CN104242624A

CN104242624A - 一种Boost全桥电路启动冲击电流抑制方法

Info

Publication number: CN104242624A
Application number: CN201410454185.3A
Authority: CN
Inventors: 鞠昌斌; 王环; 王一波; 许洪华
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2014-09-05
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2014-12-24

Abstract

一种Boost全桥电路启动冲击电流抑制方法，其特征在于通过增加有源箝位电路，同时控制Boost全桥电路工作与Buck状态，进而达到抑制起动电流到系统正常工作电流范围内，避免出现启动冲击电流过流的问题，保护系统元件的安全。本发明利用有源箝位电路和Boost全桥电路工作于Buck状态，实现对输出电容的充电过程，避免了直接工作于Boost模式时对输出电容充电过程的充电电流过流问题，相对于利用辅助电路实现对输出电容充电的方法，本方法简化了电路硬件结构，降低了电路的设计难度，提高了系统的可靠性。本发明可以实现将起动电流抑制在系统正常工作电流范围内，可有效控制充电时间，准确控制输出电容的充电终止电压。

Description

一种Boost全桥电路启动冲击电流抑制方法

技术领域

本发明涉及一种Boost全桥电路的控制方法。

背景技术

随着直流输电网建设的快速推进，不同电压等级的直流电网研究逐渐推向深入，为了实现直流电网之间的互联互通，必须利用大功率的DC/DC变换器进行电网间的电压变换和能量传递。通过电容实现DC/DC变换器输入、输出端的电压稳定支撑仍然是目前直流稳压的重要手段，在电路的启动和故障恢复过程中，电容的充电、放电过程都是一个重要的暂态过程，对系统的安全稳定运行具有重要的意义。

在光伏应用中，光伏组件本身的输出特性具有限流特性，可以抑制输出电流的变化。在实际应用中，由于光伏组件输出端为了实现稳压和储能，并接了大容量的电容，存储了大量的电荷，在系统的启动瞬间，仍然会造成瞬时冲击电流过流，导致输入电感、变压器饱和。当DC/DC变换器多模块输入端并联连接时，光伏组件容量根据系统总体功率设计，当各个模块分别启动时，光伏组件的最大输出电流仍然可能超过单个模块的设计额定电流，从而不能抑制启动冲击电流，造成电感和变压器的饱和。

传统的启动方式采用外加启动绕组的方式实现对输出电容的充电过程。这种方式增加了额外的电路，使得电路更加复杂，外加启动绕组与输入电感耦合，增加了输入电感的设计难度，降低了系统的可靠性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中电容充电电路复杂、系统可靠性降低、总体成本增加的缺点，提出一种新的Boost全桥隔离电路启动冲击电流的抑制方法。

本发明不需要增加额外的启动绕组，利用已有源箝位电路，通过改变控制方法，即可实现对启动冲击电流的抑制，大大降低了系统的复杂度和设计难度。

本发明可应用于光伏直流并网变流器，不同电压等级的直流电网间的DC/DC变压器中。本发明基于Boost全桥变压器拓扑，通过控制Boost全桥隔离电路有源箝位电路工作于Buck状态，结合对有源箝位开关管的控制，实现启动过程对输出电容的充电。在这个过程通过调整Boost全桥电路占空比和变压器的变比，抑制启动电流的幅值，将启动冲击电流限制在系统的工作电流范围内，实现对不同电压等级的直流电网的电压变换和电流控制。随着直流电网的普及，此类设备将不断增多，具有较高的应用价值。

本发明的技术方案如下：

1、Buck启动阶段：Buck启动阶段的工作过程可以分为三个阶段，分别为：Buck对管初始导通阶段、Buck对管导通阶段和Buck开关管截止阶段。Buck对管初始导通阶段中，此时输入电源通过全桥电路开关管向输出电容馈电，有源箝位电路的箝位电容也通过此回路向输出电容馈电，很快箝位电容放电过程结束，有源箝位电路的箝位开关管关闭，Buck对管初始导通阶段结束。随后进入Buck对管导通阶段，输入电源继续通过全桥电路对管向输出电容充电，当开关管导通时间结束时，Buck的对管导通过程结束。之后进入Buck开关管截止阶段，此时桥电路开关管导通截止，电感电流通过箝位电容释放能量。至此完成Buck的半个周期的工作过程。当输出电容充电至N*U_in时，其电压反射到变压器一次侧为U_in，与输入电压和箝位电容电压相同，Boost全桥电路将无法向输出电容充电，输出电容电压将不再上升，Buck工作阶段结束。

2、Boost阶段：从输出电容电压达到N*U_in开始，Boost全桥电路转入Boost工作阶段，此阶段为电感短路储能随后向输出侧输出能量的过程。该阶段的最终目标是将输出电容电压充电至与直流电网电压相同。可采用电压闭环控制完成输电过程。此时可闭合并网接触器，实现电容接入电网，设备具备并网条件。

附图说明

图1为本发明所应用的Boost全桥隔离电路结构框图；

图2为本发明Buck模式等效电路图,其中图2a为Buck对管导通阶段初始状态，图2b为Buck的对管导通阶段，图2c为Buck开关管截止状态。

具体实施方式

图1为本发明所应用的Boost全桥隔离电路结构框图。如图1所示，该Boost全桥隔离电路主要由输入电源10、输入电容11、Boost启动电感12、有源箝位电路13、全桥电路14、变压器15、整流电路16，以及输出电容17等组成。有源箝位电路13与全桥电路14并联连接。本发明通过对有源箝位电路13中开关管和全桥电路14中开关管的控制，实现对输出电容17的充电过程中抑制Boost启动电感12、变压器15中可能存在的冲击电流过流现象。

本发明具体的控制过程如下：

1、Buck启动阶段：Buck启动阶段的工作过程可以分为三个阶段：Buck对管初始导通阶段、Buck对管导通阶段和Buck开关管截止阶段，图2为Buck模式下的等效电路图。图2a为Buck对管初始导通阶段，此时输入电源10通过全桥电路14的开关管向输出电容17馈电，有源箝位电路13中的箝位电容也通过全桥电路14向输出电容11馈电，很快有源箝位电路13中的箝位电容放电过程结束，箝位开关管关闭，此过程结束。Boost启动电感12电流i_L(t₁)、输出电容17电压u_o(t₁)、有源箝位电路13中的箝位电容电压u_cq(t₁)分别表示为：

\{\begin{matrix} i_{L} (t_{1}) = i_{L} (t_{0}) + \frac{1}{L} {&Integral;}_{0}^{D_{e} T} (U_{in} - u_{c}) dt \\ u_{o} (t_{1}) = u_{o} (t_{0}) + \frac{1}{C_{o}} {&Integral;}_{0}^{D_{e} T} (\frac{i_{L}}{N} + \frac{u_{c} / N}{{NL}_{lk}}) dt \\ u_{cq} (t_{1}) = u_{cq} (t_{0}) + \frac{1}{C_{q}} {&Integral;}_{0}^{D_{e} T} (- \frac{u_{c} - u_{o} / N}{{NL}_{lk}}) dt \end{matrix}

上式中，t₀为Buck对管初始导通阶段开始时刻，t₁为Buck对管初始导通阶段结束时刻，i_L(t₁)为t₁时刻电感电流,i_L(t₀)为t₀时刻电感电流，L为电感感值，D_e为箝位开关管等效占空比，T为控制周期，U_in为输入侧电源电压，u_c为箝位电容平均电压，u_o(t₁)为t₁时刻输出电压，u_o(t₀)为t₀时刻输出电压，C_o为输出电容容值，N为变压器变比，u_cq(t₀)为t₀时刻箝位电容电压，u_cq(t₁)为t₁时刻箝位电容电压，L_lk为变压器漏感。

图2b所示的过程仍然为Buck的对管导通阶段，电源继续通过Buck的对管向输出电容17充电。当导通时间结束，Buck的对管关闭，图2b所示的Buck的对管导通过程结束。Boost启动电感12电流i_L(t₁)、输出电容17电压u_o(t₁)、有源箝位电路13中的箝位电容电压u_cq(t₁)分别表示为：

\{\begin{matrix} i_{L} (t_{2}) = i_{L} (t_{1}) + \frac{1}{L} {&Integral;}_{D_{e} T}^{(D_{e} + D) T} (U_{in} - u_{o} / N) dt \\ u_{o} (t_{2}) = u_{o} (t_{1}) + \frac{1}{C_{o}} {&Integral;}_{D_{e} T}^{(D_{e} + D) T} \frac{i_{L}}{N} dt \\ u_{cq} (t_{2}) = u_{cq} (t_{1}) \end{matrix}

上式中，t₁为Buck对管导通阶段开始时刻，t₂为Buck对管导通阶段结束时刻，i_L(t₂)为t₂时刻电感电流,i_L(t₁)为t₁时刻电感电流，L为电感感值，D_e为箝位开关管等效占空比，D为桥电路开关管占空比，T为控制周期，U_in为输入侧电源电压，u_c为箝位电容平均电压，u_o(t₂)为t₂时刻输出电压，u_o(t₁)为t₁时刻输出电压，C_o为输出电容容值，N为变压器变比，u_cq(t₂)为t₂时刻箝位电容电压，u_cq(t₁)为t₁时刻箝位电容电压，L_lk为变压器漏感。

图2c所示的过程中桥电路开关管断开，电感电流通过箝位电容释放能量。Boost启动电感12电流i_L(t₁)、输出电容17电压u_o(t₁)、有源箝位电路13中的箝位电容电压u_cq(t₁)分别表示为：

\{\begin{matrix} i_{L} (t_{3}) = i_{L} (t_{2}) + \frac{1}{L} {&Integral;}_{(D_{e} + D) T}^{T} (U_{in} - u_{o} / N) dt \\ u_{o} (t_{3}) = u_{o} (t_{2}) \\ u_{cq} (t_{3}) = u_{cq} (t_{2}) + \frac{1}{C_{o}} {&Integral;}_{(D_{e} + T) T}^{T} i_{L} dt \end{matrix}

上式中，t₂为Buck开关管截止阶段开始时刻，t₃为Buck开关管截止阶段结束时刻，i_L(t₃)为t₃时刻电感电流,i_L(t₂)为t₂时刻电感电流，L为电感感值，D_e为箝位开关管等效占空比，T为控制周期，U_in为输入侧电源电压，u_c为箝位电容平均电压，u_o(t₃)为t₃时刻输出电压，u_o(t₂)为t₂时刻输出电压，C_o为输出电容容值，N为变压器变比，u_cq(t₃)为t₃时刻箝位电容电压，u_cq(t₂)为t₂时刻箝位电容电压，L_lk为变压器漏感。

至此完成Buck的半个周期的工作过程，另外对管的工作过程与此类似，不再详述。当输出电容充电至N*Uin时，其电压反射到变压器一次侧为Uin，与输入电压和箝位电容电压相同，Boost全桥电路将无法向输出电容充电，输出电容电压将不再上升，Buck工作阶段结束。

Boost阶段：从输出电容电压达到N*U_in开始，Boost全桥电路转入Boost工作阶段，此阶段为电感短路储能随后向输出侧输出能量的过程。该阶段的最终目标是将输出电容电压充电至与直流电网电压相同。可采用电压闭环控制完成输电过程。

此时可闭合并网接触器，实现电容接入电网，设备具备并网条件或正常工作条件。

Claims

1.一种Boost全桥电路启动冲击电流抑制方法，其特征在于：所述控制方法基于Boost全桥变压器拓扑，通过控制Boost全桥隔离电路有源箝位电路工作于Buck状态，结合对有源箝位开关管的控制，实现启动过程对输出电容的充电；在这个过程通过调整Boost全桥电路占空比和变压器的变比，抑制启动电流的幅值，将启动冲击电流限制在系统的工作电流范围内，实现对不同电压等级的直流电网的电压变换和电流控制。

2.按照权利要求1所述的Boost全桥电路启动冲击电流抑制方法，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤：

(1)Buck启动阶段：Buck启动阶段的工作过程分为三个阶段，分别为：Buck对管初始导通阶段、Buck对管导通阶段和Buck开关管截止阶段；Buck对管初始导通阶段中，此时输入电源通过全桥电路开关管向输出电容馈电，有源箝位电路的箝位电容也通过此回路向输出电容馈电，很快箝位电容放电过程结束，有源箝位电路的箝位开关管关闭，Buck对管初始导通阶段结束；随后进入Buck对管导通阶段，输入电源继续通过全桥电路对管向输出电容充电，当开关管导通时间结束时，Buck的对管导通过程结束；之后进入Buck开关管截止阶段，此时桥电路开关管导通截止，电感电流通过箝位电容释放能量；至此完成Buck的半个周期的工作过程；当输出电容充电至N*U_in时，其电压反射到变压器一次侧为U_in，与输入电压和箝位电容电压相同，Boost全桥电路将无法向输出电容充电，输出电容电压将不再上升，Buck工作阶段结束；

(2)Boost阶段：从输出电容电压达到N*U_in开始，Boost全桥电路转入Boost工作阶段，此阶段为电感短路储能随后向输出侧输出能量的过程，该阶段的最终目标是将输出电容电压充电至与直流电网电压相同；采用电压闭环控制完成输电过程；此时闭合并网接触器，实现电容接入电网，设备具备并网条件或正常工作条件。