CN103916019A - 基于双有源桥变换器的直流母线建压装置及其启动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电子电工领域内的基于双有源桥变换器的直流母线建压装置及其启动方法，低压侧全桥电路的输入端采样信号经输入调理电路送给数字信号处理器，高压侧全桥电路的输出端采样信号经输出调理电路送给数字信号处理器，数字信号处理器的信号输出端连接有驱动电路，驱动电路控制低压侧全桥电路和高压侧全桥电路中的功率管开闭，双有源桥电路启动时，高压侧开关管关断，低压侧开关管采用窄脉冲驱动，利用高压侧开关管的体二极管整流为高压直流侧的电容充电，从而建立起直流母线电压，可有效地避免直流母线建压过程中出现的电感饱和现象，该启动方法无需硬件开销，只需通过数字控制即可实现，节约硬件电路成本，可用于双向充电机控制中。
Description
技术领域
本发明涉及一种双有源桥变换器，属于电力电子与电工技术领域，特别涉及双有源桥变换器的直流母线建压装置及其启动方法。
背景技术
双向充电机工作在放电模式时，双有源桥处在Boost状态，能量由低压侧往高压侧流动，一般认为双有源桥的启动过程应和传统的全桥电路一样，即控制低压侧开关管的导通时间从零逐渐增大，就能使高压侧电容上的电压升高，但实际上对双有源桥电路而言，上述启动方法是不可行的，因为刚刚启动的瞬间高压侧电容上的电压是0或者很小，故刚启动时，电感上会产生较大的电流，且在启动过程中电感不能磁复位，故电感上的电流急剧增大，直至饱和，增大的电流将会远远超过开关管的电流额定值，这给开关管的选型和电感的设计带来困难。故双有源桥电路在正常工作之前将高压侧的电压建立起来是很有必要的，即启动建压是一个重要的环节。目前对于双有源桥变换器启动的解决方案主要有以下3种：
1) 带反激变换器的启动方式，2) 低压侧串接Buck变换器的启动控制方式，3) 低压侧串联限流电阻的启动方式。其中反激型和Buck型启动方式都需要增加额外的硬件电路，提高了系统的设计成本，不利于高功率密度的实现，低压侧串接电阻的方式虽然结构简单，成本低廉，但只适用于小功率场合，当功率较大时，需并联较大功率等级的电阻，体积较大，并且能耗较大。因此现有的启动方式在实际应用中都无法满足低成本，高效率和高功率密度的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于双有源桥变换器的直流母线建压装置及其启动方法，降低制造成本，适用范围广，能耗低。
本发明的目的是这样实现的：一种基于双有源桥变换器的直流母线建压装置及其启动方法，所述装置包括连接低压侧全桥电路和高压侧全桥电路的高频变压器，其特征在于，所述低压侧全桥电路的输入端采样信号经输入调理电路送给数字信号处理器，所述高压侧全桥电路的输出端采样信号经输出调理电路送给数字信号处理器，数字信号处理器的信号输出端连接有驱动电路，驱动电路控制低压侧全桥电路和高压侧全桥电路中的功率管开闭；
所述启动方法包括两个阶段：
a）第一阶段，双有源桥变换器启动时，比较高压侧输出电压值和预先设定值，若高压侧输出电压值小于预先设定值，启动控制器对输入端电压信号和输出端电压信号进行处理，并输出控制信号给PWM发生器，误差调节器输出由软件设置为零，经PWM发生器运算后生成脉冲控制信号经驱动电路控制低压侧全桥电路开关管的开闭，PWM发生器还送出低电平控制信号经驱动电路控制高压侧全桥电路开关管的关闭，通过高压侧全桥电路开关管的体二极管整流为高压直流侧的滤波电容CH充电，当充电到达设置电压值时，进入第二阶段；
b）第二阶段，PWM发生器生成脉冲控制信号经驱动电路分别控制低压侧全桥电路开关管和高压侧全桥电路开关管的开闭，且逐渐增大两侧开关管脉冲控制信号的脉宽，误差调节器输出信号控制PWM发生器中高压侧开关管对应的移相寄存器，以实现相应EPWM模块中时基计数器的移相控制，当低压侧和高压侧开关管的脉冲控制信号脉宽增大至开关周期的50%时，启动过程结束，完成双有源桥变换器的启动。
作为本发明的进一步限定，所述数字信号处理器内置有A/D采样单元、启动控制器、误差调节器和PWM发生器，所述输入调理电路的信号输出端、输出调理电路的信号输出端均连接在A/D采样单元的信号输入端上，A/D采样单元的信号输出端与启动控制器的信号输入端、误差调节器的信号输入端相连，启动控制器的信号输出端、误差调节器的信号输出端均与PWM发生器的信号输入端相连，PWM的信号输出端与驱动电路的信号输入端相连。
作为本发明进一步限定，所述启动控制器输出控制信号给PWM发生器时，启动控制器分别输出低压侧脉冲控制信号的宽度控制量dL和高压侧脉冲控制信号的宽度控制量dH给PWM发生器；PWM发生器运算过程如下：
1）低压侧全桥电路中斜对角的开关管共用脉冲控制信号，采用数字信号处理器中一组EPWM模块生成该脉冲控制信号，该组EPWM模块分别为EPWM3A模块和EPWM3B模块，该组EPWM模块的时基计数器配置成连续增减计数模式，时基计数器计数的峰值等于开关管周期值的一半PWM_Half_PRD，模块EPWM3A比较时基计数器和第三比较寄存器A的大小，模块EPWM3B比较时基计数器和第三比较寄存器B的大小，第三比较寄存器A赋值PWM_Half_PRD-dL，第三比较寄存器B赋值dL，当时基计数器值大于第三比较寄存器A值时，模块EPWM3A输出高电平信号Vg1,4通过驱动电路控制低压侧开关管G1和G4导通；当时基计数器值小于第三比较寄存器B值时，模块EPWM3B输出高电平信号Vg2,3通过驱动电路控制低压侧开关管G2和G3导通；
2）高压侧全桥电路中斜对角的开关管共用脉冲控制信号，采用数字信号处理器中的另两组EPWM模块，该两组EPWM模块生成两组脉冲控制信号，这所述两组EPWM模块内均设有各自对应的EPWM4A模块、EPWM4B模块和EPWM5A模块、EPWM5B模块，这两组EPWM模块的时基计数器都配置成连续增计数模式，且都与低压侧开关管的EPWM模块同步，计数的峰值等于开关周期值PWM_PRD，这两组EPWM模块的输出脉冲控制信号需时基计数器与各自组中的两个比较寄存器分别比较得到；
模块EPWM4A比较时基计数器与第四比较寄存器A的大小，模块EPWM4B比较时基计数器和第四比较寄存器B的大小，第四比较寄存器A赋值PWM_Half_PRD-dH，第四比较寄存器B赋值PWM_Half_PRD+dH，当模块EPWM4A中时基计数器数值大于比较寄存器A数值或者小于比较寄存器B数值时，模块EPWM4A输出高电平信号Vg5,8通过驱动电路控制高压侧开关管G5和G8导通；
模块EPWM5A比较时基计数器与第五比较寄存器A的大小，模块EPWM5B比较时基计数器和第五比较寄存器B的大小，第五比较寄存器A赋值dH，第五比较寄存器B赋值PWM_PRD-dH，当模块EPWM4中时基计数器数值小于比较寄存器A数值或者大于比较寄存器B数值时，模块EPWM4输出高电平信号Vg6,7通过驱动电路控制高压侧开关管G6和G7导通；
（3）在启动第二阶段时，误差调节器输出的移相角φ送入控制高压侧全桥电路的两移相寄存器,产生模块EPWM4和模块EPWM5的时基计数器初始数值。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明因利用了开关管自身的体二极管来整流，无需额外的硬件开销，仅需通过软件算法就能实现直流母线建压的启动控制，故成本低；采用本发明方法可有效地避免直流母线建压过程中出现的电感饱和现象，和由此带来的电流冲击，开关管容易选型；在启动建压过程中，数字控制器增加的软件代码不多，占用内存少，对数字信号处理器的运行效率没有影响，因此本发明满足高可靠性、低成本，高效率和高功率密度的电源设计要求。本发明可用与双向充电机控制中。
附图说明
图1 本发明控制原理框图。
图2 本发明应用电路硬件和控制系统电路原理图。
图3 本发明中双有源桥变换器的等效模型。
图4 本发明中PWM发生器控制流程图。
图5 本发明中启动第一阶段双有源桥电路工作模态图。
图6 本发明中启动第二阶段双有源桥电路工作模态图。
图7 本发明中PWM发生器的配置逻辑示意图。
图8 本发明中高压侧开关管封锁和低压侧开关管脉冲控制信号形成示意图。
图9本发明中高压侧开关管和低压侧开关管脉冲控制信号形成示意图。
图10 本发明中高压侧开关管和低压侧开关管脉冲控制信号脉宽增至50%的形成示意图。
图11 本发明中实例直流母线建压启动实验波形图。
图12 本发明中实例直流母线建压启动第二阶段实验波形图。
其中，图2中的符号名称：
图3中的符号名称：
图4中的符号名称：
图5、图6中的符号名称：
图7中的符号名称：
具体实施方式
本发明是针对双有源桥变换器电路启动过程中高压侧直流母线建压时，谐振电感可能出现的电感饱和现象，和由此带来的电流冲击问题，提出了一种基于高压侧开关管体二极管整流的建压启动方法。
如图1、2所示，本发明包括：低压侧全桥电路、高频变压器、高压侧全桥电路、输入调理电路、输出调理电路、AD采样单元、启动控制器、误差调节器、PWM发生器和驱动电路；其中，低压侧全桥电路连到高频变压器再连接高压侧全桥电路构成双有源桥电路；A/D采样单元、启动控制器、误差调节器和PWM发生器是由数字信号处理器DSP内部的硬件和软件编程实现，双有源桥变换器采样得到输入电压信号和输出电压信号分别经输入调理电路和输出调理电路，送往DSP的A/D采样单元，采样值作为启动控制器和误差调节器的输入，启动控制器和误差调节器的输出作为PWM发生器的输入，PWM发生器的输出经驱动电路为低压侧全桥电路和高压侧全桥电路中的开关管Q1～Q8依次提供驱动信号Vgs1～Vgs8。
如图3所示为双有源桥电路的等效电路图，图中V＇ AB是低压侧桥臂中点电压折算到高频变压器高压侧的等效电压，V＇ AB=VAB×Ns/Np，VCD是高压侧全桥电路桥臂中点电压,当高压侧输出电压VH为零或较小时，输出电容CH相当于短路，即VCD接近为零，在这种情况下启动电路时，由附图3可知，谐振电感LS中将流过很大的电流，且谐振电感LS得不到磁复位，故迅速饱和，图3中的两电压源相当于短路，从而致使双有源桥电路的低压侧和高压侧全桥电路中出现急剧增大的冲击电流，损坏开关管，为此本发明提出了启动控制器。
启动控制器7主要功能是为每只开关管配置脉冲控制信号的宽度（Vg1,4，Vg2,3，Vg5,8，Vg6,7），具体实施过程如附图4所示，将启动过程分为两个启动阶段，即启动第一阶段和启动第二阶段，启动时，若高压侧输出电压VH为零或较小，小于设定电压值VH_ref时，则进入启动第一阶段。
启动第一阶段：通过软件编程为低压侧的开关管配置窄脉冲控制信号，而高压侧的开关管脉冲控制信号为零，即高压侧开关管处于封锁状态，该阶段仅通过高压侧开关管体二极管整流的方式将能量传输到高压侧直流母线电容CH，由于窄脉冲控制低压侧开关管，故电容CH缓慢充电建压，避免了启动时的冲击电流；当电容CH上的电压VH达到设置电压值VH_ref时，该启动阶段结束，并进入启动第二阶段，启动第一阶段的电路工作模态如附图5所示。
启动第二阶段：为高压侧的开关管配置窄脉冲控制信号，并将低压和高压两侧开关管脉冲控制信号的脉宽（Vg1,4，Vg2,3，Vg5,8，Vg6,7）缓慢增加，当增到开关周期的50%时，启动过程结束，启动第二阶段的电路工作模态如附图6所示。
启动建压过程的顺利实施还和PWM发生器的具体配置方式紧密相关，PWM发生器的配置实施方法是：
低压侧全桥电路中开关管Q1和Q4共用的脉冲控制信号Vg1,4，由EPWM3A模块生成，Q2和Q3共用的脉冲控制信号Vg2,3，由EPWM3B模块生成，如附图7所示，EPWM3A和EPWM3B两个模块共用一个时基计数器EPWM3.TBCTR，时基计数器EPWM3.TBCTR配置成连续增减计数模式，计数的峰值等于半开关周期值PWM_Half_PRD（PWM_Half_PRD=PWM_PRD/2），EPWM3A的比较寄存器EPWM3.CMPA赋值PWM_Half_PRD-dL，EPWM3B的比较寄存器EPWM3.CMPB赋值dL，当EPWM3.TBCTR计数值大于比较寄存器EPWM3.CMPA值时，EPWM3A输出的脉冲控制信号Vg1,4为高电平，否则EPWM3A输出的脉冲控制信号Vg1,4为低电平，当EPWM3.TBCTR计数值大于比较寄存器EPWM3.CMPB值时，EPWM3B输出的脉冲控制信号Vg2,3为低电平，否则EPWM3B输出的脉冲控制信号Vg2,3为高电平，将EPWM3A生成的脉冲控制信号Vg1,4经驱动电路生成驱动信号Vgs1和Vgs4后，分别送至低压侧的开关管Q1和Q4（Q1和Q4同时开通和关断），将EPWM3B生成的脉冲控制信号Vg2,3经驱动电路生成驱动信号Vgs2和Vgs3，并分别送至低压侧的开关管Q2和Q3（Q2和Q3同时导通和关断）。
高压侧全桥电路中开关管Q5和Q8共用的脉冲控制信号Vg5,8，由EPWM4A模块生成，Q6和Q7共用的脉冲控制信号Vg6,7，由EPWM5B模块生成，如附图7所示，EPWM4A和EPWM4B两个模块共用一个时基计数器EPWM4.TBCTR，EPWM5A和EPWM5B两个模块共用另一个时基计数器EPWM5.TBCTR，EPWM4和EPWM5的时基计数器都配置成连续增计数模式且与EPWM3同步，计数的峰值等于开关周期值PWM_PRD，对于EPWM4A来说，当时机计数器EPWM4.TBCTR数值大于比较寄存器EPWM4.CMPA或者小于比较寄存器EPWM4.CMPB时，EPWM4A输出脉冲控制信号Vg5,8为高电平；对于EPWM5B来说，当时基计数器EPWM5.TBCTR数值大于比较寄存器EPWM5.CMPA值时，EPWM5B输出的脉冲控制信号Vg6,7为低电平，当时基计数器EPWM5.TBCTR数值大于比较寄存器EPWM5.CMPB值时，EPWM5B输出的脉冲控制信号Vg6,7为高电平，将EPWM4A生成的脉冲控制信号Vg5,8经驱动电路生成驱动信号Vgs5和Vgs8后，分别送至高压侧的开关管Q5和Q8（Q5和Q8同时开通和关断），将EPWM5B生成的脉冲控制信号Vg6,7经驱动电路生成驱动信号Vgs6和Vgs7，再送至低压侧的开关管Q6和Q7（Q6和Q7同时导通和关断）。
在启动第一阶段时，dL给个较小数值，就可以由EPWM3A和EPWM3B生成低压侧全桥电路中开关管的窄脉冲控制信号，dH赋值为零，就可实现高压侧全桥电路3中开关管的封锁；当启动进入第二阶段时，dL和dH同时赋上较小的值，并逐渐增加，这样低压侧和高压侧全桥电路开关管脉冲控制信号的脉宽不断增加，直至增加至开关周期的50%时，启动过程结束；在启动第二阶段时误差调节器输出的移相角φ送入移相寄存器EPWM4.TBPHS和EPWM5.TBPHS,对EPWM4和EPWM5的时基计数值EPWM4.TBCTR和EPWM5.TBCTR产生移相控制。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
双有源桥变换器：直流输入低压侧电压VL=48V，直流输出侧母线电压设定值VH_ref=192V，高频变压器匝比NP:NS=1:4，开关频率fS=40KHz，输出功率PO=2.3KW，高压侧谐振电感LS=17uH，CL=27000uF，CH=2200uF，低压侧开关管选用Infineon公司的IPP030N10N3_G，高压侧开关管选用InternationalRectifier公司的IRFP4242PbF，数字控制芯片选用TI公司DSPTMS320F28035，主频配置成60MHz，故PWM_Half_PRD=750，PWM_PRD=1500。初始VH=0，启动进入第一阶段，程序中设置dL=6，dH=0，则PWM发生器生成的脉冲控制信号示意如图8所示，低压侧开关管窄脉冲控制信号的脉宽为12，且高压侧开关管关断，该阶段输出直流母线通过高压侧开关管的体二极管建压；当电压VH到达VH_ref时，进入启动第二阶段，程序中设置dL=dH=25，则PWM发生器发出的脉冲控制信号形成示意如图9所示，高压侧开关管窄脉冲控制信号的起始脉宽为50；每隔0.4ms以步长为1逐渐增加dL和dH，直到低压侧和高压侧开关管控制信号的脉冲宽度为开关周期的50%为止，则相应PWM发生器发出的脉冲控制信号示意图如图10所示；附图11和图12给出了启动建压的实验波形，通道1是低压侧开关管Q1驱动波形，通道2是高压侧开关管Q5驱动波形，通道3是高压侧直流母线电压VH的实测波形。由实验波形知低压侧和高压侧的开关管按设置好的逻辑发出驱动波形，输出直流母线电压缓慢上升，实验结果验证了本发明提出方法的有效性。
从以上的描述可知，本发明所提出的基于双有源桥高压侧开关管体二极整流的直流母线建压启动方法能安全可靠的工作，并具有以下的优点：
(1)无额外的硬件成本开销和额外的功率损耗，只需通过软件编程就可实现启动，故有利于变换器的高效率和高功率密度的实现；
(2)直流母线启动过程平稳，启动结束后进入稳定工作时，无电压突变，过渡平滑；
(3)系统可靠性高，启动时无电流冲击，开关管只需按稳定工作状态正常选取即可。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于双有源桥变换器的直流母线建压装置，包括连接低压侧全桥电路和高压侧全桥电路的高频变压器，其特征在于，所述低压侧全桥电路的输入端采样信号经输入调理电路送给数字信号处理器，所述高压侧全桥电路的输出端采样信号经输出调理电路送给数字信号处理器，数字信号处理器的信号输出端连接有驱动电路，驱动电路控制低压侧全桥电路和高压侧全桥电路中的功率管开闭。
2.根据权利要求1所述的基于双有源桥变换器的直流母线建压装置，其特征在于，所述数字信号处理器内置有A/D采样单元、启动控制器、误差调节器和PWM发生器，所述输入调理电路的信号输出端、输出调理电路的信号输出端均连接在A/D采样单元的信号输入端上，A/D采样单元的信号输出端与启动控制器的信号输入端、误差调节器的信号输入端相连，启动控制器的信号输出端、误差调节器的信号输出端均与PWM发生器的信号输入端相连，PWM的信号输出端与驱动电路的信号输入端相连。
3.一种如权利要求1所述装置的启动方法，其特征在于，包括两个阶段：
a）第一阶段，双有源桥变换器启动时，比较高压侧输出电压值和预先设定值，若高压侧输出电压值小于预先设定值，启动控制器对输入端电压信号和输出端电压信号进行处理，并输出控制信号给PWM发生器，误差调节器输出由软件设置为零，经PWM发生器运算后生成脉冲控制信号经驱动电路控制低压侧全桥电路开关管的开闭，PWM发生器还送出低电平控制信号经驱动电路控制高压侧全桥电路开关管的关闭，通过高压侧全桥电路开关管的体二极管整流为高压直流侧的滤波电容CH充电，当充电到达设置电压值时，进入第二阶段；
b）第二阶段，PWM发生器生成脉冲控制信号经驱动电路分别控制低压侧全桥电路开关管和高压侧全桥电路开关管的开闭，且逐渐增大两侧开关管脉冲控制信号的脉宽，误差调节器输出信号控制PWM发生器中高压侧开关管对应的移相寄存器，以实现相应EPWM模块中时基计数器的移相控制，当低压侧和高压侧开关管的脉冲控制信号脉宽增大至开关周期的50%时，启动过程结束，完成双有源桥变换器的启动。
4.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于，所述启动控制器输出控制信号给PWM发生器时，启动控制器分别输出低压侧脉冲控制信号的宽度控制量dL和高压侧脉冲控制信号的宽度控制量dH给PWM发生器；PWM发生器运算过程如下：
1）低压侧全桥电路中斜对角的开关管共用脉冲控制信号，采用数字信号处理器中一组EPWM模块生成该脉冲控制信号，该组EPWM模块分别为EPWM3A模块和EPWM3B模块，该组EPWM模块的时基计数器配置成连续增减计数模式，时基计数器计数的峰值等于开关管周期值的一半PWM_Half_PRD，模块EPWM3A比较时基计数器和第三比较寄存器A的大小，模块EPWM3B比较时基计数器和第三比较寄存器B的大小，第三比较寄存器A赋值PWM_Half_PRD-dL，第三比较寄存器B赋值dL，当时基计数器值大于第三比较寄存器A值时，模块EPWM3A输出高电平信号Vg1,4通过驱动电路控制低压侧开关管G1和G4导通；当时基计数器值小于第三比较寄存器B值时，模块EPWM3B输出高电平信号Vg2,3通过驱动电路控制低压侧开关管G2和G3导通；
2）高压侧全桥电路中斜对角的开关管共用脉冲控制信号，采用数字信号处理器中的另两组EPWM模块，该两组EPWM模块生成两组脉冲控制信号，这所述两组EPWM模块内均设有各自对应的EPWM4A模块、EPWM4B模块和EPWM5A模块、EPWM5B模块，这两组EPWM模块的时基计数器都配置成连续增计数模式，且都与低压侧开关管的EPWM模块同步，计数的峰值等于开关周期值PWM_PRD，这两组EPWM模块的输出脉冲控制信号需时基计数器与各自组中的两个比较寄存器分别比较得到；
模块EPWM4A比较时基计数器与第四比较寄存器A的大小，模块EPWM4B比较时基计数器和第四比较寄存器B的大小，第四比较寄存器A赋值PWM_Half_PRD-dH，第四比较寄存器B赋值PWM_Half_PRD+dH，当模块EPWM4A中时基计数器数值大于比较寄存器A数值或者小于比较寄存器B数值时，模块EPWM4A输出高电平信号Vg5,8通过驱动电路控制高压侧开关管G5和G8导通；
模块EPWM5A比较时基计数器与第五比较寄存器A的大小，模块EPWM5B比较时基计数器和第五比较寄存器B的大小，第五比较寄存器A赋值dH，第五比较寄存器B赋值PWM_PRD-dH，当模块EPWM4中时基计数器数值小于比较寄存器A数值或者大于比较寄存器B数值时，模块EPWM4输出高电平信号Vg6,7通过驱动电路控制高压侧开关管G6和G7导通；
（3）在启动第二阶段时，误差调节器输出的移相角φ送入控制高压侧全桥电路的两移相寄存器,产生模块EPWM4和模块EPWM5的时基计数器计数初值的更新。
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