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(jī)的混合動(dòng)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(duì)電壓、電流實(shí)現(xiàn)變換。它在可再生能源、電力系統(tǒng)、交通、航天航空、計(jì)算機(jī)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(yīng)用。
現(xiàn)有技術(shù)中采用雙向DC/DC設(shè)計(jì)的功率模塊在使用時(shí)，通常由于半導(dǎo)體元件特性導(dǎo)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(fèi)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(gè)電容、兩個(gè)開關(guān)管、一個(gè)電感以及控制電路組成。然而其突出的缺點(diǎn)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(duì)體積、重量、成本要求嚴(yán)格的行業(yè)，比如港機(jī)的混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)體積和重量有著明確的限制。
技術(shù)實(shí)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(jī)的混合動(dòng)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(diǎn)，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(diǎn)；所述第一節(jié)點(diǎn)連接第二電感L2的一端，所述第二節(jié)點(diǎn)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(jìn)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(jìn)一步，所述母線電容C1的兩端還連接輔助電源。
進(jìn)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(jìn)一步，所述直流電源輸出端連接直流負(fù)載或通過DC/AC轉(zhuǎn)換裝置連接交流負(fù)載供電。
進(jìn)一步，所述第一電感L1、第二電感L2、第三電感L3同時(shí)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(dāng)需要直流電源輸出端的連接設(shè)備作為負(fù)載時(shí)，輪流導(dǎo)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(fù)載供電，使負(fù)載工作；
步驟2：當(dāng)需要直流電源輸出端的連接設(shè)備作為供電端時(shí)，輪流導(dǎo)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(jìn)一步，步驟（1）中，所述輪流導(dǎo)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(dǎo)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(jī)的混合動(dòng)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(shí)施。
進(jìn)一步，所述負(fù)載為起升電機(jī)。
本發(fā)明的有益效果：
（1）能夠避免開關(guān)管開啟時(shí)導(dǎo)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(fù)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(jìn)而減小電感的尺寸，實(shí)現(xiàn)輕量化；
（3）特別適用于對(duì)體積、重量、成本要求嚴(yán)格的行業(yè)。
附圖說明
圖1是本發(fā)明實(shí)施例控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下將結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)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(diǎn)，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(diǎn)；所述第一節(jié)點(diǎn)連接第二電感L2的一端，所述第二節(jié)點(diǎn)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(shí)施例通過在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上增加兩個(gè)開關(guān)管（如第三開關(guān)管S3和第四開關(guān)管S4）和兩個(gè)電感（第二電感L2與第三電感L3），使得開關(guān)管在開通時(shí)進(jìn)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(shí)增加兩個(gè)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(shí)現(xiàn)整體的輕量化。
本實(shí)施例特別適用于港機(jī)的混合動(dòng)力系統(tǒng)，下面以港機(jī)的混合動(dòng)力系統(tǒng)為例進(jìn)行具體說明。本實(shí)施例的港機(jī)是指港口起重機(jī)，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(hù)。對(duì)于港機(jī)的混合動(dòng)力系統(tǒng)大功率變流器，通過采用雙向DC/DC設(shè)計(jì)的功率模塊。
本實(shí)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(jī)。
優(yōu)選地，第一電感L1、第二電感L2、第三電感L3同時(shí)封裝在一個(gè)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(jí)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(shí)施例的工作原理為：當(dāng)提起貨物時(shí)，起升電機(jī)作為負(fù)載，第一開關(guān)管S1和第三開關(guān)管S3輪流導(dǎo)通，調(diào)整占空比給逆變器供電，使起升電機(jī)工作。放下貨物時(shí)，起升電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，第二開關(guān)管S2和第四開關(guān)管S4輪流導(dǎo)通，調(diào)整占空比給母線電容C1充電，并同時(shí)為輔助電源供電，從而大大提高港機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的大功率變流器的工作效率。
本實(shí)施例中，第一開關(guān)管S1和第三開關(guān)管S3輪流導(dǎo)通的工作原理為：
（1）當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)管S1開通時(shí)，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(dāng)?shù)诙姼蠰2電流上升時(shí)，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(fù)損耗幾乎為零。
（2）當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)管S1關(guān)斷時(shí)，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(dá)到降壓的目的。
（3）當(dāng)?shù)谌_關(guān)管S3開通時(shí)，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(shí)，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?，所以第二二極管D2的反向恢復(fù)損耗幾乎為零。
（4）當(dāng)?shù)谌_關(guān)管S3關(guān)斷時(shí)，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(dá)到降壓的目的。
本實(shí)施例通過交錯(cuò)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(cuò)開時(shí)間可根據(jù)具體電路應(yīng)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(shí)間上有錯(cuò)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(shí)現(xiàn)輕量化。
另外，本實(shí)施例在第一開關(guān)管S1、第三開關(guān)管S3工作時(shí)，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(shí)導(dǎo)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(fù)損耗，從而提高效率。
本實(shí)施例中，第二開關(guān)管S2和第四開關(guān)管S4輪流導(dǎo)通的工作原理為：
（1）當(dāng)?shù)诙_關(guān)管S2開通時(shí)，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(dāng)?shù)诙姼蠰2電流上升時(shí)，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?，所以第三二極管D3的反向恢復(fù)損耗幾乎為零。
（2）當(dāng)?shù)诙_關(guān)管S2關(guān)斷時(shí)，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(dá)到升壓的目的。
（3）當(dāng)?shù)谒拈_關(guān)管S4開通時(shí)，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(shí)，第二電感L2的電流慢慢變?yōu)榱?，第一二極管D1的電流慢慢變?yōu)榱?，所以第一二極管D1的反向恢復(fù)損耗幾乎為零。
（4）當(dāng)?shù)谒拈_關(guān)管S4關(guān)斷時(shí)，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(dá)到升壓的目的。
本實(shí)施例通過交錯(cuò)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(cuò)開時(shí)間可根據(jù)具體電路應(yīng)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(shí)間上有錯(cuò)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(shí)施例在第二開關(guān)管S2、第四開關(guān)管S4工作時(shí)，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(shí)導(dǎo)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(fù)損耗，從而提高效率。
整體而言，本實(shí)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(fù)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(duì)體積、重量、成本要求嚴(yán)格的行業(yè)。