CN108199580A - 双向dcdc装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双向DCDC装置及其控制方法，其中，双向DCDC装置包括：DCDC模块以及与DCDC模块电性连接的主控模块；主控模块适于采集DCDC模块回路中的电信号并依据电信号控制DCDC模块进行电压变换；DCDC模块适于在主控模块的控制下将电压固定直流电转换为电压可调直流电或将电压可调直流电转换为电压固定直流电。总体器件数目少，且可以更加快速地进行两个方向功率变换的切换，具有效率高、体积小、动态性能好和成本低等优势。
Description
技术领域
本发明涉及供电领域，具体而言，涉及一种双向DCDC装置及其控制方法。
背景技术
DC-DC变换器可广泛的应用于直流不停电电源系统、航天电源系统、混合电动汽车中的辅助动力供应系统、直流电机驱动系统及其它应用场合。在这些需要能量双向流动的场合，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。现有技术中，要将两个单向DC-DC变换器反并联，因为通常的单向DC-DC变换器中主功率传输通路上一般都有二极管这个环节，因此能量经由变换器流动的方向只能是单向的。使用的电子元器件多、变换速度慢以及通态损耗大。
如何解决上述问题，是目前亟待解决的。
发明内容
本发明的目的是提供一种双向DCDC装置及其控制方法，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
本发明实施例提供了一种双向DCDC装置，包括：
DCDC模块以及与所述DCDC模块电性连接的主控模块；
所述主控模块适于采集所述DCDC模块回路中的电信号并依据所述电信号控制所述DCDC模块进行电压变换；
所述DCDC模块适于在所述主控模块的控制下将电压固定直流电转换为电压可调直流电或将电压可调直流电转换为电压固定直流电。
在本发明较佳的实施例中，所述双向DCDC装置还包括分别与所述DCDC模块电性连接的第一保护电路以及第二保护电路；
所述第一保护电路与电压固定直流电电性连接，且适于防浪涌、防短路以及防反接；
所述第二保护电路与电压可调直流电电性连接，且适于防浪涌、防短路以及防反接。
在本发明较佳的实施例中，所述DCDC模块包括软启动电路、主拓扑电路、输入负载电路以及电压、电流采样电路；
所述电流采样电路采用分流计就近采样，并转化为数字或电流信号后隔离进行采样；
所述电压采样电路采用差分采样。
在本发明较佳的实施例中，所述DCDC模块包括还Boost升压电路；
所述Boost升压电路适于在所述DCDC模块在所述主控模块的控制下将电压可调直流电转化为电压固定直流电中对电压可调直流电进行升压。
在本发明较佳的实施例中，所述DCDC模块还包括Buck降压电路；
所述Buck降压电路适于在所述DCDC模块在所述主控模块的控制下将电压固定直流电转化为电压可调直流电中对电压固定直流电进行降压。
本发明实施例还提供了一种双向DCDC装置的控制方法，所述双向DCDC装置的控制方法用于对上述的双向DCDC装置进行控制。
在本发明较佳的实施例中，所述双向DCDC装置的控制方法采用电压模式控制控制所述DCDC模块进行电压变换。
在本发明较佳的实施例中，所述双向DCDC装置的控制方法采用电流模式控制控制所述DCDC模块进行电压变换。
在本发明较佳的实施例中，所述双向DCDC装置的控制方法通过一功能控制单元来对所述DCDC模块的电压变换进行多种控制模式切换。
在本发明较佳的实施例中，所述控制模式包括恒压、恒阻、恒流以及恒功率模式。
相对于现有技术，本发明实施例具有以下有益效果：
本发明实施例提供了一种双向DCDC装置及其控制方法，其中，双向DCDC装置包括：DCDC模块以及与DCDC模块电性连接的主控模块；主控模块适于采集DCDC模块回路中的电信号并依据电信号控制DCDC模块进行电压变换；DCDC模块适于在主控模块的控制下将电压固定直流电转换为电压可调直流电或将电压可调直流电转换为电压固定直流电。总体器件数目少，且可以更加快速地进行两个方向功率变换的切换，具有效率高、体积小、动态性能好和成本低等优势。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1示出了本发明实施例所提供的一种双向DCDC装置的方框原理图。
图2示出了本发明实施例所提供的一种双向DCDC装置的DCDC模块的电路示意图。
图3示出了本发明实施例所提供的一种双向DCDC装置的Boost升压电路的电路示意图。
图4示出了本发明实施例所提供的一种双向DCDC装置的Buck降压电路的电路示意图。
图5示出了本发明实施例所提供的一种双向DCDC装置的Buck降压电路的波形图。
图6示出了本发明实施例所提供的一种双向DCDC装置的Buck降压电路的电流断续图。
图7示出了本发明实施例所提供的一种双向DCDC装置的电压控制模式的结构图。
图8示出了本发明实施例所提供的一种双向DCDC装置的电流控制模块的结构图。
图9示出了本发明实施例所提供的一种双向DCDC装置的电压环等效结构图。
图10示出了本发明实施例所提供的一种双向DCDC装置的功能控制单元的结构图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
第一实施例
请参阅图1，本发明实施例提供了一种双向DCDC装置。双向DCDC装置包括DCDC模块以及与DCDC模块电性连接的主控模块；
其中，主控模块适于采集DCDC模块回路中的电信号并依据电信号控制DCDC模块进行电压变换，主控模块采用全数字DSP控制，完成DCDC模块的独立控制、采样、故障处理、逻辑判断及切换、模块通信功能；以双核DSP控制为控制核心，DSP具备CLA，用于支持变频CLA控制；DSP主核C28x采用定频方式，用于控制DCDC功能，计时和逻辑切换。DCDC模块适于在主控模块的控制下将电压固定直流电转换为电压可调直流电或将电压可调直流电转换为电压固定直流电。
在本实施例中，双向DCDC装置还包括分别与DCDC模块电性连接的第一保护电路以及第二保护电路；第一保护电路与电压固定直流电电性连接，且适于防浪涌、防短路以及防反接；第二保护电路与电压可调直流电电性连接，且适于防浪涌、防短路以及防反接。
在本实施例中，DCDC装置还包括电性连接与第一保护电路以及DCDC模块之间的滤波电路；滤波电路适于滤除谐波干扰。
请参阅图2，DCDC模块包括软启动电路、主拓扑电路、输入负载电路以及电压、电流采样电路；电流采样电路采用分流计就近采样，并转化为数字或电流信号后隔离进行采样；电压采样电路采用差分采样。主MOS管选用1200V/25A开关管，两颗并联。DCDC模块在空间内需要预留48V模块的单板位置。
请参阅图3，DCDC模块包括还Boost升压电路；Boost升压电路适于在DCDC模块在主控模块的控制下将电压可调直流电转化为电压固定直流电中对电压可调直流电进行升压。
Boost升压电路工作原理如下：
当MOSFET开通时，电源给电感充电，电感储能，电容放电。电感上的电流增加量(电感线圈未饱和时)为：
其中：D为占空比，T为开关周期。
当MOSFET关断时，电感L放电，电感L的能量通过二极管传递到负载。电感上的电流不断减小，忽略二极管的压降，则电流变化为：
电感电流连续模式时，在稳态条件下，电感上的电流增加等于其电流减小，即△IL(+)＝△IL(-)，于是整理可得：
因为0<D<1，所以Boost电路是一个升压型电路。
电感电流非连续模式时，MOSFET开通状态下，电感电流的增值为：
MOSFET关断状态下，电感电流的下降值为：
电感电流上升值等于下降值，即△IL(+)＝△IL(-)，整理得：
因为在此模式下电感电流是不连续的，所以每个周期电感电流都会下降至零。输出电流等于电感电流的平均值，即
Ipk＝IL(+) (3-26)
由上式得，
由此可以看出，对于Boost升压电路，电感电流连续模式与电感电流非连续模式有很大的不同，非连续模式输出电压与输入电压，电感，负载电阻，占空比还有开关频率都有关系。而连续模式输出电压的大小只取决于输入电压和占空比。
请参阅图4，DCDC模块还包括Buck降压电路；Buck降压电路适于在DCDC模块在主控模块的控制下将电压固定直流电转化为电压可调直流电中对电压固定直流电进行降压。
Buck降压电路工作原理如下：
该电路使用MOS管作为开关。在图4中，为在V关断时给负载中的电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中Em所示。若负载中无反电动势时，只需令Em＝0。电路的工作波形图如图5所示。
在t＝0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压U0＝E，负载电流i0按指数曲线上升。当t＝t1时刻，控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压U0近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常串接L值很大的电感。至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。当电路工作与稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。
负载电压的平均值为：
式中，ton为V处于通态的时间；toff为V处于断态的时间；T为开关周期；α为导通占空比。由此式知，输出到负载的电压平均值U0最大为E，若减小占空比α，则U0随之减小。因此将该电路称为降压斩波电路。
负载电流的平均值I0为＝若负载中的L值较小，则在V关断后，到了t2时刻，如图6所示，负载电流已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。由波形可见，负载电压U0平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况(如图6所示)。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式：
保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制(PWM方式)。
保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制。
ton和T都可调，使占空比改变，称为混合型。
在本实施例中，采用PWM方式控制IGBT的通断。
以上的电压电流关系还可以从能量传递关系简单地推得。由于L为无穷大，故负载电流维持为I0不变。电源只在V处于通态时提供能量，为EI0ton。从负载看，在整个周期T中负载一直在消耗能量，消耗的能量为一个周期中，忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即：
则：
与上述结论一致。
在上述情况中，均假设L值为无穷大，且负载电流平直。在这种情况下，假设电源电流平均值为I1，则有：
其值小于等于负载电流Io，由上式得
EI1＝αEIo＝UoIo (3-32)
即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。
本发明实施例还提供了一种双向DCDC装置的控制方法。双向DCDC装置的控制方法用于对上述的双向DCDC装置进行控制。
请参阅图7，在本实施例中，双向DCDC装置的控制方法采用电压模式控制控制DCDC模块进行电压变换。DCDC模块以输出电压作为反馈信号构成单闭环电压型控制系统。
VR为电压环调节器，CR为电流环调节器，下面同此定义。
当电路的开关频率远远大于系统的开环截止频率时，可以将PWM功率变换环节近似等效成比例环节，比例系数为KP,rm，滤波环节一般采用LC滤波，传递函数为
电压调节器VR为PI环节，
因此电压开环传递函数:
电压闭环传递函数:
由于控制对象为二阶震荡环节，闭环系统等效为三阶模型，当K＝0时系统等效为二阶模型，因此响应速度慢，系统稳定性差。
第二实施例
本发明实施例还提供了一种双向DCDC装置的控制方法。该双向DCDC装置的控制方法除了采用电流模式控制控制DCDC模块进行电压变换与第一实施例不同之外，其他均与第一实施例相同。
请参阅图8，电流模式控制，它在电压环的基础上进行状态反馈校正，以输出电感的电流为反馈量构成电流内环。根据电流反馈网络的不同，电流型控制方法又分为三种:峰值电流模式控制(Peak Current mode)、平均电流模式控制(Average Current Mode)和电荷模式控制(Charge Mode)。在峰值电流模式控制中由于电感电流的峰值与平均值之间的比例和电路占空比有关，当给定一致的条件下，占空比变换时电感电流会跟着变换，不能用于需要精确控制电感电流或输出电流的场合。平均电流模式中由于电流反馈网络积分环节的存在，可以控制电感电流平均值等于电流给定值，从而精确控制输出电流；同时对于电流模式控制系统存在的分频震荡现象，可以通过调整电流调节器的PI参数得以消除。
由于开环传递函数中有两个零点，使幅频特性展宽，开环截止频率较大，使得电流闭环是一个快速的电流跟随器，而且在稳态时无差。电流环的截止频率其时间常数对于电压环而言可以忽略，因此电流环等效为一个比例环节G,(s)＝1/凡，简化后的电压环等效结构图如图9所示。
电压调节器VR为PI环节，传递函数为
电压开环传递函数:
电压闭环传递函数:
由于被控对象是一阶惯性环节，闭环系统等效为二阶模型，当K＝0时电压环的相角稳定裕量接近900，系统响应快，电流跟踪能力强。由上可知，电流型控制系统有以下几个特点:系统稳定性强，稳定范围宽:系统具有快速电流限制能力，有效降低了开关元件、变压器、电感等关键元气件的电流冲击，保障系统安全工作；系统动态特性好，响应速度快，输出电压中由于输入电压引入的低频纹波可以完全消除。
第三实施例
本发明实施例还提供了一种双向DCDC装置的控制方法。该双向DCDC装置的控制方法除了通过一功能控制单元来对DCDC模块的电压变换进行多种控制模式切换与第一实施例以及第二实施例不同以外，其他均相同。
请参阅图10，控制模式包括恒压、恒阻、恒流以及恒功率模式。
由于采用电流模式控制，系统具有电压和电流两个闭环，可以分别对输出电压和输出电流进行精确的控制，因此通过适当的策略组合改变闭环结构和电压/电流环参考给定信号，就可以方便地实现恒压、恒阻、恒流、恒功率等多种控制功能，有效地应用于蓄电池充放电的场合。
综上所述，本发明提供了一种双向DCDC装置及其控制方法，其中，双向DCDC装置包括：DCDC模块以及与DCDC模块电性连接的主控模块；主控模块适于采集DCDC模块回路中的电信号并依据电信号控制DCDC模块进行电压变换；DCDC模块适于在主控模块的控制下将电压固定直流电转换为电压可调直流电或将电压可调直流电转换为电压固定直流电。总体器件数目少，且可以更加快速地进行两个方向功率变换的切换，具有效率高、体积小、动态性能好和成本低等优势。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双向DCDC装置，其特征在于，包括：
DCDC模块以及与所述DCDC模块电性连接的主控模块；
所述主控模块适于采集所述DCDC模块回路中的电信号并依据所述电信号控制所述DCDC模块进行电压变换；
所述DCDC模块适于在所述主控模块的控制下将电压固定直流电转换为电压可调直流电或将电压可调直流电转换为电压固定直流电。
2.如权利要求1所述的双向DCDC装置，其特征在于，
所述双向DCDC装置还包括分别与所述DCDC模块电性连接的第一保护电路以及第二保护电路；
所述第一保护电路与电压固定直流电电性连接，且适于防浪涌、防短路以及防反接；
所述第二保护电路与电压可调直流电电性连接，且适于防浪涌、防短路以及防反接。
3.如权利要求1所述的双向DCDC装置，其特征在于，
所述DCDC模块包括软启动电路、主拓扑电路、输入负载电路以及电压、电流采样电路；
所述电流采样电路采用分流计就近采样，并转化为数字或电流信号后隔离进行采样；
所述电压采样电路采用差分采样。
4.如权利要求3所述的双向DCDC装置，其特征在于，
所述DCDC模块包括还Boost升压电路；
所述Boost升压电路适于在所述DCDC模块在所述主控模块的控制下将电压可调直流电转化为电压固定直流电中对电压可调直流电进行升压。
5.如权利要求3所述的双向DCDC装置，其特征在于，
所述DCDC模块还包括Buck降压电路；
所述Buck降压电路适于在所述DCDC模块在所述主控模块的控制下将电压固定直流电转化为电压可调直流电中对电压固定直流电进行降压。
6.一种双向DCDC装置的控制方法，其特征在于，所述双向DCDC装置的控制方法用于对如权利要求1-5任一项所述的双向DCDC装置进行控制。
7.如权利要求6所述的双向DCDC装置的控制方法，其特征在于，
所述双向DCDC装置的控制方法采用电压模式控制控制所述DCDC模块进行电压变换。
8.如权利要求6所述的双向DCDC装置，其特征在于，
所述双向DCDC装置的控制方法采用电流模式控制控制所述DCDC模块进行电压变换。
9.如权利要求6所述的双向DCDC装置的控制方法，其特征在于，
所述双向DCDC装置的控制方法通过一功能控制单元来对所述DCDC模块的电压变换进行多种控制模式切换。
10.如权利要求9所述的双向DCDC装置的控制方法，其特征在于，
所述控制模式包括恒压、恒阻、恒流以及恒功率模式。
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