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CN111404236A - 一种光伏充电控制器的充电电路及光伏充电控制器 - Google Patents

一种光伏充电控制器的充电电路及光伏充电控制器 Download PDF

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CN111404236A CN202010333557.2A CN202010333557A CN111404236A CN 111404236 A CN111404236 A CN 111404236A CN 202010333557 A CN202010333557 A CN 202010333557A CN 111404236 A CN111404236 A CN 111404236A
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Abstract

本发明涉及光伏充电技术领域，具体涉及一种光伏充电控制器的充电电路及光伏充电控制器。该充电电路包括主控模块；第一降压模块，接收光伏电能并降压后输出充电电能；第二降压模块，分别与主控模块和第一降压模块连接；以及驱动模块，分别与主控模块、第一降压模块和第二降压模块连接；其中，所述主控模块发送控制信号至驱动模块，所述驱动模块接收控制信号处理后输出第一驱动信号和第二驱动信号，第一驱动信号驱动第一降压模块驱动工作，第二驱动信号驱动第二降压模块驱动工作，所述第二降压模块在第一降压模块工作前将第一降压模块的工作电压降为零。本发明能减少了开关损耗，充电稳定可靠，效率高，且减少电磁干扰EMI。

Description

一种光伏充电控制器的充电电路及光伏充电控制器
技术领域
本发明涉及光伏充电技术领域，具体涉及一种光伏充电控制器的充电电路及光伏充电控制器。
背景技术
在光伏充电控制器中，传统的光伏充电控制器采用降压电路给蓄电池充电，该降压电路采用的都是PWM硬开关控制，硬开关主要缺点有：开关损耗高、工作频率范围受限、电磁干扰EMI严重、开关器件的应力高等。
目前，光伏充电控制器要求输入高电压、小体积、高效率、高功率密度等，传统的硬开关技术由于开关损耗大等缺点导致开关器件发热大，温升高，需要更大的散热器才能满足要求，且开关器件的应力高，可靠性差，导致无法满足现有对光伏充电控制器的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种光伏充电控制器的充电电路及光伏充电控制器，解决了现有光伏充电控制器的硬开关充电方式开关损耗高，工作频率范围受限，电磁干扰EMI严重且应力高，可靠性差的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种光伏充电控制器的充电电路，包括：
主控模块；
第一降压模块，接收光伏电能并降压后输出充电电能；
第二降压模块，分别与主控模块和第一降压模块连接；以及
驱动模块，分别与主控模块、第一降压模块和第二降压模块连接；其中，
所述主控模块发送控制信号至驱动模块，所述驱动模块接收控制信号处理后输出第一驱动信号和第二驱动信号，并将第一驱动信号发送至第一降压模块驱动其工作，将第二驱动信号发送至第二降压模块驱动其工作，所述第二降压模块在第一降压模块工作前将第一降压模块的工作电压降为零。
本发明的更进一步优选方案是：所述第一降压模块包括第一MOS管，所述第二降压模块包括第二MOS管、第一电感和续流回路单元，所述第二MOS管的栅极连接至驱动模块，其源极连接至续流回路单元和第一电感的连接节点，其漏极连接至第一MOS管的漏极，在第一MOS管导通前将其漏极和源极之间的电压降为零。
本发明的更进一步优选方案是：所述驱动模块包括驱动信号产生单元，与第一降压模块连接的电压钳位单元，以及设于电压钳位单元和驱动信号产生单元之间且与主控模块连接的PWM信号产生单元，所述第一降压模块将其相位点电压信号传输至电压钳位单元，所述电压钳位单元将该相位点电压信号钳至预设电压信号并传输至PWM信号产生单元，所述PWM信号产生单元处理预设电压信号产生PWM信号，并传输至驱动信号产生单元，所述驱动信号产生单元处理PWM信号后输出第一驱动信号和第二驱动信号。
本发明的更进一步优选方案是：所述电压钳位单元包括电阻和二极管，所述电阻的一端连接至第一降压模块，另一端连接至二极管的正极和PWM信号产生单元的输入端，所述二极管的负极连接电源。
本发明的更进一步优选方案是：所述PWM信号产生单元包括施密特反相器、第一与门单元和第二与门单元，所述施密特反相器的输入端与电压钳位单元连接，所述第一与门单元的输入端分别连接施密特反相器的输出端和主控模块，其输出端连接至PWM信号产生单元，所述第二与门单元的输入端分别连接电压钳位单元和主控模块，输出端连接至PWM信号产生单元。
本发明的更进一步优选方案是：所述驱动信号产生单元包括与PWM信号产生单元连接的第一处理芯片和第二处理芯片，所述第一处理芯片接收PWM信号产生单元传输的PWM信号处理后输出第一驱动信号，所述第二处理芯片接收PWM信号产生单元传输的PWM信号处理后输出第二驱动信号。
本发明的更进一步优选方案是：所述第一降压模块还包括输入电容、第二电感、输出电容和第三MOS管，所述输入电容的正极连接至第一MOS管的漏极和第二MOS管的栅极，其负极接地，所述第二电感的一端连接至第一MOS管的源极和第三MOS管的漏极，另一端连接至输出电容的正极，所述输出电容的负极接地，所述第一MOS管的栅极和第三MOS管的栅极均连接至驱动模块，所述第三MOS管的源极接地。
本发明的更进一步优选方案是：所述充电电路还包括用于防止电池对光伏反充电的防反充模块。
本发明的更进一步优选方案是：所述防反充模块包括第四MOS管，所述第四MOS管的源极与外部光伏连接，其漏极与第一降压模块和第二降压模块连接。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种光伏充电控制器，包括光伏、电池和上述任一项所述的光伏充电控制器的充电电路，所述充电电路中第一降压模块的输入端连接光伏接收光伏电能，其输出端连接电池，输出充电电能为电池供电。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，通过设置第一降压模块、第二降压模块、驱动模块和主控模块，驱动模块将主控模块发送的控制信号处理后输出第一驱动信号和第二驱动信号，并将第一驱动信号传输至第一降压模块驱动其工作，将第二驱动信号传输至第二降压模块驱动其工作，所述第二降压模块在第一降压模块工作前将第一降压模块的工作电压降为零，减少了开关损耗，电路可以在很宽的输入电压源和输出负载变化范围内实现软开关，实现可靠稳定高效率对需要充电的电池进行充电，且减少电磁干扰EMI，可靠性高。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的光伏充电控制器的充电电路的结构框图；
图2是本发明的光伏充电控制器的充电电路的电路示意图；
图3是本发明的驱动模块的结构框图；
图4是本发明的驱动模块的电路示意图；
图5是本发明的驱动模块中各信号的时序图；
图6是本发明的光伏充电控制器的结构框图。
具体实施方式
现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。
如图1所示，本发明提供一种光伏充电控制器的充电电路的优选实施例。
一种光伏充电控制器的充电电路，包括主控模块10，第一降压模块20，驱动模块30和分别与与主控模块10和第一降压模块20连接的第二降压模块40。其中，所述第一降压模块20接收光伏电能并降压后输出充电电能，为需要充电的电池70供电；所述驱动模块30分别与主控模块10、第一降压模块20和第二降压模块40连接。所述主控模块10发送控制信号至驱动模块30，所述驱动模块30接收控制信号处理后输出第一驱动信号和第二驱动信号HO_GS soft，并将第一驱动信号发送至第一降压模块20驱动其工作，将第二驱动信号HO_GSsoft发送至第二降压模块40驱动其工作，所述第二降压模块40在第一降压模块20工作前将第一降压模块20的工作电压降为零。通过设置第二降压模块40在第一降压模块20工作前将第一降压模块20的工作电压降为零，减少了开关损耗，电路可以在很宽的输入电压源和输出负载变化范围内实现软开关，实现可靠稳定高效率对需要充电的电池70进行充电，且减少电磁干扰EMI，可靠性高。
参考图2，本实施例中，所述第一降压模块20包括第一MOS管Q1，所述第二降压模块40包括第二MOS管Q2、第一电感L1和续流回路单元，所述第二MOS管Q2的栅极连接至驱动模块30，其源极连接至续流回路单元和第一电感L1的连接节点，其漏极连接至第一MOS管Q1的漏极，在第一MOS管Q1导通前将其漏极和源极之间的电压降为零。第二MOS管Q2、第一电感L1和续流回路单元形成软开关网络，在每一个开关周期内，驱动模块30发送第二驱动信号HO_GS soft至第二降压模块40，驱动第二降压模块40工作，第二降压模块40在第一降压模块20工作前将第一降压模块20中第一MOS管Q1的漏极和源极之间的电压降为零，减少第一MOS管Q1的工作损耗，可在很宽的输入电压源和输出负载变化范围内实现软开关，实现可靠稳定高效率的对需要充电的电池70进行充电。
其中，续流回路单元包括二极管D1,二极管D1的负极连接至第二MOS管Q2的源极，正极接地。二极管D1可以是采用含有两个二极管的芯片中的一个。所述第二降压模块40的工作原理为：第二MOS管Q2导通时，给第一电感L1充电，电流上升，第二MOS管Q2截止时，第一电感L1的能量通过二极管D1续流，电流下降。
参考图3和图4，并结合图2，本实施例中，所述驱动模块30包括驱动信号产生单元31，与第一降压模块20连接的电压钳位单元32，以及设于电压钳位单元32和驱动信号产生单元31之间且与主控模块10连接的PWM信号产生单元33，所述第一降压模块20将其相位点电压信号VS_buck传输至电压钳位单元32，所述电压钳位单元32将该相位点电压信号VS_buck钳至预设电压信号并传输至PWM信号产生单元33，所述PWM信号产生单元33处理预设电压信号产生PWM信号，并传输至驱动信号产生单元31，所述驱动信号产生单元31处理PWM信号后输出第一驱动信号和第二驱动信号HO_GS soft。其中的预设电压信号为低于第一降压模块20的相位点电压的电压信号。
其中，参考图2和图4，所述电压钳位单元32包括电阻R1和二极管D2，所述电阻R1的一端连接至第一降压模块20，另一端连接至二极管D2的正极和PWM信号产生单元33的输入端，所述二极管D2的负极连接电源。电阻R1和二极管D2组成的电路将第一降压模块20输出的相位点电压信号VS_buck限幅钳位为预设电压信号。二极管D2的负极连接的电源为3.3V。
进一步地，参考图2和图4，所述PWM信号产生单元33包括施密特反相器U1A、第一与门单元IC2A和第二与门单元IC2B，所述施密特反相器U1A的输入端与电压钳位单元32连接，所述第一与门单元IC2A的输入端分别连接施密特反相器U1A的输出端和主控模块10，其输出端连接至PWM信号产生单元33，所述第二与门单元IC2B的输入端分别连接电压钳位单元32和主控模块10，输出端连接至PWM信号产生单元33。其中，所述施密特反相器U1A的输入端与电压钳位单元32中二极管D2的正极连接。
对于标准施密特反相器U1A，当输入电压高于正向阈值电压，输出为低；当输入电压低于负向阈值电压，输出为高；当输入在正负向阈值电压之间，输出不改变，也就是说输出由高电准位翻转为低电准位，或是由低电准位翻转为高电准位时所对应的阈值电压是不同的。只有当输入电压发生足够的变化时，输出才会变化。施密特反相器U1A可作为波形整形电路，能将模拟信号波形整形为数字电路能够处理的方波波形。使用施密特反相器U1A，能对电压钳位单元32输出的信号进行反相整形。
进一步地，参考图2和图4，所述驱动信号产生单元31包括与PWM信号产生单元33连接的第一处理芯片IC3和第二处理芯片IC4，所述第一处理芯片IC3接收PWM信号产生单元33传输的PWM信号处理后输出第一驱动信号，所述第二处理芯片IC4接收PWM信号产生单元33传输的PWM信号处理后输出第二驱动信号HO_GS soft。其中，第一驱动信号包括第一子驱动信号HO_GSmain和第二子驱动信号LO_GS main，这两个子驱动信号分别驱动第一降压模块20的不同单元或器件工作。
其中，第二处理芯片IC4的信号输入端连接与第一与门单元IC2A连接，接收第一与门单元IC2A输出的PWM信号，并处理后输出第二驱动信号，第一处理芯片IC3具有两个信号输入端，一信号输入端连接至第二与门单元IC2B的输出端，接收第二与门单元IC2B输出的PWM信号，并处理后输出第一驱动信号的第一子驱动信号HO_GS main，另一输出端连接至主控模块10，接收主控模块10的控制信号，并处理后输出第一驱动信号的第二子驱动信号LO_GSmain。
参考图2，本实施例中，所述第一降压模块20还包括输入电容C1、第二电感L2、输出电容C2和第三MOS管Q3，所述输入电容C1的正极连接至第一MOS管Q1的漏极和第二MOS管Q2的栅极，其负极接地，所述第二电感L2的一端连接至第一MOS管Q1的源极和第三MOS管Q3的漏极，另一端连接至输出电容C2的正极，所述输出电容C2的负极接地，所述第一MOS管Q1的栅极和第三MOS管Q3的栅极均连接至驱动模块30，所述第三MOS管Q3的源极接地。第一降压模块20接收光伏电能并降压后输出充电电能，为需要充电的电池70供电。
具体地，所述第一MOS管Q1的栅极连接至第一处理芯片IC3的一信号输出端，接收第一处理芯片IC3输出的第一子驱动信号HO_GS main，由该第一子驱动信号HO_GS main驱动工作，所述第三MOS管Q3的栅极连接至第一处理芯片IC3的另一信号输出端，接收第一处理芯片IC3输出的第二子驱动信号LO_GS main，由该第二子驱动信号LO_GS main驱动工作。
第一降压模块20在工作过程中，第一MOS管Q1导通，第三MOS管Q3截止时，光伏60输入的电压信号通过第一MOS管Q1给第二电感L2和输出电容C2充电，第二电感L2的电流线性上升；第一MOS管Q1截止，第三MOS管Q3导通时，第二电感L2的能量通过第三MOS管Q3续流，第二电感L2电流线性下降，通过控制第一MOS管Q1的占空比，调节输出的充电电压Vout，将光伏60输入的电压信号定义为输入电压Vin，第一MOS管Q1的占空比定义为D，则充电电压Vout、输入电压Vin和占空比D满足以下公式：Vout＝D*Vin。
本实施例中，所述驱动模块30的具体工作原理如下：所述电压钳位单元32的二极管D2和电阻R1将第一降压模块20输出的相位点电压信号VS_buck限幅钳位为预设电压信号VS_buck_A，并输入至PWM信号产生单元33的施密特反相器U1A，施密特反相器U1A将预设电压信号VS_buck_A反相整形为信号VS_buck_Y，并输入至第一与门单元IC2A的输入端；主控模块10产生控制信号，该控制信号为互补的PWM信号，分别为PWMH信号和PWML信号，PWMH信号传输至第一与门单元IC2A的输入端和第二与门单元IC2B的输入端，PWMH信号与信号VS_buck_Y经过第一与门单元IC2A产生PWM信号，并传输至第二处理芯片IC4，由第二处理芯片IC4处理产生第二驱动信号HO_GS soft，该信号驱动第二降压模块40的第二MOS管Q2工作；电压钳位单元32输出的预设电压信号VS_buck_A传输至第二与门单元IC2B的输入端，主控模块10产生的PWMH信号传输至第二与门单元IC2B，预设电压信号VS_buck_A和PWML信号经过第二与门单元IC2B产生PWM信号，并传输至第一处理芯片IC3的一信号输入端，主控模块10产生的PWML信号传输至第一处理芯片IC3，第一处理芯片IC3处理第二与门单元IC2B传输的PWM信号和主控模块10传输的PWML信号后产生第一子驱动信号HO_GS main和第二子驱动信号LO_GS main，第一子驱动信号HO_GS main传输至第一MOS管Q1的栅极，驱动其工作，第二子驱动信号LO_GS main传输至第三MOS管Q3的栅极，驱动其工作。每一个开关周期中，在第一MOS管Q1导通前，第二MOS管Q2都会导通一定的时间，使第一MOS管Q1的电压信号Vds(漏极与源极之间的电压)降为零，减少开关损耗。
驱动模块30工作过程中各信号的时序图如图5所示，其中的信号HO_DS_main为第一MOS管Q1的漏极和源极之间的电压信号Vds的电压波形。根据上述驱动模块30的工作原理和图5所示时序图可知，第一MOS管Q1在其驱动信号HO_GS_main有效之前，其漏源电压Vds已经提前下降为零电压，即作为主功率回路的第一降压模块20中第一MOS管Q1实现零电压开通，与现有硬开关的方案相比，能减少开关损耗，电路可以在很宽的输入电压源和输出负载变化范围内实现软开关，实现可靠稳定高效率的对需要充电的电池70进行充电。
其中，第二MOS管Q2、第一电感L1和续流回路单元形成软开关网络，第一降压模块20中的第一MOS管Q1的电压Vds(漏极与栅极之间的电压)降到零，驱动电压Vgs(栅极与源极之间的电压)才开始有效，相当于在第一MOS管Q1开启过程中第一MOS管Q1的Vds等于零，没有开通损耗。
参考图1和图2，本实施例中，所述充电电路还包括用于防止电池70对光伏60反充电的防反充模块50。在电池70电压高于光伏60的电压的情况下，电池70反过来会对光伏60进行充电，通过设置防反充模块50，可避免这种反充现象。
具体地，所述防反充模块50包括第四MOS管Q4，所述第四MOS管Q4的源极与外部光伏60连接，其漏极与第一降压模块20和第二降压模块40连接。第四MOS管Q4能防止电池70反向对光伏60进行充电。
参考图6，本发明还提供一种光伏充电控制器的优选实施例。
参考图6，本发明还提供一种光伏充电控制器，包括光伏60、电池70和上述所述的光伏充电控制器的充电电路，所述充电电路中第一降压模块20的输入端连接光伏60接收光伏电能，其输出端连接电池70，输出充电电能为电池70供电。基于上述充电电路的光伏充电控制器，通过设置第二降压模块40在第一降压模块20工作前将第一降压模块20的工作电压降为零，减少了开关损耗，电路可以在很宽的输入电压源和输出负载变化范围内实现软开关，实现可靠稳定高效率对需要充电的电池70进行充电，且减少电磁干扰EMI，可靠性高。
应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而所有这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种光伏充电控制器的充电电路，其特征在于，所述充电电路包括：
主控模块；
第一降压模块，接收光伏电能并降压后输出充电电能；
第二降压模块，分别与主控模块和第一降压模块连接；以及
驱动模块，分别与主控模块、第一降压模块和第二降压模块连接；其中，
所述主控模块发送控制信号至驱动模块，所述驱动模块接收控制信号处理后输出第一驱动信号和第二驱动信号，并将第一驱动信号发送至第一降压模块驱动其工作，将第二驱动信号发送至第二降压模块驱动其工作，所述第二降压模块在第一降压模块工作前将第一降压模块的工作电压降为零。
2.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，所述第一降压模块包括第一MOS管，所述第二降压模块包括第二MOS管、第一电感和续流回路单元，所述第二MOS管的栅极连接至驱动模块，其源极连接至续流回路单元和第一电感的连接节点，其漏极连接至第一MOS管的漏极，在第一MOS管导通前将其漏极和源极之间的电压降为零。
3.根据权利要求1或2所述的充电电路，其特征在于，所述驱动模块包括驱动信号产生单元，与第一降压模块连接的电压钳位单元，以及设于电压钳位单元和驱动信号产生单元之间且与主控模块连接的PWM信号产生单元，所述第一降压模块将其相位点电压信号传输至电压钳位单元，所述电压钳位单元将该相位点电压信号钳至预设电压信号并传输至PWM信号产生单元，所述PWM信号产生单元处理预设电压信号产生PWM信号，并传输至驱动信号产生单元，所述驱动信号产生单元处理PWM信号后输出第一驱动信号和第二驱动信号。
4.根据权利要求3所述的充电电路，其特征在于，所述电压钳位单元包括电阻和二极管，所述电阻的一端连接至第一降压模块，另一端连接至二极管的正极和PWM信号产生单元的输入端，所述二极管的负极连接电源。
5.根据权利要求3所述的充电电路，其特征在于，所述PWM信号产生单元包括施密特反相器、第一与门单元和第二与门单元，所述施密特反相器的输入端与电压钳位单元连接，所述第一与门单元的输入端分别连接施密特反相器的输出端和主控模块，其输出端连接至PWM信号产生单元，所述第二与门单元的输入端分别连接电压钳位单元和主控模块，输出端连接至PWM信号产生单元。
6.根据权利要求3所述的充电电路，其特征在于，所述驱动信号产生单元包括与PWM信号产生单元连接的第一处理芯片和第二处理芯片，所述第一处理芯片接收PWM信号产生单元传输的PWM信号处理后输出第一驱动信号，所述第二处理芯片接收PWM信号产生单元传输的PWM信号处理后输出第二驱动信号。
7.根据权利要求2所述的充电电路，其特征在于，所述第一降压模块还包括输入电容、第二电感、输出电容和第三MOS管，所述输入电容的正极连接至第一MOS管的漏极和第二MOS管的栅极，其负极接地，所述第二电感的一端连接至第一MOS管的源极和第三MOS管的漏极，另一端连接至输出电容的正极，所述输出电容的负极接地，所述第一MOS管的栅极和第三MOS管的栅极均连接至驱动模块，所述第三MOS管的源极接地。
8.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，所述充电电路还包括用于防止电池对光伏反充电的防反充模块。
9.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，所述防反充模块包括第四MOS管，所述第四MOS管的源极与外部光伏连接，其漏极与第一降压模块和第二降压模块连接。
10.一种光伏充电控制器，其特征在于，包括光伏、电池和如权利要求1-9任一项所述的光伏充电控制器的充电电路，所述充电电路中第一降压模块的输入端连接光伏接收光伏电能，其输出端连接电池，输出充电电能为电池供电。
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