CN110224598B - 高可靠性恒流源电路拓扑及其控制方法 - Google Patents

高可靠性恒流源电路拓扑及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力电子应用技术领域，具体涉及一种高可靠性恒流源电路拓扑及其控制方法，提出了在直流母线电源并联接入四个相同结构的正桥臂，分别桥臂一、桥臂二、桥臂三以及桥臂四，其中桥臂一和桥臂二、桥臂三和桥臂四两两互为冗余桥臂，能够在某一开关器件出现故障时，电流自动流入互为热备份的冗余桥臂对应开关器件，且电流连续且电流大小不会产生较大浮动；解决了若要在出现开关器件故障时，继续向负载提供恒定电流，就必须停电维修或更换故障器件，甚至更换整个恒流源电路，操作过程繁琐且需要较大的运营维护成本，整体可靠性低的问题。

Description

高可靠性恒流源电路拓扑及其控制方法
技术领域
本发明属于电力电子应用技术领域，具体涉及一种高可靠性恒流源电路拓扑及其控制方法。
背景技术
随着现代电力电子技术的发展，恒定电流源的应用也越来越广泛，如在通信、检测计量、充电电路等领域，与此同时对其要求也越来越高。许多运用场合都要求恒流源电路具有高可靠性和可调性。可靠性是衡量恒流源品质一个重要因素，许多场合都出现了要求恒流源在长时间不间断连续工作，向外部负载输出一个稳定的直流电流。而在实际运用当中，若恒流源电路的某一器件发生故障，则将导致整个恒流源电路无法工作，甚至出现短路或者断路。若要继续向负载提供恒定电流，就必须停电维修或更换故障器件，甚至更换整个恒流源电路，操作过程繁琐且需要较大的运营维护成本，整体可靠性低。
发明内容
针对以上问题，为克服现有技术的恒流源电路可靠性较差的缺陷，本发明旨在提供一种高可靠性恒流源电路拓扑及其控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种高可靠性恒流源电路拓扑，所述电路拓扑包括并联接入直流母线电源的四个相同结构正桥臂，分别桥臂一、桥臂二、桥臂三以及桥臂四，其中桥臂一和桥臂二、桥臂三和桥臂四两两互为冗余桥臂。
进一步的，所述正桥臂包括顺向串联的上开关器件和下开关器件；所述上开关器件和下开关器件之间设置有输出端子；所述桥臂一和桥臂二的输出端子为正向输出端子，所述桥臂三和桥臂四的输出端子为反向输出端子。
更进一步的，所述电路拓扑还包括与外部负载并联的反桥臂，所述反桥臂包括上开关器件和反向串联的下开关器件；以及，连接在正向输出端子与反桥臂一端之间的电感，所述反桥臂另一端与反向输出端子连接。
具体的，所述上开关器件和下开关器件均为全控性开关器件，包括绝缘栅双极性晶体管。
具体的，所述上开关器件和下开关器件均反向并联一个二极管。
一种采用上述高可靠性恒流源电路拓扑的控制方法，包含两个阶段：充电阶段，直流母线电源对电感(L)进行充电；续流阶段，电感(L)向负载提供恒定电流；其中
充电阶段的情况包括：
选择电感电流的方向为从左到右时，桥臂一和桥臂二的上开关器件、桥臂三和桥臂四的下开关器件以及桥臂五的上开关器件同时导通；
选择电感电流的方向为从右到左时，桥臂一和桥臂二的下开关器件、桥臂三和桥臂四的上开关器件以及桥臂五的下开关器件同时导通；
续流阶段的情况包括：
电感电流的方向为从左到右时，仅导通桥臂一和桥臂二的上开关器件或桥臂三和桥臂四的下开关器件；
电感电流的方向为从右到左时，仅导通桥臂一和桥臂二的下开关器件或桥臂三和桥臂四的上开关器件。
作为进一步的改进，该电路拓扑正常工作时，桥臂一和桥臂二、桥臂三和桥臂四两两互为冗余桥臂，且导通的开关器件均处于热备份状态；当上述桥臂中某开关器件发生故障时，则电流全部流经冗余桥臂中对应开关器件。
更进一步的，所述开关器件的控制信号均使用PWM信号，每对冗余桥臂相互对应的开关器件共用一个PWM信号。
作为一种改进，桥臂一和桥臂二、桥臂三和桥臂四中的开关器件的控制端在接入PWM信号前均接有延迟线芯片。
更进一步的，电感(L)电流的大小与PWM信号的占空比成正比。
本发明一种高可靠性恒流源电路拓扑及其控制方法，提出了在直流母线电源并联接入四个相同结构的正桥臂，分别桥臂一、桥臂二、桥臂三以及桥臂四，其中桥臂一和桥臂二、桥臂三和桥臂四两两互为冗余桥臂，能够在某一开关器件出现故障时，电流自动流入互为热备份的冗余桥臂对应开关器件，且电流连续且电流大小不会产生较大浮动；解决了若要在出现开关器件故障时，继续向负载提供恒定电流，就必须停电维修或更换故障器件，甚至更换整个恒流源电路，操作过程繁琐且需要较大的运营维护成本，整体可靠性低的问题。
附图说明
图1为本发明的高可靠性恒流源电路拓扑的示意图；
图2为本发明电路拓扑处于充电阶段的一种正常工作状态；
图3为本发明电路拓扑处于续流阶段的一种正常工作状态；
图4为本发明电路拓扑处于充电阶段的一种正常工作状态；
图5为本发明电路拓扑处于续流阶段的一种正常工作状态；
图6为本发明电路拓扑在图2工作状态中第一开关器件(S1)发生故障时的工作状态；
图7为本发明电路拓扑在图6工作状态中电感(L)电流、第一开关器件(S1)导通电流及第三开关器件(S3)导通电流波形图；
图8为本发明电路拓扑在图3工作状态中第六开关器件(S6)发生故障时的工作状态；
图9为本发明电路拓扑在图8工作状态中电感(L)电流、第六开关器件(S6)导通电流及第八开关器件(S8)导通电流波形图；
图10为本发明电路拓扑在图4工作状态中第五开关器件(S5)发生故障时的工作状态；
图11为本发明电路拓扑在图10工作状态中电感(L)电流、第五开关器件(S5)导通电流及第七开关器件(S7)导通电流波形图；
图12为本发明电路拓扑在图5工作状态中第二开关器件(S2)发生故障时的工作状态；
图13为本发明电路拓扑在图12工作状态中电感(L)电流、第二开关器件(S2)导通电流及第四开关器件(S4)导通电流波形图；
图14为本发明电路拓扑中第一开关器件(S1)和第三开关器件(S3)及其门极控制示意图；
图15为本发明电路拓扑中第一开关器件(S1)和第三开关器件(S3)接入延迟线芯片前后栅-射极电压波形图。
具体实施方式
以下结合图1-15具体说明本发明提供的本发明一种高可靠性恒流源电路拓扑及其控制方法。
如图1所示，本发明采用的一个技术方案是：提供一种高可靠性恒流源电路拓扑，此电路拓扑为四桥臂拓扑结构，相当于在常规的H桥式全控型电路的两桥臂旁各增加一个冗余桥臂，即所述电路拓扑包括并联接入直流母线电源的四个相同结构正桥臂，分别桥臂一、桥臂二、桥臂三以及桥臂四，其中桥臂一和桥臂二、桥臂三和桥臂四两两互为冗余桥臂。
所述正桥臂包括顺向串联的上开关器件和下开关器件；具体而言，第一开关器件(S1)与第二开关器件(S2)组成桥臂一，第三开关器件(S3)与第四开关器件(S4)组成桥臂二，第五开关器件(S5)与第六开关器件(S6)组成桥臂三，第七开关器件(S7)与第八开关器件(S8)组成桥臂四。开关器件S1、S3、S5和S7的集电极接输入电源正极，开关器件S2、S4、S6和S8的发射电极接输入电源负极；所述上开关器件和下开关器件之间设置有输出端子；所述桥臂一和桥臂二的输出端子为正向输出端子，所述桥臂三和桥臂的输出端子为反向输出端子。所述电路拓扑还包括与外部负载并联的反桥臂，所述反桥臂包括上开关器件和反向串联的下开关器件；以及，连接在正向输出端子与反桥臂一端之间的电感，所述反桥臂另一端与反向输出端子连接。具体而言，桥臂一中点与桥臂二中点相接，桥臂三与桥臂四中点相接。第九开关器件(S9)的发射极与第十开关器件(S10)的发射极相接；电感(L)的一端与第九开关器件(S9)的集电极相接，并引出输出端子用于接入负载，另一端与桥臂一和桥臂二的中点连接处相接；第十开关器件(S10)的集电极与桥臂三和桥臂四的中点连接处相接，并引出另一输出端子用于接入负载。
具体的，所述上开关器件和下开关器件均为全控性开关器件，包括绝缘栅双极性晶体管。作为一种优选实施方式，所述上开关器件和下开关器件均反向并联一个二极管。
一种采用上述高可靠性恒流源电路拓扑的控制方法，
包含两个阶段：充电阶段，直流母线电源对电感(L)进行充电；续流阶段，电感(L)向负载提供恒定电流；充电阶段根据希望输出的电感(L)电流方向来导通相应的开关器件，使输入电源对电感(L)进行充电；续流阶段仅导通相应的开关器件使得输入电源停止对电感(L)充电，电感(L)电流续流时流经负载，电感(L)上的能量消耗在负载上。具体的，
充电阶段的情况包括：
选择电感电流的方向为从左到右时，桥臂一和桥臂二的上开关器件、桥臂三和桥臂四的下开关器件以及桥臂五的上开关器件同时导通；
选择电感电流的方向为从右到左时，桥臂一和桥臂二的下开关器件、桥臂三和桥臂四的上开关器件以及桥臂五的下开关器件同时导通；
续流阶段的情况包括：
电感电流的方向为从左到右时，仅导通桥臂一和桥臂二的上开关器件或桥臂三和桥臂四的下开关器件；
电感电流的方向为从右到左时，仅导通桥臂一和桥臂二的下开关器件或桥臂三和桥臂四的上开关器件。
作为进一步的改进，该电路拓扑正常工作时，桥臂一和桥臂二、桥臂三和桥臂四两两互为冗余桥臂，且导通的开关器件均处于热备份状态；当上述桥臂中某开关器件发生故障时，则电流全部流经冗余桥臂中对应开关器件。
为了更进一步清楚说明本发明技术方案，下面将结合附图2-15,对本发明的技术方案进行详细描述。
实施例一
图2为本发明电路拓扑的一种正常工作状态，属于充电阶段。第一开关器件(S1)、第三开关器件(S3)、第六开关器件(S6)、第八开关器件(S8)和第九开关器件(S9)同时导通，输入电源对电感(L)进行充电，电感(L)电流流向从左到右。其中电流在第一开关器件(S1)与第三开关器件(S3)间进行分流，两开关器件互为热备份状态；电流在第六开关器件(S6)和第八开关器件(S8)间进行分流，两开关器件互为热备份状态；电流流出第九开关器件(S9)后流入第十开关器件(S10)开关器件的反并联二极管。
图3为本发明电路拓扑的一种正常工作状态，属于续流阶段。仅导通第六开关器件(S6)和第八开关器件(S8)，电感(L)电流经负载进行续流。
图4为本发明电路拓扑的一种正常工作状态，属于充电阶段。第二开关器件(S2)、第四开关器件(S4)、第五开关器件(S5)、第七开关器件(S7)和第十开关器件(S10)同时导通，输入电源对电感(L)进行充电，电感(L)电流流向从右到左。其中电流在第二开关器件(S2)和第四开关器件(S4)间进行分流，两开关器件互为热备份状态；电流在第五开关器件(S5)和第七开关器件(S7)间进行分流，两开关器件互为热备份状态；电流流出第十开关器件(S10)后流入第九开关器件(S9)开关器件的反并联二极管。
图5为本发明电路拓扑的一种正常工作状态，属于续流阶段。仅导通第二开关器件(S2)和第四开关器件(S4)，电感(L)电流经负载进行续流。
实施例二
图6为本发明电路拓扑在图2工作状态中发生故障时的工作状态。对比于图2的正常工作状态，第一开关器件(S1)在t1时刻发生故障，原本流经第一开关器件(S1)的电流全部自动流向第三开关器件(S3)；由于充电时间极短，电感(L)电流连续且大小没有发生很大浮动，如图7。同理，当第三开关器件(S3)发生故障时，原本流经第三开关器件(S3)的电流全部自动流向第一开关器件(S1)；当第六开关器件(S6)发生故障时，原本流经第六开关器件(S6)的电流全部自动流向第八开关器件(S8)；当第八开关器件(S8)发生故障时，原本流经第八开关器件(S8)的电流全部自动流向第六开关器件(S6)。
图8为本发明电路拓扑在图3工作状态中发生故障时的工作状态。对比于图3的正常工作状态，第六开关器件(S6)在t1时刻发生故障，原本流经第六开关器件(S6)的电流全部自动流向第八开关器件(S8)；由于续流时间极短，电感(L)电流连续且大小没有发生很大浮动，如图9。同理，当第八开关器件(S8)发生故障时，原本流经第八开关器件(S8)的电流全部自动流向第六开关器件(S6)。
图10为本发明电路拓扑在图4工作状态中发生故障时的工作状态。对比于图4的正常工作状态，第五开关器件(S5)在t1时刻发生故障，原本流经第五开关器件(S5)的电流全部自动流向第七开关器件(S7)；由于充电时间极短，电感(L)电流连续且大小没有发生很大浮动，如图11。同理，当第七开关器件(S7)发生故障时，原本流经第七开关器件(S7)的电流全部自动流向第五开关器件(S5)；当第二开关器件(S2)发生故障时，原本流经第二开关器件(S2)的电流全部自动流向第四开关器件(S4)；当第四开关器件(S4)发生故障时，原本流经第四开关器件(S4)的电流全部自动流向第二开关器件(S2)。
图12为本发明电路拓扑在图5工作状态中发生故障时的工作状态。对比于图5的正常工作状态，第二开关器件(S2)在t1时刻发生故障，原本流经第二开关器件(S2)的电流全部自动流向第四开关器件(S4)；由于续流时间极短，电感(L)电流连续且大小没有发生很大浮动，如图13。同理，当第四开关器件(S4)发生故障时，原本流经第四开关器件(S4)的电流全部自动流向第二开关器件(S2)。
上述实施案例中，更进一步的，所述开关器件的控制信号均使用PWM信号，每对冗余桥臂相互对应的开关器件共用一个PWM信号；更进一步的，电感(L)电流的大小与PWM信号的占空比成正比。
作为一种优选实施方式，桥臂一和桥臂二、桥臂三和桥臂四中的开关器件的控制端在接入PWM信号前均接有延迟线芯片；具体的，其中第一开关器件(S1)和第三开关器件(S3)共用一个PWM信号，第二开关器件(S2)和第四开关器件(S4)共用一个PWM信号，第五开关器件(S5)和第七开关器件(S7)共用一个PWM信号，第六开关器件(S6)和第八开关器件(S8)共用一个PWM信号。
图14为本发明电路拓扑中第一开关器件(S1)和第三开关器件(S3)及其门极控制示意图，延时线芯片用于补偿开关器件由于工艺、温度和电压等的变化可能引起的导通延时偏差，达到两器件完全同时开通的目的。如图15，在接入延迟线芯片前，第一开关器件(S1)和第三开关器件(S3)的栅-射极电压波形分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；在接入延迟线芯片后，第一开关器件(S1)导通延迟，其栅-射极电压波形为
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，与第三开关器件(S3)的栅-射极电压波形趋于一致，两器件完全同时开通。本发明电路拓扑中，第一至第八开关器件的控制端在接入PWM信号前均接有延迟线芯片。
本发明一种高可靠性恒流源电路拓扑及其控制方法，提出了在直流母线电源并联接入四个相同结构的正桥臂，分别桥臂一、桥臂二、桥臂三以及桥臂四，其中桥臂一和桥臂二、桥臂三和桥臂四两两互为冗余桥臂，能够在某一开关器件出现故障时，电流自动流入互为热备份的冗余桥臂对应开关器件，且电流连续且电流大小不会产生较大浮动；解决了若要在出现开关器件故障时，继续向负载提供恒定电流，就必须停电维修或更换故障器件，甚至更换整个恒流源电路，操作过程繁琐且需要较大的运营维护成本，整体可靠性低的问题。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种高可靠性恒流源电路拓扑，其特征在于，所述电路拓扑包括并联接入直流母线电源的四个相同结构正桥臂，分别桥臂一、桥臂二、桥臂三以及桥臂四，其中桥臂一和桥臂二、桥臂三和桥臂四两两互为冗余桥臂；
所述正桥臂包括顺向串联的上开关器件和下开关器件；所述上开关器件和下开关器件之间设置有输出端子；所述桥臂一和桥臂二的输出端子为正向输出端子，所述桥臂三和桥臂四的输出端子为反向输出端子；
所述电路拓扑还包括与外部负载并联的反桥臂，所述反桥臂包括上开关器件和反向串联的下开关器件；以及，连接在正向输出端子与反桥臂一端之间的电感，所述反桥臂另一端与反向输出端子连接。
2.如权利要求1所述的恒流源电路拓扑，其特征在于，所述上开关器件和下开关器件均为全控性开关器件，包括绝缘栅双极性晶体管。
3.如权利要求1所述的恒流源电路拓扑，其特征在于，所述上开关器件和下开关器件均反向并联一个二极管。
4.一种基于权利要求1-3任一所述的恒流源电路拓扑的控制方法，其特征在于，包含两个阶段：充电阶段，直流母线电源对电感(L)进行充电；续流阶段，电感(L)向负载提供恒定电流；其中
充电阶段的情况包括：
选择电感电流的方向为从左到右时，桥臂一和桥臂二的上开关器件、桥臂三和桥臂四的下开关器件以及桥臂五的上开关器件同时导通；
选择电感电流的方向为从右到左时，桥臂一和桥臂二的下开关器件、桥臂三和桥臂四的上开关器件以及桥臂五的下开关器件同时导通；
续流阶段的情况包括：
电感电流的方向为从左到右时，仅导通桥臂一和桥臂二的上开关器件或桥臂三和桥臂四的下开关器件；
电感电流的方向为从右到左时，仅导通桥臂一和桥臂二的下开关器件或桥臂三和桥臂四的上开关器件。
5.如权利要求4所述的高可靠性恒流源电路拓扑控制方法，其特征在于，该电路拓扑正常工作时，桥臂一和桥臂二、桥臂三和桥臂四两两互为冗余桥臂，且导通的开关器件均处于热备份状态；当上述桥臂中某开关器件发生故障时，则电流全部流经冗余桥臂中对应开关器件。
6.如权利要求5所述的高可靠性恒流源电路拓扑控制方法，其特征在于，所述开关器件的控制信号均使用PWM信号，每对冗余桥臂相互对应的开关器件共用一个PWM信号。
7.如权利要求6所述的高可靠性恒流源电路拓扑控制方法，其特征在于，桥臂一和桥臂二、桥臂三和桥臂四中的开关器件的控制端在接入PWM信号前均接有延迟线芯片。
8.如权利要求7所述的高可靠性恒流源电路拓扑控制方法，其特征在于，电感(L)电流的大小与PWM信号的占空比成正比。
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