下一时刻功率管S2的开通做准备;之后,当输入PWM=0时,所有奇数功率管关断,由于在PWM=1期间,直流稳压电容CP2从直流稳压电容CP1获得储能并保持一定电压,因此第二驱动芯片输出参考高电平时顺利开启功率管S2,其余偶数功率管由于对应自举电容上无电压而无法实现导通,类似的,功率管S2导通使得这一时刻功率管S3的源极电势与功率管S2相等,因此二极管D3正向偏置导通,直流稳压电容CP2向直流稳压电容CP3充电至两电容电压相等,为下一时刻功率管S3的提供高电平开启电压;重复上述步骤,当电路达到稳态时,各自举电容上均获得近似隔离电源输出的电压;稳态时,所有自举电容的电压近似为隔离电源模块的电压,功率级电路中,所有奇数功率管的源极电势固定不变,为主电路中相应电容电压;所有偶数功率管的源极电势是浮动的,随电路工作模式的周期切换而变化;当PWM=1时,所有奇数功率管均导通,所有偶数功率管Sk的源极电势等于其相邻低位的奇数功率管Sk-1源极电势,奇数位的自举电容CP(k-1)向相邻高位的自举电容CP(k)充电;当PWM=0时,所有偶数功率管均导通,所有偶数功率管Sk的源极电势等于其相邻高位奇数功率管Sk+1的源极电势,偶数位自举电容CP(k)向相邻高位的自举电容CP(k+1)充电。与现有技术相比,本专利技术具有以下有益效果:本专利技术本文档来自技高网
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一种开关电容双向直流变换器单电源集成驱动及控制方法

【技术保护点】
一种开关电容双向直流变换器单电源集成驱动,其特征在于,包括变换器主电路和驱动电路,变换器主电路中包含N个功率管Sj和N‑1个直流电容Ck,1≤j≤N,1≤k≤N‑1,其中N个功率管的源极和漏极依次相连接构成串联结构,相邻的任意功率管工作状态互补;任一电容Ck分别并联在两个串联的功率管中上管Sk+1的源极和下管Sk的漏极两端,1≤k≤N‑1;驱动电路包括N个驱动芯片、一个DC‑DC隔离电源模块、N个稳压电容CPi和N‑1个二极管Di,1≤i≤N;其中各驱动芯片的门极输出端vgi分别经过驱动一个电阻Rg接功率管Si门极,驱动芯片门极驱动电压的负端vsi接功率管Si源极,直流稳压电容CPi接驱动芯片输出侧正、负两端vdi和vsi之间;二极管Dj接临近的两个驱动芯片驱动电压正端vdj和vd(j+1)之间。

【技术特征摘要】
1.一种开关电容双向直流变换器单电源集成驱动,其特征在于,包括变换器主电路和驱动电路,变换器主电路中包含N个功率管Sj和N-1个直流电容Ck,1≤j≤N,1≤k≤N-1,其中N个功率管的源极和漏极依次相连接构成串联结构,相邻的任意功率管工作状态互补;任一电容Ck分别并联在两个串联的功率管中上管Sk+1的源极和下管Sk的漏极两端,1≤k≤N-1;驱动电路包括N个驱动芯片、一个DC-DC隔离电源模块、N个稳压电容CPi和N-1个二极管Di,1≤i≤N;其中各驱动芯片的门极输出端vgi分别经过驱动一个电阻Rg接功率管Si门极,驱动芯片门极驱动电压的负端vsi接功率管Si源极,直流稳压电容CPi接驱动芯片输出侧正、负两端vdi和vsi之间;二极管Dj接临近的两个驱动芯片驱动电压正端vdj和vd(j+1)之间。2.根据权利要求1所述的开关电容双向直流变换器单电源集成驱动,其特征在于,二极管D2、D3…DN的电压应力分别为电容C1、C2…CN-1。3.根据权利要求1所述的开关电容双向直流变换器单电源集成驱动,其特征在于,自举电容的门极电容取值满足:其中:Qg为功率管门极电荷,VCpk为驱动电容电压,εmax为预先设定的最大电容电压跌落系数。4.一种根据权利要求1至3任意一项所述的开关电容双向直流变换器单电源集成驱动的控制方法,其特征在于,包括以下步骤:变换器正常工作时,任意相邻的两个功率管互补导通,包含两种工作模式:模式1:PWM=1,此时,奇数功率管S1、S3、S5…Sj,开通,j为奇数,偶数功率管S2、S4、S6…Sk关断,k为偶数;模式2:PWM=1,此时,功率管S1、S3、S5…Sj关断,j为奇数;功率管S2、S4、S6…Sk开通,k为偶数;当功率管S1开通时,直流稳压电容CP1经电阻Rg给功率管S1门极充电,并经二极管D2和功率管S1给为第二驱动芯片直流稳压电容CP2供电,此时功率管S2关断,二极管D3承受反压截止,功率管S3开通,直流稳压电容CP3经电阻Rg给功率管S3门极供电,并经二极管D...

【专利技术属性】
技术研发人员:张岩丁恺诚曾鹏翔刘进军聂程
申请(专利权)人:西安交通大学
类型:发明
国别省市:陕西,61

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