CN111969563B - 一种用于输出整流管短路识别及保护的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的输出整流管短路识别及保护的控制方法，可以根据实际发波占空比与理论占空比差值大小的不同，进行不同的工作控制策略。当占空比差异较小的时候，采用多次连续计数的方式，防止系统存在误判，提高了判断的准确性。本发明通过实际发波占空比与理论占空比差值的实时对比，快速判断出系统是否存在输出整流管短路，如果存在短路，快速封波，让系统工作在安全区域内。

Description

一种用于输出整流管短路识别及保护的控制方法

技术领域

本发明涉及隔离电源、电动汽车充电模块领域，尤其涉及输出整流管短路识别及保护的控制方法。

背景技术

隔离电源是指通过变压器进行电压转换，变压器具有隔直通交功能，通常外加开关电路将直流电先转换为交流电（低频或者高频均可），再通过变压器隔离转换为交流电，通过后级的整流电流变换成直流电。隔离电源因为没有和大地连接，所以不会有触电危险，应用中较安全，具有以下优点：1、安全性高；2、抗干扰能力强；3、容易实现升降压转换及多路输出；4、输入电压范围较宽。其中后级整流电路种类众多，如全桥整流、全波整流、半波整流等等方式，这些整流方式依据不同的电压电流等级、不同的应用场景以及成本等多方面原因而适应不同的具体电路。

通常采用不控器件二极管进行整流，然而在实际应用中，由于多方面原因存在二极管失效短路情况（原因是目前为了实现更低的反向恢复损耗，采用SIC二极管，SIC二极管耐电流及高温能力很强，短路通过大电流不能够烧断开），二极管短路之后，电路依旧能够工作，但是会导致电路电流增大，如果该电流没有达到过流保护点，则二极管短路处会持续发热，导致相应的PCB板铜皮流过很大的电流，从而烧毁PCB，在产品使用中存在巨大的安全风险，因此这种整流器件短路失效需要被解决。

发明内容

本发明提出一种在线实时检测整流二极管短路的方案，控制系统采集隔离电源转换装置的输入电源电压以及输出电压，输出电压通常是电源模块受外部指令控制，或者电源模块工作场景固定，输出电压固定不变。在大功率系统中通常有前级PFC功率因数校正电路，因此DC-DC输入电源电压可调整，为了实现后级DC-DC的高效率，通常调整母线电压，让后级DC-DC工作在最大占空，当然也有单纯的直流输入直流输出隔离电源。

通过采集输入输出电压，就可以实时检测计算出电路发波占空比，依据不同的拓扑，发波占空比通常与变压器匝比、输入输出电压等参数相关，当这些参数已知确定的情况下，则对应的占空比可计算得出。当副边整流二极管存在短路的情况，则由于只有半周期传能，输出能量不够，则输出电压下跌，整个负反馈控制系统会加大发波占空比，因此此时的占空比与正常工况时的占空比完全不同，由此可以判定隔离电源模块工作不正常，系统可以关闭发波占空比，防止在不正常工作情况下由于整流二极管短路导致出现PCB板烧毁现象，防止故障事故扩大的同时可以确保损坏电源产品可维修。

本发明提出的输出整流管短路识别及保护的控制方法，可以根据实际发波占空比与理论占空比差值大小的不同，进行不同的工作控制策略。当占空比差异较小的时候，采用多次连续计数的方式，防止系统存在误判，提高了判断的准确性。本发明通过实际发波占空比与理论占空比差值的实时对比，快速判断出系统是否存在输出整流管短路，如果存在短路，快速封波，让系统工作在安全区域内；本发明适用于所有全桥和全波整流的隔离电源拓扑，通过软硬件结合方式，完全解决掉整流管短路带来分风险提升产品可靠性。

附图说明

图1 是自识别输出整流管短路失效电路图；

图2 是自识别输出整流管短路失效及保护控制流程图。

具体实施方式

为了实现本发明的技术方案，让更多的工程技术工作者容易了解和应用本发明，将结合具体实施例，进一步阐述如何解决偏磁。

如图1为一种隔离电源示意图，变压器原边为交流电发生装置，通常采用全桥或者半桥电路构成，交流电经过变压器隔离转换，副边采用全桥或者全波整流电路，将交流电转换为直流电，经过滤波器变为直流电输出。如果存在整流二极管DR1短路，则整个开关周期内只有半周期传递能量，输出电压下降，当二极管DR1短路，则有半个开关周期时间内，变压器副边短路，短路绕组及铜皮发热巨大，如果该短路电流折算到原边不能触发原边过流保护，则短路回路一直持续高热，会导致PCB及相应的元器件烧毁冒烟，甚至起火。因此在这种工况下，急需关闭原边发波装置，停止能量输出。

此处以移相全桥拓扑为例，给出占空比与输入输出电压及变压器匝比的关系表达式

（1）

上式中

为变压器匝比，输入电压Vbus，输出负载电压设定值VL，D为开关发波理论占空比。对于固定输出电压的应用场景，输出电压恒定。对于需要调整输出电压的应用场景，如电动汽车充电，充电电压由外部车端BMS充电控制器下发输出电压需求，因此输出电压需求值（或者说设定值）已知。输入电压的设定值通常由前级输入源确定，如果前级源电压可以调整，通常会根据输出负载电压进行相应的调整，以工作在最大占空比获取高效率。而变压器匝比，在产品定型之后该参数固定不变，由此我们可知，输入电压、输出电压已知固定的情况下，理论占空比D固定，如果在工作过程中出现占空比d跟理论计算D不符合的情况，认为整个系统工作不正常，需要进行关机处理，防止电源失效或者故障扩大化。

图2给出整个输出整流管短路识别及保护控制过程，具体策略详细描述如下：

（1）电源模块上电；

（2）变量初始化，即将理论占空比D，输入电压Vbus，输出负载电压设定值VL，变压器匝比

，占空比差值门限值Δd 1，占空比差值门限值Δd 2，连续出现每一次实际发波占空比d与理论占空比D值的差值在Δd1与Δd2之间计数数值Nx全部清零；

（3）根据当前母线电压及输出电压需求值核算理论占空比D；

（4）以开关频率f实时检测发波控制系统占空比d；

（5）判断实际发波占空比d与理论占空比D差值与门限值Δd1，看该表达式（d-D>Δd1）是否成立；

（6）判断实际发波占空比d与理论占空比D差值与门限值Δd2，看该表达式（d-D>Δd2）是否成立；

（7）当d-D>Δd2，认为占空比出现非常大的异常变化，存在副边二极管短路的情况，因此需要立即封波，保护电路防止损坏；

（8）判断实际发波占空比d与理论占空比D差值是否连续出现Nx次在Δd1于Δd2之间；

（9）如果连续出现Nx次，认为系统存在严重偏差及故障，需要将其关闭；

（10）反之继续循环判断；

（11）当检测实际发波占空比d与理论占空比D差值小于门限值Δd1，则认为工作无异常，正常发波。

本发明通过对输入电压，输出电压的检测，计算出理论控制占空比D，检测实际发波占空比d，判断二者之间的差值大小，当差值小于Δd1，认为整个发波偏差不大，认为无异常，这种占空比的偏磁可能由主电路参数差异或者采样发波差异等原因造成，当偏差很小的时候，认为无异常，该参数通常定义为理论占空比的5%，具体值需要根据实际电路参数容差等多方面原因决定。当偏差非常大，即大于Δd2，认为整个系统出现非常大的严重偏差，副边出现了输出整流管短路失效（其他短路等问题通常由短路保护处理），因为整个控制电压环或者电流环响应并非很快，占空比的调节是相对缓慢的，如果出现占空比远大于实际需求占空比，说明整个系统已经存在非常严重的异常能量需求，因此关闭发波，Δd2的选择基于实际副边二极管短路时占空比的变化量，实际占空比是控制系统自身依据闭环反馈环路计算出来的，控制系统MCU自身可以实时检测占空比的差值，从而计算出占空比的变化量。Δd1的选择是为了防止整个系统对输出整流管短路的误判，因为当系统存在干扰或者负载抖动等情况，会造成占空比在一定范围内波动，我们通过计数，发波占空比d与理论占空比D差值连续出现Nx次在Δd1于Δd2之间，认为系统工作异常，需要关闭开关发波，防止能量的继续转换，损坏电路。Nx的选择基于系统自身工作的抗干扰能力以及负载抖动等原因的多方面因素综合选择。

上述实施方式仅是示例性的示出本发明，并不企图限制本发明。另外对于没有详细描述的步骤属于本领域技术人员熟知的技术内容。对于涵盖在本发明构思内的相应的变换和更改均在本发明范围内。

Claims (6)

1.一种输出整流管短路识别及保护的控制方法，该控制方法用于隔离电源，其中变压器原边为交流电发生装置，采用全桥或者半桥电路构成，交流电经过变压器隔离转换，副边采用全桥或者全波整流电路，将交流电转换为直流电，经过滤波器变为直流电输出；该控制方法包括：通过对输入电压，输出电压的检测，计算出理论控制占空比D，检测实际发波占空比d，判断理论控制占空比D与实际发波占空比d二者之间的差值大小，当差值小于Δd1，则认为工作无异常，正常发波；当差值大于Δd2，认为整个系统出现非常大的严重偏差，副边出现了输出整流管短路失效，快速封波，让系统工作在安全区域内；当差值在Δd1于Δd2之间，采用多次连续计数的方式，判断系统是否工作异常。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其中Δd1根据实际电路参数容差决定，定义为理论控制占空比D的5%。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其中Δd2的选择基于实际副边二极管短路时占空比的变化量。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其中多次连续计数的方式，判断系统是否工作异常包括：若差值连续出现Nx次在Δd1于Δd2之间，认为系统工作异常，需要关闭开关发波，防止能量的继续转换，损坏电路。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其中Nx的选择基于系统自身工作的抗干扰能力以及负载抖动因素。

6.根据权利要求1所述的控制方法，具备步骤包括：

（1）电源模块上电；

（2）变量初始化，将理论控制占空比D，输入电压Vbus，输出负载电压设定值VL，变压器匝比N，占空比差值门限值Δd 1，占空比差值门限值Δd 2，连续出现每一次实际发波占空比d与理论控制占空比D值的差值在Δd1与Δd2之间计数数值Nx全部清零；

（3）根据当前母线电压及输出电压需求值核算理论控制占空比D；

（4）以开关频率f实时检测发波控制系统占空比d；

（5）比较实际发波占空比d与理论控制占空比D差值与门限值Δd1，即表达式d-D>Δd1是否成立；

（6）比较实际发波占空比d与理论控制占空比D差值与门限值Δd2，即表达式d-D>Δd2是否成立；

（7）当d-D>Δd2，认为存在副边二极管短路的情况，需要立即封波，保护电路防止损坏；

（8）判断实际发波占空比d与理论控制占空比D差值是否连续出现Nx次在Δd1于Δd2之间；

（9）如果连续出现Nx次，认为系统存在严重偏差及故障，需要将其关闭；

（10）反之继续循环判断；

（11）当检测实际发波占空比d与理论控制占空比D差值小于门限值Δd1，则认为工作无异常，正常发波。

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