CN111049374A - 高频直流变换电路及其控制方法、计算机可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高频直流变换电路及其控制方法、计算机可读存储介质，用于提高直流变换电源的系统开关频率，改善输出纹波，其中高频直流变换电路包括：输入正端DC+、输入负端DC‑、正母线BUS+、负母线BUS‑、输出正端DOUT+、输出负端DOUT‑、电容、电阻R1、N条支路，其中N≥2；所述输入正端DC+分别经N条支路连接至输入负端DC‑，其中每条所述支路均包含两个相互串联的开关管，每个开关管的C极与E极两端均并联有导通方向指向输入正端DC+的二极管；每条支路中的两个开关管之间的接点均串联一个电感后连接至所述正母线BUS+；正母线BUS+与输出正端DOUT+相接，输入负端DC‑经负母线BUS‑连接至输出负端DOUT‑；电阻R1、电容相互并联后跨接在正母线BUS+、负母线BUS‑之间。
Description
技术领域
本发明涉及直流电源领域，尤其是一种高频直流变换电路及其控制方法、计算机可读存储介质。
背景技术
现有技术中，直流变换电源多数采用开关管实现斩波控制。
斩波控制过程中，开关管的每次开关动作都伴随有开关损耗，导致开关管积累热量，热量需给予一定时间进行蒸发冷却，否则热量散不出去就会炸管，因此出现开关管具有最高允许频率的限制，其中每个开关管的材质、型号不同，其最高允许频率会略有差异。
直流变换电源受限于开关管的最高允许频率，其系统开关频率也会具有上限，而直流变换电源的系统开关频率与其输出纹波的幅值呈负相关特性，系统开关频率越高，其输出纹波的幅值越小，由于系统开关频率具有上限，输出纹波的改善性能亦无法实现瓶颈突破。
发明内容
本发明旨在提高直流变换电源的系统开关频率，改善输出纹波。
为此，提供一种高频直流变换电路，包括输入正端DC+、输入负端DC-、正母线BUS+、负母线BUS-、输出正端DOUT+、输出负端DOUT-、电容、电阻R1、N条支路，其中N≥2；所述输入正端DC+分别经N条支路连接至输入负端DC-，其中每条所述支路均包含两个相互串联的开关管，每个开关管的C极与E极两端均并联有导通方向指向输入正端DC+的二极管；每条支路中的两个开关管之间的接点均串联一个电感后连接至所述正母线BUS+；正母线BUS+与输出正端DOUT+相接，输入负端DC-经负母线BUS-连接至输出负端DOUT-；电阻R1、电容相互并联后跨接在正母线BUS+、负母线BUS-之间。
进一步地，还包括用于驱动各个开关管通断的控制器，每条所述支路及所述正母线BUS+上均设有电流互感器，各个电流互感器分别电连接所述控制器。
进一步地，所述正母线BUS+上串联有开关K1。
进一步地，所述开关管均为IGBT管。
进一步地，所述电阻R1具体采用水泥电阻。
进一步地，所述电容有多个，多个电容相互并联后共同跨接在正母线BUS+、负母线BUS-之间。
进一步地，所述支路具体为四条。
还提供一种所述高频直流变换电路的控制方法，包括：
步骤A.控制电气上邻近输入负端DC-的各个开关管常断，控制电气上邻近输入正端DC+的各个开关管交替导通；和/或
步骤B.控制电气上邻近输入正端DC+的各个开关管常断，控制电气上邻近输入负端DC-的各个开关管交替导通。
进一步地，所述交替导通的控制方式进一步包括：
周期性向所需交替导通的各个开关管输送控制波形；
获取所需交替导通的各个开关管的数量M，将每个周期的时长平分成M个区间；
对于所需交替导通的每个开关管，控制其仅在其中一个区间中导通，且导通时长小于所述区间的时长。
进一步地，各个开关管的导通时长相等。
进一步地，控制每个开关管在其对应区间的起始之刻导通。
还提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序当被控制器执行时，实现上述的方法。
有益效果：
本发明对所需交替导通的各个开关管，采用多相交错控制方式进行驱动，一方面，对于每个开关管而言，其导通后留有足够长的时间供其散热，故可避免炸管，另一方面，可以使高频直流变换电路的系统开关频率突破开关管的频率限制，从而改善输出纹波性能。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本发明的高频直流变换电路的电路示意图；
图2示出了高频直流变换电路处于充电模式时，开关管IGBT1、开关管IGBT3、开关管IGBT5、开关管IGBT7的控制时序；
图3示出了高频直流变换电路处于充电模式时，电感L1…L4处的电流波形及正母线BUS+上的总电流波形。
具体实施方式
如图1所示，本实施例的高频直流变换电路设有输入正端DC+、输入负端DC-、正母线BUS+、负母线BUS-、输出正端DOUT+、输出负端DOUT-、开关管IGBT1…IGBT8、二极管D1…D8、电感L1…L4、电容C1…C4、水泥电阻R1及图中未示出的控制器等器件，其中：
控制器分别与开关管IGBT1…IGBT8的G极相接，
输入正端DC+经开关管IGBT1、开关管IGBT2连接至输入负端DC-，经开关管IGBT3、开关管IGBT4连接至输入负端DC-，经开关管IGBT5、开关管IGBT6连接至输入负端DC-，经开关管IGBT7、开关管IGBT8连接至输入负端DC-，
开关管IGBT1、开关管IGBT2之间的接点经电感L1连接至正母线BUS+，开关管IGBT3、开关管IGBT4之间的接点经电感L2连接至正母线BUS+，开关管IGBT5、开关管IGBT6之间的接点经电感L3连接至正母线BUS+，开关管IGBT7、开关管IGBT8之间的接点经电感L4连接至正母线BUS+，
正母线BUS+与输出正端DOUT+相接，输入负端DC-经负母线BUS-连接至输出负端DOUT-，
二极管D1…D8分别并联于开关管IGBT1…IGBT8的C极与E极两端且导通方向均指向输入正端DC+，
水泥电阻R1、电容C1…C4相互并联后跨接在正母线BUS+、负母线BUS-之间，其中，电容C1…C4并联用于提供电路的耐压能力。
基于上述硬件结构，高频直流变换电路可运行两种模式，分别为充电模式和放电模式。
(一)充电模式
该模式下，控制器通过输出波形，控制开关管IGBT2、开关管IGBT4、开关管IGBT6、开关管IGBT8常断，开关管IGBT1、开关管IGBT3、开关管IGBT5、开关管IGBT7交替导通，则电路变成正常BUCK电路，电流从输入正端DC+、输入负端DC-输入，降压后给到输出正端DOUT+、输出负端DOUT-进行输出，
其中，开关管IGBT1、开关管IGBT3、开关管IGBT5、开关管IGBT7采用4相交错控制方法来进行驱动，以使高频直流变换电路的系统开关频率突破开关管的频率限制，具体地，4相交错控制方法包括如图2所示的下述步骤：
设置系统以时间T为周期，循环向开关管IGBT1、开关管IGBT3、开关管IGBT5、开关管IGBT7输送控制波形；
对于每个周期，将周期时长T平分成四个区间，分别为0-t1、t1-t12、t2-t3、t3-T，在区间0-t1的起始之刻，控制开关管IGBT1率先导通后截止，在区间t1-t12的起始之刻，控制开关管IGBT3导通后截止，在区间t2-t3的起始之刻，控制开关管IGBT5导通后截止，在区间t3-T的起始之刻，控制开关管IGBT7导通后截止，其中，每个开关管的导通时长均为a，且a小于区间时长。
通过上述控制，可实现四个开关管在控制时序上四相交错，且每相相位相差90度，如此，结合图2可知，每个开关管的开关频率仅为1/T，其导通后留有足够长的时间T-a给开关管散热，故可避免炸管，而系统开关频率则变为单个开关管的四倍，即4/T，因此系统开关频率得以突破开关管的上限频率。
见图3，从系统输出纹波的角度分析，开关管IGBT1导通时，电感L1充电，电感L1处的电流IA1上升，开关管IGBT1截止后，电感L1放电，电流IA1下降，故电流波形如图3的IA1所示，同理，电感L2处的电流如IA2所示，电感L3处的电流如IA3所示，电感L4处的电流如IA4所示，由于电感L1…L4共同接于正母线BUS+上，如IA5’所示，正母线BUS+上的电流为IA1…IA4四者叠加，从而产生叠加后的波形如IA5所示，该波形为系统输出波形，其上的纹波幅度小，因此系统的输出纹波性能得到明显改善。
(二)放电模式
见图1，该模式下，控制器通过输出波形，控制开关管IGBT1、开关管IGBT3、开关管IGBT5、开关管IGBT7常断，开关管IGBT2、开关管IGBT4、开关管IGBT6、开关管IGBT8交替导通，则：
当开关管IGBT2导通时，电流从输出正端DOUT+出发，经电感L1、开关管IGBT2回到输出负端DOUT-，这一过程中对电感L1充电，使其电压不断抬升至超过输入正端DC+；
当开关管IGBT2由导通变为截止时，电感L1放电，电流从电感L1出发，经二极管D1、输入正端DC+、输入负端DC-、水泥电阻R1回到电感L1，实现将电流灌入输入正端DC+、输入负端DC-，从整体看，则为输出正端DOUT+、输出负端DOUT-放电至输入正端DC+、输入负端DC-；
其中，开关管IGBT4、开关管IGBT6、开关管IGBT8交替导通时的工作过程与开关管IGBT2一致，本文不作赘述。
同样，通过采用与充电模式中相同的4相交错控制方法来驱动开关管IGBT2、开关管IGBT4、开关管IGBT6、开关管IGBT8交替导通，实现放电模式下的系统开关频率提高，输出纹波的幅值变小。
进一步地，见图1，可在电感L1…L4所在的四条支路上分别设一个电流互感器，在正母线BUS+也设一个电流互感器，各个电流互感器分别与控制器电连接，从而向控制器输入这些线路上的电流，供控制器进行闭环反馈控制。
进一步地，在正母线BUS+上串联一个开关K1，实现总开关通断控制。其中，开关K1可以是手动开关，也可以是电控开关，如为电控开关，可将其受控端连接至控制器，实现电控。
进一步地，开关管IGBT1…IGBT8具体选用为耐压等级4500V以上的IGBT管，使电路能够承受大功率运行状况。
需要说明的是：
本实施例中所述的方法，可被编写成一个或多个程序，存储于控制器内容或另设的存储器中，并被控制器调用执行。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
Claims (10)
1.高频直流变换电路，其特征在于：
包括输入正端DC+、输入负端DC-、正母线BUS+、负母线BUS-、输出正端DOUT+、输出负端DOUT-、电容、电阻R1、N条支路，其中N≥2；
所述输入正端DC+分别经N条支路连接至输入负端DC-，其中每条所述支路均包含两个相互串联的开关管，每个开关管的C极与E极两端均并联有导通方向指向输入正端DC+的二极管；
每条支路中的两个开关管之间的接点均串联一个电感后连接至所述正母线BUS+；
正母线BUS+与输出正端DOUT+相接，输入负端DC-经负母线BUS-连接至输出负端DOUT-；
电阻R1、电容相互并联后跨接在正母线BUS+、负母线BUS-之间。
2.根据权利要求1所述的高频直流变换电路，其特征在于：还包括用于驱动各个开关管通断的控制器，每条所述支路及所述正母线BUS+上均设有电流互感器，各个电流互感器分别电连接所述控制器。
3.根据权利要求1所述的高频直流变换电路，其特征在于：所述开关管均为IGBT管。
4.根据权利要求3所述的高频直流变换电路，其特征在于：
所述电阻R1具体采用水泥电阻；且/或
所述电容有多个，多个电容相互并联后共同跨接在正母线BUS+、负母线BUS-之间。
5.根据权利要求1所述的高频直流变换电路，其特征在于：所述支路具体为四条。
6.权利要求1-5任一项所述高频直流变换电路的控制方法，其特征在于，包括：
步骤A.控制电气上邻近输入负端DC-的各个开关管常断，控制电气上邻近输入正端DC+的各个开关管交替导通；和/或
步骤B.控制电气上邻近输入正端DC+的各个开关管常断，控制电气上邻近输入负端DC-的各个开关管交替导通。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述交替导通的控制方式进一步包括：
周期性向所需交替导通的各个开关管输送控制波形；
获取所需交替导通的各个开关管的数量M，将每个周期的时长平分成M个区间；
对于所需交替导通的每个开关管，控制其仅在其中一个区间中导通，且导通时长小于所述区间的时长。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，各个开关管的导通时长相等。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，控制每个开关管在其对应区间的起始之刻导通。
10.计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如权利要求6-9任一项所述的方法。
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|---|---|---|---|---|
| CN111654183A (zh) * | 2020-06-12 | 2020-09-11 | 深圳英飞源技术有限公司 | 一种直流-直流变换装置及其控制方法 |
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| CN111654183A (zh) * | 2020-06-12 | 2020-09-11 | 深圳英飞源技术有限公司 | 一种直流-直流变换装置及其控制方法 |
| CN111654183B (zh) * | 2020-06-12 | 2021-10-29 | 深圳英飞源技术有限公司 | 一种直流-直流变换装置及其控制方法 |
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