CN106341043A - 一种双向dcdc电路和一种双向dcdc电线母线平衡方法 - Google Patents

一种双向dcdc电路和一种双向dcdc电线母线平衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双向DCDC电路,所述电路包括:超级电容;与所述超级电容两端连接的第一负载单元和第二负载单元;与所述第一负载单元和第二负载单元连接的DCDC变流器,所述DCDC变流器包括多组并联的IGBT桥臂,所述DCDC变流器用于对电路系统的功率进行转换;与所述DCDC变流器连接的母线电容,所述母线电容的中点用于对所述IGBT桥臂进行钳位。电路损耗低,能量经由桥臂,在正负母线及超级电容之间搬运,而非硬件热损耗。低载时平衡能力充足,在小载时,利用单相电感电流纹波的瞬时值进行能量传输,不仅克服了小载平衡难的问题,同时减小了系统损耗。大载时系统稳定,在系统工作在高负载时,系统利用电流的平均值进行均压控制,减小各相之间的相互干扰,保证系统的稳定可靠。

Description

一种双向DCDC电路和一种双向DCDC电线母线平衡方法
技术领域
本发明涉及电路领域,尤其涉及一种双向DCDC电路和一种双向DCDC电线母线平衡方法。
背景技术
城市轨道交通是城市公共交通体系的重要组成部分,而列车在刹车和起动时对供电网络会产生很大的冲击,造成电网的瞬时过压或者欠压。基于超级电容的储能系统利用超级电容能快速充放电的特性,能很好地解决这个问题。其中双向DCDC变流器是系统的主要功率转换单元,起到快速将能量在电容与电网之间传导的作用。
针对1500V机车牵引供电系统,需要设计的DCDC变流器必须承受近2000V的母线电压。受限于目前的IGBT耐压水平,需要采用4个IGBT串联的方式,但是这样会引起IGBT分压不均衡,导致系统炸机,因此需要用母线电容中点对IGBT桥臂进行钳位。同时为了增加系统的功率密度,采用三桥臂交错并联的方式。基于以上两点可预知,系统需要对母线电容进行均压控制。现有的母线平衡方式有多种,硬件方式有基于电阻自平衡的方式,基于(辅助电源的)变压器绕组平衡的,软件方式有基于对称调整占空比的方式。采用硬件方式不仅增加设备成本,同时降低系统效率。采用软件对称调整占空比的方式,在低负载时,由于电流纹波过零点,容易引起系统振荡,甚至正反馈控制。
发明内容
基于此,有必要提供一种双向DCDC电路和一种双向DCDC电线母线平衡方法。
一种双向DCDC电路,所述电路包括:
超级电容;
与所述超级电容两端连接的第一负载单元和第二负载单元;
与所述第一负载单元和第二负载单元连接的DCDC变流器,所述DCDC变流器包括多组并联的IGBT桥臂,所述DCDC变流器用于对电路系统的功率进行转换;
与所述DCDC变流器连接的母线电容,所述母线电容的中点用于对所述IGBT桥臂进行钳位。
在其中一个实施例中,所述母线电容包括:
第一电容C1;
与所述第一电容C1串联的第二电容C2;
所述第一电容C1和第二电容C2连接的中点引出一中间电线。
在其中一个实施例中,所述第一负载单元包括:
第一负载组,包括第一电感以及与所述第一电感串联的第一电阻;
第二负载组,与所述第一负载组并联,包括第二电感以及与所述第二电感串联的第二电阻;
第三负载组,与所述第二负载组并联,包括第三电感以及与所述第三电感串联的第三电阻;
所述第二负载单元包括:
第四负载组,包括第四电感以及与所述第四电感串联的第四电阻;
第五负载组,与所述第四负载组并联,包括第五电感以及与所述第五电感串联的第五电阻;
第六负载组,与所述第五负载组并联,包括第六电感以及与所述第六电感串联的第六电阻。
在其中一个实施例中,所述多组并联的IGBT桥臂包括:
第一IGBT桥臂,包括依次串联的IGBT管S1、IGBT管S4、IGBT管S7 和IGBT管S10;
第二IGBT桥臂,包括依次串联的IGBT管S2、IGBT管S5、IGBT管S8和IGBT管S11;
第三IGBT桥臂,包括依次串联的IGBT管S3、IGBT管S6、IGBT管S9和IGBT管S12。
在其中一个实施例中,所述电路还包括:
IGBT驱动器,与所述IGBT管S4连接。
一种双向DCDC电线母线平衡方法,所述方法包括:
通过DSP的AD模块对母线电压进行检测,计算母线差,建立母线差调节器;
检测电感电流,判断电流方向,将结果传递给母线差调节器;
判断系统负载率,当系统电流大于第一阈值时,系统启动三相工作模式,增加系统带载能力;
占空比调节器根据工作方式选择器、母线差控制器及电流控制器输出结果拟合最终占空比,进行PWM发波操作。
在其中一个实施例中,所述方法还包括:
通过模糊控制方式,根据母线差对电流方向结果进行切换,防止系统正反馈。
在其中一个实施例中,所述在判断系统负载率,当系统电流大于第一阈值时,系统启动三相工作模式,增加系统带载能力的同时,所述方法还包括:
告知占空比调节器,启用对称调节占空比模式,对母线差进行控制。
在其中一个实施例中,所述在判断系统负载率,当系统电流大于第一阈值时,系统启动三相工作模式,增加系统带载能力的同时,所述方法还包括:
启用负载率第二阈值,当系统电流小于第二阈值时,系统启动工作模式。
在其中一个实施例中,所述在判断系统负载率,当系统电流大于第一阈值时,系统启动三相工作模式,增加系统带载能力的同时,所述方法还包括:
告知占空比调节器,启用单边调节占空比模式。
有益效果:
本发明提供了一种双向DCDC电路,所述电路包括:超级电容;与所述超级电容两端连接的第一负载单元和第二负载单元;与所述第一负载单元和第二负载单元连接的DCDC变流器,所述DCDC变流器包括多组并联的IGBT桥臂,所述DCDC变流器用于对电路系统的功率进行转换;与所述DCDC变流器连接的母线电容,所述母线电容的中点用于对所述IGBT桥臂进行钳位。该DCDC电路损耗低,能量经由桥臂,在正负母线及超级电容之间搬运,而非硬件热损耗。低载时平衡能力充足,在小载时,利用单相电感电流纹波的瞬时值进行能量传输,不仅克服了小载平衡难的问题,同时减小了系统损耗。大载时系统稳定,在系统工作在高负载时,系统利用电流的平均值进行均压控制,减小各相之间的相互干扰,保证系统的稳定可靠。
附图说明
图1为本发明一种双向DCDC电路的电路原理图。
图2为本发明一种一种双向DCDC电线母线平衡方法的方法流程图。
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。
请参照图1,一种双向DCDC电路,所述电路包括:
超级电容1;
与所述超级电容1两端连接的第一负载单元2和第二负载单元3;
与所述第一负载单元1和第二负载单元2连接的DCDC变流器5,所述DCDC变流器包括多组并联的IGBT桥臂,所述DCDC变流器用于对电路系统的功率进行转换;
与所述DCDC变流器连接的母线电容6,所述母线电容的中点用于对所述IGBT桥臂进行钳位。
在其中一个实施例中,所述母线电容包括:
第一电容C1;
与所述第一电容C1串联的第二电容C2;
所述第一电容C1和第二电容C2连接的中点引出一中间电线。
在其中一个实施例中,所述第一负载单元包括:
第一负载组,包括第一电感以及与所述第一电感串联的第一电阻;
第二负载组,与所述第一负载组并联,包括第二电感以及与所述第二电感串联的第二电阻;
第三负载组,与所述第二负载组并联,包括第三电感以及与所述第三电感串联的第三电阻;
所述第二负载单元包括:
第四负载组,包括第四电感以及与所述第四电感串联的第四电阻;
第五负载组,与所述第四负载组并联,包括第五电感以及与所述第五电感串联的第五电阻;
第六负载组,与所述第五负载组并联,包括第六电感以及与所述第六电感串联的第六电阻。
在其中一个实施例中,所述多组并联的IGBT桥臂包括:
第一IGBT桥臂,包括依次串联的IGBT管S1、IGBT管S4、IGBT管S7和IGBT管S10;
第二IGBT桥臂,包括依次串联的IGBT管S2、IGBT管S5、IGBT管S8和IGBT管S11;
第三IGBT桥臂,包括依次串联的IGBT管S3、IGBT管S6、IGBT管S9和IGBT管S12。
在其中一个实施例中,所述电路还包括:
IGBT驱动器4,与所述IGBT管S4连接。
需要说明的是,本发明采用三相不同时控制方式对母线电压进行平衡,有以下两种工作模式:
1)低载工作模式,当负载电流小于设定阈值时,只有一相桥臂处于工作状态,同时进行均压控制,采用单边调节占空比模式。
2)大载工作模式,当负载电流大于设定阈值时,三相桥臂同时对母线进行均压控制,采用双边调节占空比模式。
从以上工作模式可知,本发明发明有以下明显的优点:
1)电路损耗低,能量经由桥臂,在正负母线及超级电容之间搬运,而非硬件热损耗。
2)低载时平衡能力充足,在小载时,利用单相电感电流纹波的瞬时值进行能量传输,不仅克服了小载平衡难的问题,同时减小了系统损耗。
3)大载时系统稳定,在系统工作在高负载时,系统利用电流的平均值进行均压控制,减小各相之间的相互干扰,保证系统的稳定可靠。
当系统工作不同负载率时,切换不同的控制方式及工作桥臂。
在小载时,只允许一相桥臂工作,同时进行均压,均压采用占空比不对称控制的方式。
在大载时,三相同时工作,同时进行均压控制,均压采用占空比对称控制的方式。
请参照图2,一种双向DCDC电线母线平衡方法,所述方法包括:
S100:通过DSP的AD模块对母线电压进行检测,计算母线差,建立母线差调节器;
S200:检测电感电流,判断电流方向,将结果传递给母线差调节器;
S300:判断系统负载率,当系统电流大于第一阈值时,系统启动三相工作模式,增加系统带载能力;
S400:占空比调节器根据工作方式选择器、母线差控制器及电流控制器输出结果拟合最终占空比,进行PWM发波操作。
在其中一个实施例中,所述方法还包括:
通过模糊控制方式,根据母线差对电流方向结果进行切换,防止系统正反馈。
在其中一个实施例中,所述在判断系统负载率,当系统电流大于第一阈值时,系统启动三相工作模式,增加系统带载能力的同时,所述方法还包括:
告知占空比调节器,启用对称调节占空比模式,对母线差进行控制。
在其中一个实施例中,所述在判断系统负载率,当系统电流大于第一阈值时,系统启动三相工作模式,增加系统带载能力的同时,所述方法还包括:
启用负载率第二阈值,当系统电流小于第二阈值时,系统启动工作模式。
在其中一个实施例中,所述在判断系统负载率,当系统电流大于第一阈值时,系统启动三相工作模式,增加系统带载能力的同时,所述方法还包括:
告知占空比调节器,启用单边调节占空比模式。
本发明提供了一种双向DCDC电路,所述电路包括:超级电容;与所述超级电容两端连接的第一负载单元和第二负载单元;与所述第一负载单元和第二负载单元连接的DCDC变流器,所述DCDC变流器包括多组并联的IGBT桥臂,所述DCDC变流器用于对电路系统的功率进行转换;与所述DCDC变流器连接的母线电容,所述母线电容的中点用于对所述IGBT桥臂进行钳位。电路损耗低,能量经由桥臂,在正负母线及超级电容之间搬运,而非硬件热损耗。低载时平衡能力充足,在小载时,利用单相电感电流纹波的瞬时值进行能量传输,不仅克服了小载平衡难的问题,同时减小了系统损耗。大载时系统稳定,在系统工作在高负载时,系统利用电流的平均值进行均压控制,减小各相之间的相互干扰,保证系统的稳定可靠。
以上对本发明运行原理进行了详细介绍,上述运行原理的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种双向DCDC电路,其特征在于,所述电路包括:
超级电容;
与所述超级电容两端连接的第一负载单元和第二负载单元;
与所述第一负载单元和第二负载单元连接的DCDC变流器,所述DCDC变流器包括多组并联的IGBT桥臂,所述DCDC变流器用于对电路系统的功率进行转换;
与所述DCDC变流器连接的母线电容,所述母线电容的中点用于对所述IGBT桥臂进行钳位。
2.根据权利要求1所述的电路,其特征在于,所述母线电容包括:
第一电容C1;
与所述第一电容C1串联的第二电容C2;
所述第一电容C1和第二电容C2连接的中点引出一中间电线。
3.根据权利要求1所述的电路,其特征在于,所述第一负载单元包括:
第一负载组,包括第一电感以及与所述第一电感串联的第一电阻;
第二负载组,与所述第一负载组并联,包括第二电感以及与所述第二电感串联的第二电阻;
第三负载组,与所述第二负载组并联,包括第三电感以及与所述第三电感串联的第三电阻;
所述第二负载单元包括:
第四负载组,包括第四电感以及与所述第四电感串联的第四电阻;
第五负载组,与所述第四负载组并联,包括第五电感以及与所述第五电感串联的第五电阻;
第六负载组,与所述第五负载组并联,包括第六电感以及与所述第六电感串联的第六电阻。
4.根据权利要求1所述的电路,其特征在于,所述多组并联的IGBT桥臂包括:
第一IGBT桥臂,包括依次串联的IGBT管S1、IGBT管S4、IGBT管S7和IGBT管S10;
第二IGBT桥臂,包括依次串联的IGBT管S2、IGBT管S5、IGBT管S8和IGBT管S11;
第三IGBT桥臂,包括依次串联的IGBT管S3、IGBT管S6、IGBT管S9和IGBT管S12。
5.根据权利要求1所述的电路,其特征在于,所述电路还包括:
IGBT驱动器,与所述IGBT管S4连接。
6.一种双向DCDC电线母线平衡方法,其特征在于,所述方法包括:
通过DSP的AD模块对母线电压进行检测,计算母线差,建立母线差调节器;
检测电感电流,判断电流方向,将结果传递给母线差调节器;
判断系统负载率,当系统电流大于第一阈值时,系统启动三相工作模式,增加系统带载能力;
根据工作方式选择器、母线差控制器及电流控制器输出结果拟合最终占空比,进行PWM发波操作。
7.根据权利要求6的方法,其特征在于,所述方法还包括:
通过模糊控制方式,根据母线差对电流方向结果进行切换,防止系统正反馈。
8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述在判断系统负载率,当系统电流大于第一阈值时,系统启动三相工作模式,增加系统带载能力的同时,所述方法还包括:
控制占空比调节器,启用对称调节占空比模式,对母线差进行控制。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述在判断系统负载率,当系统电流大于第一阈值时,系统启动三相工作模式,增加系统带载能力的同时,所述方法还包括:
启用负载率第二阈值,当系统电流小于第二阈值时,系统启动工作模式。
10.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述在判断系统负载率,当系统电流大于第一阈值时,系统启动三相工作模式,增加系统带载能力的同时,所述方法还包括:
控制占空比调节器,启用单边调节占空比模式。
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