CN110460019A - 一种桥式变换器短路保护的控制方法及装置 - Google Patents

一种桥式变换器短路保护的控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种桥式变换器短路保护的控制方法及装置，通过检测桥式变换器的输出电压；当检测到所述的桥式变换器的输出发生短路时，首先控制关闭传能开关管的驱动，延时△t后再控制关闭续流开关管的驱动。检测单元用于检测桥式变换器的输出电压，以及用于原边母线电流过流保护。控制单元用于控制桥式变换器中所有开关管驱动的开闭。通过采取选择性的开关管驱动封波策略，在发生输出短路时，续流开关管驱动还未封波，谐振腔内只有谐振电感与谐振电容发生振荡，避免了与开关管体内的寄生电容发生振荡，待谐振腔内能量消耗殆尽时关闭续流开关管的驱动，本发明降低桥式变换器在输出短路态和原边过流保护时开关管的电压应力，提高了系统的可靠性。

Description

一种桥式变换器短路保护的控制方法及装置
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体的涉及车载充电机与车载DCDC、充电模块、高频开关电源。
背景技术
基于桥式变换器具备高效率、高功率密度特性而广泛地运用在新能源汽车车载充电机与车载DCDC、充电模块以及高频开关电源等领域，但目前桥式变换器在输出出现短路情况时开关管电压应力太大的问题依然是桥式变换器的研究难点之一。目前对称半桥LLC变换器如图1所示、全桥LLC变换器如图2所示，移相全桥变换器如图3所示、三电平全桥变换器如图4所示，在传统的控制策略下桥式变换器在输出Vout发生短路或者原边侧开关管出现过流保护时，会采取所有开关管驱动同时封波策略，但这样一来谐振腔内储存的能量无法立即释放，这部分能量会引起谐振腔与桥式变换器开关管的寄生电容Cds之间发生自由震荡，从而带来开关管的Vds电压应力风险。
发明内容
本发明提出了一种桥式变换器短路保护的控制方法及装置，在很大程度上降低了桥式变换器开关管的电压应力，提高了系统的可靠性。
为实现上述目的采用如下技术方案：
一种桥式变换器短路保护的控制方法，其特征在于，包括：
检测桥式变换器的输出电压、或原边母线电流；
当检测到所述的桥式变换器的输出发生短路、或原边母线电流发生过流保护时，首先控制关闭母线传能开关管的驱动，延时△t后再控制关闭剩下的续流开关管的驱动。
所述的当检测到所述的桥式变换器的输出发生短路时，所述的输出电压在前一时刻输出电压采样值与一个开关周期后的当前输出电压采样值的差值除以一个开关周期时间若大于10V，则判断出输出发生短路；
所述的原边母线电流发生过流保护时，所述的原边母线电流超过保护限制值，触发原边过流保护。
所述的延时△t是指母线传能开关管关断后谐振腔内部剩余能量，通过剩下的续流开关管维持的阻抗回路消耗完的所需的时长；所述的延时△t时长设计为100-1000倍开关周期时长。
所述的桥式变换器为对称半桥LLC变换器，当检测到所述的桥式变换器的输出发生短路时、或者原边母线电流超过保护限制值，首先关闭开关管Q1驱动，延时△t后再关闭开关管Q2驱动。
所述的桥式变换器为全桥LLC变换器，当检测到所述的桥式变换器的输出发生短路时、或者原边母线电流超过保护限制值，首先关闭开关管Q1、Q3驱动，延时△t后再关闭开关管Q2、Q4驱动。
所述的桥式变换器为移相全桥LLC变换器，当检测到所述的桥式变换器的输出发生短路时、或者原边母线电流超过保护限制值，首先关闭开关管Q1、Q3驱动，延时△t后再关闭开关管Q2、Q4驱动。
所述的桥式变换器为移相全桥三电平变换器，当检测到所述的桥式变换器的输出发生短路时、或者原边母线电流超过保护限制值，首先关闭开关管Q1、Q4、Q5、Q8驱动，延时△t后再关闭开关管Q2、Q3、Q6、Q7驱动。
一种桥式变换器短路保护的控制装置，其特征在于，包括：
检测单元，用于检测桥式变换器的输出电压、或原边母线电流；
控制单元，用于控制桥式变换器中开关管驱动的开闭。
所述的检测单元，用于当检测到所述的桥式变换器的输出发生短路时，所述的输出电压在前一时刻输出电压采样值与一个开关周期后的当前输出电压采样值的差值除以一个开关周期时间若大于10V，则判断出输出发生短路；
或者用于当检测到所述的原边母线电流发生过流保护时，所述的原边母线电流超过保护限制值，触发原边过流保护。
所述的控制单元，用于当检测到所述的桥式变换器的输出发生短路、或原边母线电流发生过流保护时，首先控制关闭母线传能开关管的驱动，延时△t后再控制关闭剩下的续流开关管的驱动。
以半桥LLC变换器为例，如图1所示：
1、检测桥式变换器的输出电压Vout；
2、检测桥式变化器原边母线电流Ibus；
当正常运行检测输出电压急剧下降到零时判断输出发生短路，或原边母线电流发生过流保护时，此时立即关断Q1的驱动断开能量来源，Q2仍处于发波状态维持△t时间，当谐振腔内部能量通过谐振回路阻抗快速消耗后再关闭Q2开关管的驱动。
所述的当检测到所述的桥式变换器的输出发生短路时，可通过输出电压在前一时刻输出电压采样值与一个开关周期后的当前输出电压采样值的差值△V，即输出电压快速下跌斜率来判断输出发生短路。
所述的原边电流过流保护，即通过检测原边母线电流Ibus，当Ibus超过保护限制值，触发原边过流保护。
所述的延时△t后再控制关闭Q2开关管的驱动，所述的延时△t是指上管Q1关断后谐振腔内部剩余能量，通过下管Q2维持的阻抗回路消耗完的所需的时长。该时长△t与实际应用电路输出短路时原边电流大小，谐振腔参数，Q2维持的阻抗回路的实际阻抗Rz相关。根据工程应用经验可将△t设计在100-1000倍开关周期时长。
与现有技术相比本发明具有如下有益效果：
本发明创造性的采取了选择性的开关管驱动封波策略：当数字控制芯片DSP检测到输出存在短路，或原边出现过流保护时，采取只关闭母线传能开关管的驱动，一段时间△t后才关闭剩下的续流开关管的驱动，这样一来在发生输出短路时，续流开关管还未封波，此时谐振腔内的能量可通过续流开关管维持的阻抗回路迅速消耗完，，而不会与开关管体内的寄生电容发生振荡，通过100-1000倍开关周期延迟后关闭续流开关管的驱动，这样就可以很大程度上降低桥式变换器在输出短路态时开关管的电压应力，提高了系统的可靠性。
附图说明
图1为对称半桥LLC变换器电路图；
图2为全桥LLC变换器电路图；
图3为移相全桥变换器电路图；
图4为三电平全桥变换器电路图；
图5为桥式变换器短路保护的控制装置原理框图。
具体实施方式
下面结合附图详述本发明的具体实施方式：
本发明创造性的采取了选择性的开关管驱动封波策略，其主拓扑框图如上图1、图2、图3、图4所示。
实施例1：
如图1所示，主拓扑为对称半桥LLC电路，该拓扑器件说明：Vin为输入电压(若前端接有整流电路，则其为母线电容)，Q1、Q2为N型MOSFET开关管，Cds1为Q1管Lr为谐振电感，Cr1、Cr2为谐振电容，Tr为变压器，Rd为原边电流采样电阻，D3、D4、D5、D6为全桥整流电路的输出二极管，Cout为输出滤波电容，Rout为负载，输出电压为Vout。
当数字控制芯片DSP检测到输出Vout发生短路的信号时，传统的控制方式是同时关闭上下开关管Q1、Q2的驱动，此时谐振腔内剩余的能量只能通过谐振腔与开关管的结电容Cds1和Cds2组成的阻抗回路消耗，由于结电容Cds1和Cds2容值非常小，极容易诱发谐振腔与开关管结电容之间产生自由振荡，继而带来开关管电压应力问题。
本实施例中，当输出端出现短路时，数字控制芯片DSP检测到短路信号或者原边过流信号，立刻关闭上管Q1驱动，如图1所示，此时谐振腔内电流ir+和ir-可通过下管Q2组成的续流阻抗回路衰减消耗。下管Q2在驱动延时△t(需根据输出短路后谐振腔能量实际消耗时间做出相应调整)后才关闭。
该控制软件逻辑为：当前一时刻输出电压采样值Vout1(上)与一个开关周期后的当前输出电压采样值Vout2(当前)的差值△V，即输出电压快速下跌斜率来判断输出发生短路，然后关闭上管Q1驱动，延时△t后再关闭下管Q2驱动。
同时，可通过原边电流采样电阻，检测原边电流值超过过流保护值时，触发原边过流保护，同样先关断Q1驱动，延时△t后再关闭下管Q2驱动。
实施例2：
如图2所示，主拓扑为全桥LLC电路，该拓扑器件说明：
如图2所示，主拓扑为全桥LLC电路，该拓扑器件说明：Vin为输入电压(若前端接有整流电路，则其为母线电容)，Q1、Q2、Q3、Q4为N型MOSFET开关管，Cds1、Cds2、Cds3、Cds4为MOS管漏极和源极的结电容，Lr为谐振电感，Cr为谐振电容，Tr为变压器，Rd为原边电流采样电阻，D3、D4、D5、D6为全桥整流电路的输出二极管，Cout为输出滤波电容，Rout为负载，输出电压为Vout。
本实施例中，当输出端出现短路时，数字控制芯片DSP检测到短路信号或者原边过流信号，立刻关闭上管Q1、Q3驱动，如图2所示，此时谐振腔内电流ir+和ir-可通过下管Q2、Q4组成的续流阻抗回路衰减消耗。下管Q2、Q4在驱动延时△t(需根据输出短路后谐振腔能量实际消耗时间做出相应调整)后才关闭。
该控制软件逻辑为：当前一时刻输出电压采样值Vout1(上)与一个开关周期后的当前输出电压采样值Vout2(当前)的差值△V，即输出电压快速下跌斜率来判断输出发生短路，然后关闭上管Q1、Q3驱动，延时△t后再关闭下管Q2、Q4驱动。
同时，可通过原边电流采样电阻，检测原边电流值超过过流保护值时，触发原边过流保护，同样先关断Q1、Q3驱动，延时△t后再关闭下管Q2、Q4驱动。
实施例3：
如图3所示，主拓扑为移相全桥电路，该拓扑器件说明：
如图3所示，主拓扑为移相全桥电路，该拓扑器件说明：Vin为输入电压(若前端接有整流电路，则其为母线电容)，Q1、Q2、Q3、Q4为N型MOSFET开关管，Cds1、Cds2、Cds3、Cds4为MOS管漏极和源极的结电容，Lr为谐振电感，Cr为谐振电容，Tr为变压器，Rd为原边电流采样电阻，D3、D4、D5、D6为全桥整流电路的输出二极管，Lf为输出滤波电感，Cout为输出滤波电容，Rout为负载，输出电压为Vout。
本实施例中，当输出端出现短路时，数字控制芯片DSP检测到短路信号或者原边过流信号，立刻关闭超前管Q1、Q3驱动，如图3所示，此时谐振腔内电流ir+和ir-可通过滞后管Q2、Q4组成的续流阻抗回路衰减消耗。滞后管Q2、Q4在驱动延时△t(需根据输出短路后谐振腔能量实际消耗时间做出相应调整)后才关闭。
该控制软件逻辑为：当前一时刻输出电压采样值Vout1(上)与一个开关周期后的当前输出电压采样值Vout2(当前)的差值△V，即输出电压快速下跌斜率来判断输出发生短路，然后关闭超前管Q1、Q3驱动，延时△t后再关闭滞后管Q2、Q4驱动。
同时，可通过原边电流采样电阻，检测原边电流值超过过流保护值时，触发原边过流保护，同样先关断超前管Q1、Q3驱动，延时△t后再关闭滞后管Q2、Q4驱动。
实施例4：
如图4所示，主拓扑为三电平全桥电路，该拓扑器件说明：
如图4所示，主拓扑为三电平全桥电路，该拓扑器件说明：Vin/2为输入半母线电压，Cin1、Cin2为输入半母线电容，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为N型MOSFET开关管，D1、D2、D3、D4为续流二极管，Cds1、Cds2、Cds3、Cds4、Cds5、Cds6、Cds7、Cds8为MOS管漏极和源极的结电容，Lr为谐振电感，Cr为隔直电容，Tr为变压器，Rd为原边电流采样电阻，DR1、DR2、DR3、DR4为全桥整流电路的输出二极管，Lf为输出滤波电感，Cf为输出滤波电容，RL为负载，输出电压为Vout。
本实施例中，当输出端出现短路时，数字控制芯片DSP检测到短路信号或者原边过流信号，立刻关闭超前管Q1、Q4、Q5、Q8驱动，如图4所示，此时谐振腔内电流ir+和ir-可通过滞后管Q2、Q3、Q6、Q7组成的续流阻抗回路衰减消耗。滞后管Q2、Q3、Q6、Q7在驱动延时△t(需根据输出短路后谐振腔能量实际消耗时间做出相应调整)后才关闭。
该控制软件逻辑为：当前一时刻输出电压采样值Vout1(上)与一个开关周期后的当前输出电压采样值Vout2(当前)的差值△V，即输出电压快速下跌斜率来判断输出发生短路，然后关闭超前管Q1、Q4、Q5、Q8驱动，延时△t后再关闭滞后管Q2、Q3、Q6、Q7驱动。
同时，可通过原边电流采样电阻，检测原边电流值超过过流保护值时，触发原边过流保护，同样先关断超前管Q1、Q4、Q5、Q8驱动，延时△t后再关闭滞后管Q2、Q3、Q6、Q7驱动。

Claims (10)

1.一种桥式变换器短路保护的控制方法，其特征在于，包括：
检测桥式变换器的输出电压、或原边母线电流；
当检测到所述的桥式变换器的输出发生短路、或原边母线电流发生过流保护时，首先控制关闭母线传能开关管的驱动，延时△t后再控制关闭剩下的续流开关管的驱动。
2.如权利要求1所述的一种桥式变换器短路保护的控制方法，其特征在于：
所述的当检测到所述的桥式变换器的输出发生短路时，所述的输出电压在前一时刻输出电压采样值与一个开关周期后的当前输出电压采样值的差值除以一个开关周期时间若大于10V，则判断出输出发生短路；
所述的原边母线电流发生过流保护时，所述的原边母线电流超过保护限制值，触发原边过流保护。
3.如权利要求1所述的一种桥式变换器短路保护的控制方法，其特征在于：
所述的延时△t是指母线传能开关管关断后谐振腔内部剩余能量，通过剩下的续流开关管维持的阻抗回路消耗完的所需的时长；所述的延时△t时长设计为100-1000倍开关周期时长。
4.如权利要求1或2或3所述的一种桥式变换器短路保护的控制方法，其特征在于：
所述的桥式变换器为对称半桥LLC变换器，当检测到所述的桥式变换器的输出发生短路时、或者原边母线电流超过保护限制值，首先关闭开关管Q1驱动，延时△t后再关闭开关管Q2驱动。
5.如权利要求1或2或3所述的一种桥式变换器短路保护的控制方法，其特征在于：
所述的桥式变换器为全桥LLC变换器，当检测到所述的桥式变换器的输出发生短路时、或者原边母线电流超过保护限制值，首先关闭开关管Q1、Q3驱动，延时△t后再关闭开关管Q2、Q4驱动。
6.如权利要求1或2或3所述的一种桥式变换器短路保护的控制方法，其特征在于：
所述的桥式变换器为移相全桥LLC变换器，当检测到所述的桥式变换器的输出发生短路时、或者原边母线电流超过保护限制值，首先关闭开关管Q1、Q3驱动，延时△t后再关闭开关管Q2、Q4驱动。
7.如权利要求1或2或3所述的一种桥式变换器短路保护的控制方法，其特征在于：
所述的桥式变换器为移相全桥三电平变换器，当检测到所述的桥式变换器的输出发生短路时、或者原边母线电流超过保护限制值，首先关闭开关管Q1、Q4、Q5、Q8驱动，延时△t后再关闭开关管Q2、Q3、Q6、Q7驱动。
8.一种桥式变换器短路保护的控制装置，其特征在于，包括：
检测单元，用于检测桥式变换器的输出电压、或原边母线电流；
控制单元，用于控制桥式变换器中开关管驱动的开闭。
9.如权利要求8所述的一种桥式变换器短路保护的控制装置，其特征在于：
所述的检测单元，用于当检测到所述的桥式变换器的输出发生短路时，所述的输出电压在前一时刻输出电压采样值与一个开关周期后的当前输出电压采样值的差值除以一个开关周期时间若大于10V，则判断出输出发生短路；
或者用于当检测到所述的原边母线电流发生过流保护时，所述的原边母线电流超过保护限制值，触发原边过流保护。
10.如权利要求8所述的一种桥式变换器短路保护的控制装置，其特征在于：
所述的控制单元，用于当检测到所述的桥式变换器的输出发生短路、或原边母线电流发生过流保护时，首先控制关闭母线传能开关管的驱动，延时△t后再控制关闭剩下的续流开关管的驱动。
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