CN102594138A - 一种双向dc/dc变换器pwm移相控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双向DC/DC变换器PWM移相控制装置，其包括：死区时间控制单元和双向DC/DC变换器，所述控制装置包括PWM移相控制电路，所述死区时间控制单元、PWM移相控制电路和双向DC/DC变换器依次连接。本发明提供的双向DC/DC变换器PWM移相控制装置，采用PWM移相控制技术，使控制策略简单且易于实现；对于多重化PWM控制技术，要使各单元电路的驱动信号相互错开，以保证各IGBT管子之间的顺序切换，达到降低开关频率，减小开关损耗的目的。
Description
技术领域
本发明属于电力系统储能变流器领域，具体涉及一种双向DC/DC变换器PWM移相控制装置。
背景技术
在电动汽车、航天供电系统、新能源以及再生能源发电等一些应用场合，两侧都是直流电压源或直流有源负载，它们的电压极性保持不变，希望能量双向流动，也就是电流的双向流动。如果采用将两个DC-DC变换器反并联的方式实现，会使电路设计复杂化。因此，需要双向DC-DC变换器实现相应功能。
双向DC/DC变换器是当前电力电子特别重要的一个研究领域。它主要应用在太阳能电池列阵、不间断电源系统(UPS)、燃料电池电源系统、多端口混合供电系统以及直流功率放大器等领域。
在储能系统变流器中，双向DC/DC变换器的应用则体现在：能量正向流动时，将通过整流电路得到的大电压对电池进行充电，采用降压型(Buck)电路实现功能；能量反向流动时，即电池放电回馈电网，采用升压型(Boost)电路实现。
PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。PWM控制技术在电力电子变流技术中占有十分重要的位置，它在逆变、斩波、整流、变频及交流电力控制中均可应用。电力电子技术的众多控制方式，都是在PWM控制技术的基础上得以实现的。而在大容量的整流、逆变电路中，普遍采用多重化技术来减少谐波，从理论上，多重化PWM控制技术可以不再产生低次谐波，并可提高等效开关频率，减少开关损耗，减少和载波有关的谐波分量。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明提供了一种双向DC/DC变换器PWM移相控制装置，采用PWM移相控制技术，使控制策略简单且易于实现；对于多重化PWM控制技术，要使各单元电路的驱动信号相互错开，以保证各IGBT管子之间的顺序切换，达到降低开关频率，减小开关损耗的目的。
为实现上述目的，本发明提供一种双向DC/DC变换器PWM移相控制装置，其包括：死区时间控制单元和双向DC/DC变换器，其改进之处在于，所述控制装置包括PWM移相控制电路，所述死区时间控制单元、PWM移相控制电路和双向DC/DC变换器依次连接。
本发明提供的优选技术方案中，所述死区时间控制单元包括依次连接的滞环比较电路、死区时间电路和与非门单元。
本发明提供的第二优选技术方案中，所述与非门单元包括两个并列设置的与非门(1，2)，所述与非门(1，2)分别向所述PWM移相控制电路传递上管驱动信号(UP)和下管驱动信号(LO)。
本发明提供的第三优选技术方案中，所述PWM移相控制电路包括计数器和与其连接的译码器单元；所述计数器处理接收的下管驱动信号(LO)，并将处理过的信号传递给所述译码器单元；所述译码器单元分别接收上管驱动信号(UP)和下管驱动信号(LO)，并将处理后的信号传递给所述双向DC/DC变换器。
本发明提供的第四优选技术方案中，所述译码器单元包括并列设置的译码器(1，2)，所述译码器(1)将接收的所述计数器的输出信号和上管驱动信号(UP)处理后传递到所述双向DC/DC变换器；所述译码器(2)将接收的所述计数器的输出信号和下管驱动信号(LO)进行处理，将处理后的信号与所述计数器的输出信号一起传递到所述双向DC/DC变换器。
本发明提供的第五优选技术方案中，所述计数器使用型号为74HC161的芯片；所述译码器型号使用型号为74HC139的芯片。
本发明提供的第六优选技术方案中，所述双向DC/DC变换器设置有IGBT模块，所述IGBT模块包括依次并联设置的三组开关组件(S1和S2、S3和S4、S5和S6)。
与现有技术比，本发明提供的一种双向DC/DC变换器PWM移相控制装置，设计的双向DC/DC变换器在触发器后采用死区发生控制电路和时序逻辑电路组成，使得单一PWM驱动信号扩展成多路，从而可以同时驱动多组IGBT管子，实现了多相逆变器的功能；另外死区控制电路的引入，可以避免同一桥臂的上下两管发生同时导通现象，使得系统的可靠性增强；再将关断信号与IGBT的保护信号相互关联，可以在IGBT产生保护时系统自动将所有PWM驱动信号置零，从而关断所有的管子，进一步提高系统的可靠性；而且通过移相控制方式，使功率开关管实现了软开关导通和关断，在主电路无需额外增加原件的情况下，减小了开关损耗和开关管的电流及电压应力，实现了高频化；再者，移相全桥软开关电路有效降低了电路的开关损耗和噪声，减小了器件开关过程中的电磁干扰，为变换器装置提高开关频率和效率，降低尺寸及重量提供了良好条件；同时，还保持了常规全桥PWM电路中拓扑简洁，控制方式简单，元器件的电压和电流应力小的优点。
附图说明
图1为双向DC/DC变换器的结构示意图。
图2为死区时间控制单元的结构示意图。
图3为PWM移相控制电路的结构示意图。
图4为对滞环比较进行说明的示意图。
图5为计数器及译码器工作状态转换图。
具体实施方式
如图1所示，为三相双向DC/DC逆变器的主电路拓扑结构。其中，V1侧为直流母线侧，V2侧为电池侧。电路采用BUCK-BOOST升降压并联电路，即有三组开关器件：S1/S2，S3/S4，S5/S6，每组开关器件均能实现电压的升降控制。当只有处在同一桥臂上的上下两管工作时，假设IGBT管S1处于闭合状态，则同桥臂上的开关管S2应处于关断状态，而另外2组IGBT管也应该处于关断状态，此时相当于BUCK电路的降压过程，即实现了电能从网侧向电池的充电过程；相反，当S1关断，S2闭合，另外2组仍处于关断状态，此时相当于BOOST电路，即电池电压V2通过升压向网侧传送电能，实现了电池的放电过程。当然，其他两组IGBT模块的工作模式与此类似。这里采用并联式的升降压电路的分阶段利用，可以有效地降低开关频率，减小开关损耗，同时也减小了纹波电压，有效地提高了电能质量。
如图2所示，为双向DC/DC变换器的死区时间控制单元。实际采样电流经滞环比较电路比较计算后，经触发器产生时序控制信号，而后经过“死区时间控制电路”，在此环节中，经过RC电路和非门处理后产生两个相互取反的上管驱动信号/UP和下管驱动信号/LO。而保护信号的引入，可以使IGBT在过流、超温等异常情况下关断PWM驱动波形，使所有管子处于截止状态，从而起到保护IGBT模块的目的。另外我们可以将上层控制信号与保护信号相互关联，在人为停止变换器的同时关断PWM驱动信号。
如图3所示，为双向DC/DC变换器PWM移相控制电路。在滞环比较电路与死区控制电路得到上管驱动信号/UP和下管驱动信号/LO后，我们采用计数器与译码器相结合的方式实现PWN控制信号的移相功能。所述计数器使用型号为74HC161的芯片；所述译码器型号使用型号为74HC139的芯片。
如图4所示，结合实际电流与环宽的上下限电流比较情况说明本PWM移相控制器的实现方式。将实际情况分为1～7种，则触发器工作状态与上下管驱动/UP和/LO的情况如表1所示。
表1不同时刻触发器工作状态
从表1中可以看出，当实际电流超出滞环电流范围时，比较信号导致触发器翻转，从而调节上下管驱动随之改变，而当调整达到效果后，触发器则保持当前状态，等待下一次调整。而上下管驱动也随之进行改变调整。
如图5所示，为PWM移相控制电路。将上管驱动信号/UP和下管驱动信号/LO分别接入2-4译码器的使能端，上边译码器用于产生多相变换器上桥臂的IGBT管子的驱动信号，下边的译码器用于产生变换器下桥臂的IGBT管子的驱动信号。同时将下管驱动信号/LO接入计数器的时钟输入端。而置数输入端LOAD的接入，可以使把本PWM移相控制器适用于1～4相变换器应用的情况。本设计的双向DC/DC变换器为三相模式，因此，置数端LOAD采用跳线连接J3。可以得出，计数器的输出端QBQA将始终在00、01、10三个状态切换，而译码器的输出Y2Y1Y0则始终在110、101、011三个状态间切换，图5为其工作状态转换图。以上桥臂的三路IGBT管子为例，其驱动波形将各自相差120o，从而实现交替打开各管的设计目的。下桥臂三路IGBT管子道理相同。
通过实际应用表明，本发明所设计的双向DC/DC变换器由于采用了移相控制控制电路，有效地降低了开关频率，减小了开关损耗，同时降低了纹波电压，提高了电能质量。
需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。
Claims (7)
1.一种双向DC/DC变换器PWM移相控制装置，其包括：死区时间控制单元和双向DC/DC变换器，其特征在于，所述控制装置包括PWM移相控制电路，所述死区时间控制单元、PWM移相控制电路和双向DC/DC变换器依次连接。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述死区时间控制单元包括依次连接的滞环比较电路、死区时间电路和与非门单元。
3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述与非门单元包括两个并列设置的与非门(1，2)，所述与非门(1，2)分别向所述PWM移相控制电路传递上管驱动信号(UP)和下管驱动信号(LO)。
4.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述PWM移相控制电路包括计数器和与其连接的译码器单元；所述计数器处理接收的下管驱动信号(LO)，并将处理过的信号传递给所述译码器单元；所述译码器单元分别接收上管驱动信号(UP)和下管驱动信号(LO)，并将处理后的信号传递给所述双向DC/DC变换器。
5.根据权利要求4所述的控制装置，其特征在于，所述译码器单元包括并列设置的译码器(1，2)，所述译码器(1)将接收的所述计数器的输出信号和上管驱动信号(UP)处理后传递到所述双向DC/DC变换器；所述译码器(2)将接收的所述计数器的输出信号和下管驱动信号(LO)进行处理，将处理后的信号与所述计数器的输出信号一起传递到所述双向DC/DC变换器。
6.根据权利要求4、5所述的控制装置，其特征在于，所述计数器使用型号为74HC161的芯片；所述译码器型号使用型号为74HC139的芯片。
7.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述双向DC/DC变换器设置有IGBT模块，所述IGBT模块包括依次并联设置的三组开关组件(S1，S2、S3，S4、S5，S6)。
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