一种超级电容串联均压电路

摘要

本发明公开了一种超级电容串联均压电路。包括：包括全桥逆变器、电压乘法器和变压器，全桥逆变器的输入和电压乘法器的输出相连接，全桥逆变器包括第一～第四全控型器件，四个电容、四个二极管，第一～第四全控型器件构成四个桥臂，每个全控型器件分别并联一个二极管和一个电容，第一全控型器件的源极与第五电容的1端相连，第五电容的2端串联一个第一电感后与变压器1端相连，变压器2端与第四全控型器件的漏极相连，变压器1端和2端之间并联一个第二电感，变压器3端和4端与电压乘法器相连。全控型器件为N沟道PMOSFET或IGBT。全桥逆变器采用移相全桥控制方式，本发明具有结构简单、低损耗的优点。

权利要求

1.一种超级电容串联均压电路，包括全桥逆变器、电压乘法器和变压器，全桥逆变器的输入和电压乘法器的输出相连接，其特征在于：全桥逆变器包括第一～第四全控型器件(Q1～Q4)，四个电容(C1～C4)、四个二极管(DQ1～DQ4)，第一～第四全控型器件(Q1～Q4)构成全桥逆变器的四个桥臂，每个全控型器件分别并联一个二极管和一个电容，第一全控型器件(Q1)的源极与第五电容(Cbk)的1端相连，第五电容(Cbk)的2端串联一个第一电感(LKg)后与变压器初级绕组的1端相连，变压器初级绕组的2端与第四全控型器件(Q4)的漏极相连，变压器初级绕组的1端和2端之间并联一个第二电感(Lmg)，变压器次级绕组的3端和4端与电压乘法器相连；

所述的电压乘法器包括第一～第四超级电容(SC1～SC4)，第一超级电容(SC1)的阳极分别与第二超级电容(SC2)的阴极、第六二极管(D2)的阴极、第七二极管(D3)的阳极相连，第一超级电容(SC1)的阴极分别与第五二极管(D1)的阳极、第四全控型器件(Q4)的源极连接；第二超级电容(SC2)的阳极分别与第三超级电容(SC3)的阴极、第八二极管(D4)的阴极、第九二极管(D5)的阳极相连；第三超级电容(SC3)的阳极分别与第十二极管(D6)的阴极、第十一二极管(D7)的阳极、第四超级电容(SC4)的阴极相连；第四超级电容(SC4)的阳极分别与第十二二极管(D8)的阴极、第二全控型器件(Q2)的漏极相连；第六电容(C1)的1端、第七电容(C2)的1端、第八电容(C3)的1端、第九电容(C4)的1端均与变压器次级绕组的4端相连，变压器次级绕组的3端分别与第八二极管(D4)的阴极、第九二极管(D5)的阳极、第二超级电容(SC2)的阳极相连，第六电容(C1)的2端分别与第五二极管(D1)的阴极、第六二极管(D2)的阳极相连，第七电容(C2)的2端分别与第七二极管(D3)的阴极、第八二极管(D4)的阳极相连，第八电容(C3)的2端分别与第九二极管(D5)的阴极、第十二极管(D6)的阳极相连，第九电容(C4)的2端分别与第十一二极管(D7)的阴极、第十二二极管(D8)的阳极相连。

2.根据权利要求1所述的一种超级电容串联均压电路，其特征在于：所述的全控型器件为N沟道PMOSFET或IGBT。

说明书

一种超级电容串联均压电路

技术领域

[0001] 本发明属于一种均压电路，尤其涉及超级电容储能装置中的一种超级电容串联均压电路。

背景技术

[0002] 在船舶电力推进系统中，船舶制动时所产生的能量是巨大的。超级电容作为一种先进的高能量储存元件，具有充放电速度快、效率高、寿命长、功率密度大、串并联组合方便以及对环境无污染等特点，它能提供和吸收瞬间大功率，因此可将超级电容进行串并联作为储能设备将船舶制动时所产生的能量存储起来用于提供船舶起动时所需的瞬时巨大的能量。但由于材料和制造工艺水平的限制，超级电容的内部参数具有离散性，它会使超级电容串联工作时的电压不均衡，从而影响了电容器的寿命和整个系统的可靠性，同时也影响电容器组的充电容量，使容量不能充分利用，存在浪费。

[0003] 目前超级电容电压均衡技术主要分为两大类：①能量消耗型，如并联电阻法、稳压管法和开关电阻法。能量消耗型均压电路将端电压较高的电容器组能量以发热的形式消耗在电阻或稳压管上，以达到均压目的。它的结构简单、成本低廉，但该方法会造成能量浪费，而且发热严重，不适合应用于对效率要求高的场合。②能量转移型，如飞渡电容法、DC/DC变换器法。能量转移型均压电路通过储能元件电感、电容或反激式变压器将能量从端电压较高的超级电容器单元转移至端电压较低的超级电容器单元，以实现均压。它的均压速度快，在电压均衡的过程中只消耗少量的能量，但是这种方法不是需要复杂的实时检测电路及控制电路，就是需要较多的开关器件或磁性元件，导致电路的结构庞大而复杂，成本也随之增加，可靠性降低。因此，拓扑简洁、控制容易的超级电容均压电路是一个重要的研究热点。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供结构简单、低损耗的一种超级电容串联均压电路。

[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0006] 一种超级电容串联均压电路，包括全桥逆变器、电压乘法器和变压器，全桥逆变器的输入和电压乘法器的输出相连接，全桥逆变器包括第一～第四全控型器件Q1～Q4，四个电容C1～C4、四个二极管DQ1～DQ4，第一～第四全控型器件Q1～Q4构成全桥逆变器的四个桥臂，每个全控型器件分别并联一个二极管和一个电容，第一全控型器件Q1的源极与第五电容Cbk的1端相连，第五电容Cbk的2端串联一个第一电感LKg后与变压器初级绕组的1端相连，变压器初级绕组的2端与第四全控型器件Q4的漏极相连，变压器初级绕组的1端和2端之间并联一个第二电感Lmg，变压器次级绕组的3端和4端与电压乘法器相连。

[0007] 本发明一种超级电容串联均压电路还包括：

[0008] 1、电压乘法器包括第一～第四超级电容SC1～SC4，第一超级电容SC1的阳极分别与第二超级电容SC2的阴极、第六二极管D2的阴极、第七二极管D3的阳极相连，第一超级电容SC1的阴极分别与第五二极管D1的阳极、第四全控型器件Q4的源极连接；第二超级电容SC2的阳极分别与第三超级电容SC3的阴极、第八二极管D4的阴极、第九二极管D5的阳极相连；第三超级电容SC3的阳极分别与第十二极管D6的阴极、第十一二极管D7的阳极、第四超级电容SC4的阴极相连；第四超级电容SC4的阳极分别与第十二二极管D8的阴极、第二全控型器件Q2的漏极相连；第六电容C1的1端、第七电容C2的1端、第八电容C3的1端、第九电容C4的1端均与变压器次级绕组的4端相连，变压器次级绕组的3端分别与第八二极管D4的阴极、第九二极管D5的阳极、第二超级电容SC2的阳极相连，第六电容C1的2端分别与第五二极管D1的阴极、第六二极管D2的阳极相连，第七电容C2的2端分别与第七二极管D3的阴极、第八二极管D4的阳极相连，第八电容C3的2端分别与第九二极管D5的阴极、第十二极管D6的阳极相连，第九电容C4的2端分别与第十一二极管D7的阴极、第十二二极管D8的阳极相连。

[0009] 2、全控型器件为N沟道PMOSFET或IGBT。

[0010] 本发明的有益效果为：

[0011] 通过引入电容CQ1、CQ2、CQ3、CQ4与变压器漏感Lkg产生谐振使开关器件实现零电压开关，即实现了开关器件的软开关，降低了开关损耗，均压速度快，均压效果理想，同时所需的开关器件和磁性元件少，所以电路结构和控制简单易行，减小了均压器的的体积。本发明采用的时全桥逆变器，相对于半桥逆变器来说，本发明通过采用移相全桥控制，以及对电路的电压乘法器部分中的电容参数进行设置，大幅度提高了超级电容串联均压电路的均压速度，降低了开关器件的工作频率，软开关的加入降低开关损耗，提高了电路的工作频率。

附图说明

[0012] 图1(a)全控型器件为PMOSFET的新型超级电容串联均压电路图；

[0013] 图1(b)全控型器件为IGBT的新型超级电容串联均压电路图；

[0014] 图2(a)开关器件Q1和Q4运行波形图；

[0015] 图2(b)开关器件Q2和Q3运行波形图；

[0016] 图2(c)变压器的初级电压、次级电压和漏感电流波形；

[0017] 图2(d)电压乘法器中相关能量转移电容和二极管的电流波形；

[0018] 图3新型超级电容串联均压电路的均压波形图。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

[0020] 本发明可以分为两个功能块：全桥逆变器和电压乘法器。全桥逆变器的输入和电压乘法器的输出相连接，使超级电容存储的能量进行循环流动，并且在能量循环的过程中所有的超级电容电压都是自动均压的。如图1(a)和图1(b)所示。

[0021] 全桥逆变器由四个全控型器件Q1、Q2、Q3、Q4、四个二极管DQ1、DQ2、DQ3、DQ4，五个电容CQ1、CQ2、CQ3、CQ4、Cbk和一个变比为4：1变压器组成，其中的全控型器件可以是常见的N沟道PMOSFET或IGBT；全控型器件Q1的漏极(或集电极)分别与二极管DQ1、DQ2的阴极，电容CQ1、CQ2的1端以及开关器件Q2的漏极(或集电极)相连；全控型器件Q1的源极(或发射极)分别与二极管DQ1的阳极、DQ3的阴极，电容CQ1的2端、CQ3和Cbk的1端以及开关器件Q3的漏极(或集电极)相连；全控型器件Q2的源极(或发射极)分别与二极管DQ2的阳极、DQ4的阴极，电容CQ2的2端、CQ4的1端，开关器件Q4的漏极(或集电极)以及变压器初级绕组的非同名端相连；全控型器件Q3的源极(或发射极)分别与二极管DQ3、DQ4的阳极，电容CQ3、CQ4的2端以及开关器件Q4的源极(或发射极)相连；电容Cbk的2端与变压器初级绕组的同名端相连。

[0022] 电压乘法器由四个电容C1、C2、C3、C4，四个超级电容器SC1、SC2、SC3、SC4及八个二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8组成。超级电容SC4的阳极接至全控型器件Q1、Q2的漏极(或集电极)，二极管D8的阴极；超级电容SC3的阳极接至超级电容SC4的阴极，二极管D7的阳极、D6的阴极；超级电容SC2的阳极接至超级电容SC3的阴极，二极管D5的阳极、D4的阴极以及变压器次级绕组的同名端；超级电容SC1的阳极接至超级电容SC2的阴极，二极管D3的阳极、D2的阴极；超级电容SC1的阴极接至二极管D1的阳极，全控型器件Q3、Q4的源极(或发射极)；变压器次级绕组的非同名端与能量转移电容C1、C2、C3、C4的1端相连；能量转移电容C1、C2、C3、C4的2端分别与二极管D2的阳极和D1的阴极、二极管D4的阳极和D3的阴极、二极管D6的阳极和D5的阴极、二极管D8的阳极和D7的阴极相连。

[0023] 电路的控制较为简单，其控制方式采用的是移相全桥控制控制方式，即：Q1和Q3轮流导通，各导通180电角度，Q2和Q4亦如此，但是Q1(或Q2)和Q4(或Q3)不同时导通，两者导通差α电角度，其中Q1和Q3分别先于Q2和Q4关断。本发明中以α为零电角度作说明，从而实现整个电路对串联超级电容的均压以及开关器件的软关断，降低了开关损耗。该均压器是在没有反馈控制的条件下运行的，通过去除反馈环进一步降低了电路的复杂程度。

[0024] 新型超级电容串联均压电路的拓扑结构，可以分为两个功能块：全桥逆变器和电压乘法器。全桥逆变器的输入和电压乘法器的输出相连接，使超级电容存储的能量进行循环流动。串联超级电容给全桥逆变器提供能量，全桥逆变器再以交流的形式将能量传给电压乘法器。电压乘法器调整为交流电，然后将能量重新分配给串联的超级电容。从而，超级电容存储的能量在通过全桥逆变器和电压乘法器之后又流通回来，并且在能量循环的过程中所有的超级电容电压都是自动均压的。为了方便起见，分别指定从地线起的第i个(i＝1，……，4)能量转移电容和超级电容为Ci和SCi。

[0025] 电路的控制方式采用的是移相全桥控制控制方式，即：Q1和Q3轮流导通，各导通180电角度，Q2和Q4亦如此，但是Q1(或Q2)和Q4(或Q3)不同时导通，两者导通差α电角度，其中Q1和Q3分别先于Q2和Q4关断。本发明中以α为零电角度作说明，均压器的主要运行波形如图2(a)～图2(d)所示，给出的是SC1-SC4的初始电压分别为2.5V、2V、
1.5V、1V的情况，与SC4直接相关的C4、D7、D8的波形最明显，其它情况类似。如图2(a)和图2(b)所示，开关管Q1(或Q2)和Q3(或Q4)是用稍小于0.5的固定占空比的极性相反的驱动信号驱动的，这样是为了避免直通电流出现的一切可能性。它的运行可以分为四个模式：A为Q1和Q4开关开通，B为Q1和Q4关断Q2和Q3未开通，C为Q2和Q3开关开通和D为Q2和Q3关断Q1和Q4未开通。

[0026] 在模式A期间，Q1和Q4导通，变压器漏感Lkg的电流几乎是线性增长的。电压乘法器中奇数号的二极管导通，给电容C1-C4充电。随着电流iLkg的增加，电容Ci的电流 和奇数号的二极管电流iD-odd也随着增加。

[0027] 在Q1和Q4关断之后，模式B开始，开关管反并联二极管开通。随着 的减小，和iD-odd也减小。在这期间，Q2和Q3的门电压在随后的时间开始作用于Q2和Q3。当 降到零时，模式B结束。

[0028] 当电流 降到零，在零电压下开通，模式C开始。在这个模式下，电流 和 反向增长，而偶数号的二极管开始导通，并且它们的电流iD-even开始增长。通过关断Q2和Q3，开始进入模式D，在该模式下Q2和Q3的反并联二极管导通。模式D一直持续到 为零或iD-even降为零为止。在模式D结束前，Q1和Q4的门电压作用于Q1和Q4使其在模式A开始时的零电压下开通。

[0029] 电流 流经C1-C4，大小由SC1、SC2、SC3、SC4的电压VSC1-VSC4决定。例如，如果VSC4是VSC1-VSC4中最低的，则 变为最大的而其它项减小。

[0030] 由于软开关技术的引入，即加入了电容CQ1、CQ2、CQ3、CQ4，从图2(a)和图2(b)可以看到，开关器件的电压和电流在同一时刻都有一个基本为零，实现了开关器件的零电压开关，降低了开关损耗。

[0031] 图(3)给出了该新型均压电路的均压波形，可以看出结果理想，实现了串联超级电容的电压均衡。