CN104092373A - Dc/dc升压变换模块和电路 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于电子技术领域，提供了一种DC/DC升压变换模块和电路，包括电感、开关管、二极管、电容和保护单元，输入电源的正极与电感的一端连接，电感的另一端连接二极管的阳极和开关管的正极，二极管的阴极连接电容的正极和输出的正极，开关管的负极连接电容的负极和保护单元的一端，保护单元的另一端连接输入电源的负极和输出的负极。本发明提供的DC/DC升压变换模块和电路可在开关管短路失效时对电路和***进行有效保护。

Description

DC/DC升压变换模块和电路
技术领域
本发明属于电子技术领域，尤其涉及一种DC/DC升压变换模块和电路。
背景技术
图1所示为常规的DC/DC升压变换电路，输入电压Vin、输入电流Iin，当开关管T1导通时，电感L1电流增大；当开关管T1关断时，电感L1电流通过二极管D1续流给电容C1充电。在该电路中，输出电压Vo大于输入电压Vin，输入电流Iin大于输出电流Io，流过熔断器F1的电流等于Iin。
熔断器F1在该电路中起保护作用，特别是图中的开关管T1短路失效时，此时Vin一直加在电感L1上，导致电感L1电流持续上升，直到保护单元F1烧断。但是该电路应用到光伏产品上时存在一个缺陷，输入电压Vin接入的是光伏组件PV的输出，由于光伏组件输出具有短路限流特性，导致开关管T1即使短路失效，电感L1电流也只会升高到光伏组件PV的短路电流，而该短路电流即使在标准光照下，也只比额定电流大10％左右，根本无法烧断熔断器F1，也无法起到保护***的作用。
如图2所示，为另一种常规的DC/DC升压变换电路，该变换电路把保护单元安装在升压变换电路的输出端，起着输出短路保护的作用，可参考专利申请号为201310381249.7的名称为《一种升压恒流电源输出短路的保护电路》的描述。但图2中的电路只对输出短路进行保护，而不能对电路中的半导体开关管T短路失效后做进一步的***保护。
随着国家对环保和新能源的重视，光伏发电***得到广泛的发展，光伏逆变器和变换器也得到大量的应用。同时另一方面，我们看到由于光伏组件PV输出限流特性，保护单元没有起到保护作用，导致火灾的事件时有发生。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种DC/DC升压变换模块和电路，旨在解决现有的DC/DC升压变换电路无法在开关管失效时对电路进行保护的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种DC/DC升压变换模块，包括电感、开关管、二极管、电容和保护单元，输入电源的正极与电感的一端连接，电感的另一端连接二极管的阳极和开关管的正极，二极管的阴极连接电容的正极和输出的正极，开关管的负极连接电容的负极和保护单元的一端，所述保护单元的另一端连接输入电源的负极和输出的负极。
进一步地，所述开关管为MOS管，所述开关管的正极为MOS管的D极，所述开关管的负极为MOS管的S极。
进一步地，所述开关管为绝缘栅双极型晶体管IGBT，所述开关管的正极为IGBT的C极，所述开关管的负极为IGBT的E极。
进一步地，所述保护单元为自动保护器件。
进一步地，所述保护单元为开关器件。
进一步地，所述输入电源为至少一组光伏组件。
进一步地，所述输入电源为两组光伏组件。
本发明还提供一种DC/DC升压变换电路，所述装置包括至少两个DC/DC升压变换模块，所述DC/DC升压变换模块并联于输入电源和输出之间。
进一步地，所述DC/DC升压变换电路的输入电源为四组光伏组件。
本发明实施例提供了新的DC/DC升压变换模块和电路，把保护单元置于开关管和电容的负极汇合点之后，并且把输入的负极接在保护单元与输出端负极之间。如此，正常工作时流过保护单元的电流If等于输入电流Iin减去输出电流Io，一旦开关管短路失效后，电流If等于Iin，大于正常工作时的Iin-Io电流，可以断开保护单元，对电路和***起到保护作用。
附图说明
图1是现有技术的DC/DC升压变换电路的电路图；
图2是现有带输出熔断保护的DC/DC升压变换电路的电路图；
图3是本发明实施例1提供的DC/DC升压变换模块的电路图；
图4是本发明实施例1提供的DC/DC升压变换模块在开关管闭合时的电流走向图；
图5是本发明实施例1提供的DC/DC升压变换模块在开关管断开时的电流走向图；
图6是本发明实施例1提供的DC/DC升压变换模块在开关管短路失效时的电流走向图；
图7是本发明实施例1提供的DC/DC升压变换模块在两组光伏电池作为输入时的电路图；
图8是本发明实施例2提供的DC/DC升压变换模块在四组光伏电池作为输入时的电路图；
图9是本发明实施例3提供的DC/DC升压变换模块的电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图3所示，本发明实施例提出一种DC/DC升压变换模块，包括电感L2、开关管T2、二极管D2、电容C2和保护单元F2(本实施例中采用熔断器)，输入电源Vin的正极与电感L2的一端连接，电感L2的另一端连接二极管D2的阳极和开关管T2的正极，二极管D2的阴极连接电容C2的正极和输出的正极，开关管T2的负极连接电容C2的负极和熔断器F2的一端；熔断器F2的另一端连接输入电源Vin的负极和输出的负极。上述开关管T2可以是MOS管或IGBT，开关管为MOS管时，正极为MOS管的D极，负极为MOS管的S极；开关管为绝缘栅双极型晶体管IGBT时，正极为IGBT的C极，负极为IGBT的E极。
如图4所示，当开关管T2闭合时，输入电压加在电感L2两端，输入电流Iin增大，该电流从输入电源Vin的正极流经电感L2、开关管T2和熔断器F2，并通过输入电源的负极返回到输入。同时二极管D2截止，电容C2放电，以维持负载R的供电，并使得输出电压Vo降低，该放电电流从电容C2的正极流出，通过输出的正极，流经负载R到达输出的负极，并且经过熔断器F2回到电容C2的负极。在此阶段，流过熔断器F2的电流If包括两部分：一是电感L2的储能电流(即输入电流Iin)，另一个是电容C2的放电电流(即输出电流Io)，两个电流方向相反，使得实际电流If＝Iin-Io，比Iin更小。
如图5所示，当开关管T2断开时，电感L2的电流不能突变，通过二极管D2给电容C2和负载R供电。给电容C2供电的结果是使得输出电压Vo升高，输入电流Iin经过电感L2、二极管D2、电容C2、熔断器F2到达输入电源Vin和输出Vo的负极形成一回路。同时输入电流Lin从输入电源Vin的正极，经过电感L2、二极管D2、输出的正极、负载R和输出的负极，到达输入电源Vin的负极形成另一回路，实现负载R的供电。在此阶段，流过熔断器F2的电流If等于给电容C2充电的电流，该充电电流等于输入电流Iin，减去负载R电流(也是输出电流Io)，即实际电流If＝Iin-Io，比Iin更小。
综上分析，在上述开关管T2正常工作的阶段，经过熔断器F2的电流If都是等于输入电流Iin减去输出电流Io。根据功率平衡的原则，Io＝Vin*Iin/Vo，所以
If＝Iin-Iin*Vin/Vo＝Iin*(1-Vin/Vo)，
可以看出，如果不升压时，Vo＝Vin，If＝0；如果升压比为一倍，则Vo＝2Vin，If＝0.5Iin，即流过熔断器的电流只有输入电流的一半，电路可正常工作。
当开关管T2短路失效时，如图6所示，开关管T2一直处于导通状态，且电容C2无法给负载R供电，即Io为0，此时输入电流Iin从输入电源Vin的正极流经电感L2、开关管T2和熔断器F2，并通过输入电源的负极返回到输入，If＝Iin。所以根据正常运行时If＝Iin*(1-Vin/Vo)，故障时If＝Iin的现象，可以选取熔断器的额定电流小于Iin，那么就可以同时兼顾正常时的运行和开关管T2短路失效时的保护。
根据上述电路工作原理，具体到光伏产品，本发明实施例的DC/DC升压变换模块可使用至少一组光伏组件作为DC/DC升压变换模块的输入电源。如图7所示，DC/DC升压变换模块的输入电源为两组光伏组件PV1和PV2。光伏组件PV1和PV2经过各自的支路熔丝F6、F3、F7、F4汇合形成输入电压Vin。以PV1和PV2的标称额定电流为8.0A，标准光照短路电流9A为例，F6和F7选取10～15A的熔断器。PV1和PV2的最大开路电压600V，满载MPPT电压范围250～500V，设计DC/DC升压变换模块的输出电压Vo＝500V，同时在输入电压大于500V后，开关管T3停止工作，输出电压Vo＝Vin，If＝0。当输入电压等于250V时，If＝Iin*(1-Vin/Vo)＝0.5Iin＝0.5*8*2＝8A，当输入电压为250～500Vdc之间、输入电流为8A时，If为0～8A之间，即正常工作电流小于8A，考虑过载系数，F5可以选取10～12A的熔丝。这样在开关管T3出现故障导致短路时，如果光照比较弱，输入电流Iin小于16A，那么对于额定电流为16A的电抗、回路电缆都是没有风险，一旦光照变强，输入电流Iin大于16A后，10～12A的熔断器F5快速熔断，就可以防止烧坏电抗和电缆。
实施例2
如图8所示，该实施例还提出一种DC/DC升压变换电路，包括至少两个图3所示之DC/DC升压变换模块，所述至少两个DC/DC升压变换模块并联于输入电源和输出之间，也就是说，所有DC/DC升压变换模块的输入端并联至输入电源，所有DC/DC升压变换模块的输出端并联至输出。可使用四组光伏组件PV1、PV2、PV3和PV4，经过各自的支路熔丝汇合后形成输入电压Vin。以PV1、PV2、PV3和PV4的标称额定电流为8.0A，标准光照短路电流9A为例，F6和F7选取10～15A的熔断器。PV1和PV2的最大开路电压1000V，满载MPPT电压范围450～750V，假设DC/DC升压变换模块的输出电压Vo＝800V，同时在输入电压大于800V后，开关管T4、T5停止工作，输出电压Vo＝Vin，If1＝If2＝0。在输入电压等于450V时，If1＝If2＝0.5*Iin*(1-Vin/Vo)＝0.22Iin＝0.22*8*4＝7A，在输入电压为450～800Vdc之间、输入电流Iin为32A时，If为0～7A之间，即正常工作时通过熔断器F9、F10的电流小于7A，考虑过载系数，熔断器F9、F10可以选取10A的熔断器。这样在开关管T4或T5出现故障导致短路失败时，如果光照比较弱，输入电流Iin小于10A，那么对于额定电流为16A的电抗、回路电缆都是没有风险，一旦光照变强，输入短路电流大于13A后，10A的熔断器F9或F10快速熔断，防止烧坏电抗和电缆等。图8所示电路中由于存在两组独立的DC/DC电压变换模块，且一般情况下为开关管T4或者开关管T5中的一个短路失效，如此出现故障后，PV1、PV2、PV3和PV4四组组串的短路电流同时流入熔断器F9或者熔断器F10，对于10A的熔丝，只要每组PV支路的短路电流有3A以上就可以烧断，更容易防止故障的扩大化。
通过本发明实施例的改进常规DC/DC电压变换电路的输入和输出负极连接方法，使得正常工作时流经保护单元的电流只是输入输出差额电流，而故障模式时为全部输入电流，同时还可以防止二极管也损坏的情况下，输出电压的能量持续倒灌到DC/DC电压变换电路导致***故障扩大。本发明实施例的DC/DC电压变换模块和电路使常规的DC/DC升压变换电路能够可靠地应用于光伏产品中时，避免当半导体开关管短路失效后，光伏组件的短路电流长期叠加在功率单元，导致故障扩大、甚至引起火灾等风险。
实施例3
如图9所示，为本发明的另一实施例。本实施例与实施例1不同的地方在于：实施例1中保护单元是采用自动保护器件(如熔断器、保险丝等)，而本实施例中是采用开关器件T6(如接触器、晶闸管SCR、IGBT、Mos管等)，在图9所示DC/DC电压变换模块中的开关管T3出现短路失效导致故障扩大后，会进一步导致过温或者烟雾等现象发生，可以根据这些故障现象断开开关器件T6，从而实现电路保护功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种DC/DC升压变换模块，其特征在于，包括电感、开关管、二极管、电容和保护单元，输入电源的正极与电感的一端连接，电感的另一端连接二极管的阳极和开关管的正极，二极管的阴极连接电容的正极和输出的正极，开关管的负极连接电容的负极和保护单元的一端；所述保护单元的另一端连接输入电源的负极和输出的负极。
2.如权利要求1所述的DC/DC升压变换模块，其特征在于，所述开关管为MOS管，所述开关管的正极为MOS管的D极，所述开关管的负极为MOS管的S极。
3.如权利要求1所述的DC/DC升压变换模块，其特征在于，所述开关管为绝缘栅双极型晶体管IGBT，所述开关管的正极为IGBT的C极，所述开关管的负极为IGBT的E极。
4.如权利要求1所述的DC/DC升压变换模块，其特征在于，所述保护单元为自动保护器件。
5.如权利要求1所述的DC/DC升压变换模块，其特征在于，所述保护单元为开关器件。
6.如权利要求1所述的DC/DC升压变换模块，其特征在于，所述输入电源为至少一组光伏组件。
7.如权利要求6所述的DC/DC升压变换模块，其特征在于，所述输入电源为两组光伏组件。
8.一种DC/DC升压变换电路，其特征在于，所述装置包括至少两个如权利要求1至7任一项所述的DC/DC升压变换模块，所述至少两个DC/DC升压变换模块并联在输入电源和输出之间。
9.如权利要求8所述的DC/DC升压变换电路，其特征在于，所述DC/DC升压变换电路的输入电源为四组光伏组件。
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