CN112636306A - 一种双向dc/dc变换器的双向过流保护方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了双向DC/DC变换器的双向过流保护装置，包括依次连接的前级逆变电路、隔离变压器及后级整流电路，包括电流采样单元、电压比较单元、PWM波发生单元、逻辑处理单元及开关器件驱动单元，电流采样单元分别串接在前级逆变电路、后级整流电路的母线上。通过采集母线电流并输出对应电压信号；将电压信号与设定的电压值进行比较判断是否过流并输出对应的电平信号，将输出的电平信号和PWM波形经过逻辑处理后经隔离放大后驱动功率开关器件。还公开一种双向DC/DC变换器的双向过流保护方法。利用电流检测及处理电路后，能及时对发生的过流故障进行硬件保护，避免过流造成开关器件损坏，具有速度快、结构简单、成本相对较低等特点。

Description

一种双向DC/DC变换器的双向过流保护方法及装置
技术领域
本发明涉及过流保护技术领域，具体涉及一种双向DC/DC变换器的双向过流保护方法及装置。
背景技术
双向DC/DC变换器是一种能够允许电能在两个等级的直流电压中相互流动的电力电子变换器。在充电模式下，它能够将直流母线电压准确变换为电池组所需要的电压值，放电模式下，能够将电池组电压变换为直流母线电压。广泛应用于能量需要双向流动的可再生能源发电系统、UPS系统、直流电动汽车、电子产品的老化设备等领域。
双向DC/DC变换器通常是由全控型开关器件构成的全桥电路组成。当出现负载短路、功率器件失效、桥臂误导通等情况时，均可能导致输出过流故障，该故障发生的时间短且破坏性强，严重时会产生安全隐患，因此有必要进行过流保护。现有的过流保护技术通常是采用熔断器、继电器等开关器件实现硬件保护，方案简单但成本较高。还有的是通过软件进行过流保护，但判断时间长，动作慢。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种双向DC/DC变换器的双向过流保护装置，其设置在直流侧与负载侧之间，包括依次连接的前级逆变电路、隔离变压器及后级整流电路，还包括电流采样单元、电压比较单元、PWM波发生单元、逻辑处理单元及开关器件驱动单元，所述电流采样单元分别串接在前级逆变电路、后级整流电路的母线上，两个所述电流采样单元均分别与电压比较单元电连接，所述电压比较单元依次与逻辑处理单元、开关器件驱动单元电连接，所述PWM波发生单元与逻辑处理单元电连接，所述开关器件驱动单元与前级逆变电路、后级整流电路中的功率开关器件电连接。
所述电流采样单元，用于分别采集前级逆变电路和后级整流电路的母线电流，并输出与采集电流对应的电压信号给电压比较单元；所述电压比较单元，用于将接收的电压信号与设定的电压值进行比较判断是否过流，并输出对应的电平信号给逻辑处理单元；所述PWM波发生单元，用于向逻辑处理单元输出PWM波形；所述逻辑处理单元，用于处理接收的电平信号和PWM波形并输出处理信号给开关器件驱动单元；所述开关器件驱动单元，用于将接收的处理信号经隔离放大后驱动前级逆变电路和后级整流电路的功率开关器件。
进一步地，所述双向过流保护装置还包括脉冲封锁单元，所述脉冲封锁单元分别与电压比较单元、逻辑处理单元电连接，所述电压比较单元输出判断后的电平信号给脉冲封锁单元，所述脉冲封锁单元，用于根据接收的电平信号选择是否是否向逻辑处理单元封锁脉冲。
进一步地，所述前级逆变电路包括直流侧支撑电容、第一桥式功率变换单元、电感，所述后级整流电路包括负载侧支撑电容、第二桥式功率变换单元；所述直流侧支撑电容、第一桥式功率变换单元、电感、隔离变压器、第二桥式功率变换单元及负载侧支撑电容依次连接。
进一步地，所述第一桥式功率变换单元包括第一功率开关器件、第二功率开关器件、第三功率开关器件及第四功率开关器件，所述第二桥式功率变换单元包括第五功率开关器件、第六功率开关器件、第七功率开关器件及第八功率开关器件。
进一步地，所述电流采样单元为霍尔电流传感器。
进一步地，所述逻辑处理单元为与门逻辑处理芯片。
本发明提供的一种双向DC/DC变换器的双向过流保护方法，包括以下步骤：
分别采集前级逆变电路和后级整流电路的母线电流并输出与采集电流对应的电压信号；
将输出的所述电压信号与设定的电压值进行比较判断是否过流，并输出对应的电平信号；
将输出的所述电平信号与PWM波形经过逻辑处理后经隔离放大以驱动前级逆变电路和后级整流电路的功率开关器件。
进一步地，根据接收的输出电平的高低判断是否对功率开关器件封锁脉冲输出。
进一步地，当判断过流时，输出电平翻转并输出过流保护信号，无PWM波形输出给功率开关器件。
进一步地，所述封锁脉冲输出时，PWM波形均设为低电平，使功率开关器件截止。
与现有技术比较本发明技术方案的有益效果为：
本发明提供的一种双向DC/DC变换器的双向过流保护方法，利用电流检测及处理电路后，能及时对发生的过流故障进行硬件保护，避免因负载过流或桥臂短路过流而造成开关器件损坏，从而起到保护双向DC/DC变换器开关器件的作用，同时对双向DC/DC变换器进行双向过流保护，硬件处理速度快，具有可靠性高、结构简单、成本相对较低等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种双向DC/DC变换器的双向过流保护方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种双向DC/DC变换器的双向过流保护装置的结构原理框图；
图3是本发明实施例提供的双向DC/DC变换器的电路原理图；
图4是本发明实施例提供的电流采样单元的电路原理图；
图5是本发明实施例提供的电压比较单元的电路原理图；
图6A是本发明实施例提供的与第一桥式功率变换单元对应的逻辑处理单元、开关器件驱动单元的电路原理图；
图6B是本发明实施例提供的与第二桥式功率变换单元对应的逻辑处理单元、开关器件驱动单元的电路原理图。
附图标记如下：
1、电流采样单元，2、电压比较单元，3、PWM波发生单元，4、逻辑处理单元，5、开关器件驱动单元，6、脉冲封锁单元，10、前级逆变电路，20、隔离变压器，30、后级整流电路，40、第一桥式功率变换单元，50、第二桥式功率变换单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
请参阅图2-6所示，本发明提供的一种双向DC/DC变换器的双向过流保护装置，其设置在直流侧与负载侧之间，包括依次连接的前级逆变电路10、隔离变压器20及后级整流电路30，还包括电流采样单元1、电压比较单元2、PWM波发生单元3、逻辑处理单元4及开关器件驱动单元5，电流采样单元1分别串接在前级逆变电路10、后级整流电路30的母线上，两个电流采样单元1均分别与电压比较单元2电连接，电压比较单元2依次与逻辑处理单元4、开关器件驱动单元5电连接，PWM波发生单元3与逻辑处理单元4电连接，开关器件驱动单元5与前级逆变电路10、后级整流电路30中的功率开关器件电连接。
电流采样单元1，用于分别采集前级逆变电路10和后级整流电路30的母线电流，并输出与采集电流对应的电压信号给电压比较单元2；电压比较单元2，用于将接收的电压信号与设定的电压值进行比较判断是否过流，并输出对应的电平信号给逻辑处理单元4；PWM波发生单元3，用于向逻辑处理单元4输出PWM波形；逻辑处理单元4，用于处理接收的电平信号和PWM波形并输出处理信号给开关器件驱动单元5；开关器件驱动单元5，用于将接收的处理信号经隔离放大后驱动前级逆变电路10和后级整流电路30的功率开关器件。
具体的，电流采样单元1为霍尔电流传感器。逻辑处理单元4为与门逻辑处理芯片。
优选地，双向过流保护装置还包括脉冲封锁单元6，脉冲封锁单元6分别与电压比较单元2、逻辑处理单元4电连接，电压比较单元2输出判断后的电平信号给脉冲封锁单元6，脉冲封锁单元6，用于根据接收的电平信号选择是否向逻辑处理单元4封锁脉冲。
电压比较单元2能及时地将过流信号发送给逻辑处理单元4，并将过流故障反馈给脉冲封锁单元6，逻辑处理单元4接收到过流信号时及时阻断PWM信号，完成硬件过流保护；脉冲封锁单元6接收过流故障信息，进行封锁脉冲输出，PWM波形均设为低电平，使功率开关器件截止，进行软件控制保护。
优选地，前级逆变电路10包括直流侧支撑电容、第一桥式功率变换单元40、电感，后级整流电路20包括负载侧支撑电容、第二桥式功率变换单元50；直流侧支撑电容、第一桥式功率变换单元40、电感、隔离变压器20、第二桥式功率变换单元50及负载侧支撑电容依次连接。
具体的，第一桥式功率变换单元40包括第一功率开关器件Q1、第二功率开关器件Q2、第三功率开关器件Q3及第四功率开关器件Q4，第二桥式功率变换单元50包括第五功率开关器件Q5、第六功率开关器件Q6、第七功率开关器件Q7及第八功率开关器件Q8。
如图3为典型双向DC/DC变换器的拓扑结构，其中，Vdc为直流侧电压；Vba为电池侧电压；C1、C2分别为支撑电容；Q1-Q8为功率开关器件；T为高频隔离变压器；L为变压器漏感；MIa、MIb为电流采样单元1。
电流采样单元1内集成有信号处理电路，电流采样单元1通过霍尔电流传感器采集电流信号，当被测电流通过霍尔电流传感器的初级引脚时，在输出端有对应的电压信号输出。如图4所示，U1、U2为霍尔电流传感器；电容C1、C2、C5、C6为退耦电容。
如图5所示，电流采样单元1输出对应的电压信号经过二极管D1-D4。电阻R1、电阻R3、电阻R2、电阻R4分别组成分压电路，通过改变分压电阻的电阻值来设定比较电压值，以获得与电流测量值对应的电压相当的电压，保证比较的准确性和精度。电阻R5、电容C3、电阻R6、电容C4分别下拉接地，防止误触发；比较器U3A、U3B；电容C7、电容C8为退耦电容；电阻R7、电阻R8、电阻R9、三极管Q1组成开关电路，正常状态下，三极管Q1截止，输出端为高电平，当比较器翻转输出高电平时，三极管Q1导通，输出端为低电平。
如图6A、6B所示，与门逻辑芯片U4A、U4B、U4C、U4D、U9A、U9B、U9C、U9D；光耦隔离驱动芯片U5-U8、U10-U13；电阻R10-R17为限流电阻；电容C9-C18为退耦电容；电压比较输出信号与PWM信号经过与门逻辑处理，送光耦隔离放大后驱动功率开关器件。
如图1所示，本发明还提供一种双向DC/DC变换器的双向过流保护方法，包括以下步骤：
分别采集前级逆变电路和后级整流电路的母线电流并输出与采集电流对应的电压信号；
将输出的电压信号与设定的电压值进行比较判断是否过流，并输出对应的电平信号；
将输出的电平信号与PWM波形经过逻辑处理后经隔离放大以驱动前级逆变电路和后级整流电路的功率开关器件。
具体的，当判断过流时，输出电平翻转并输出过流保护信号，无PWM波形输出给功率开关器件。
优选地，根据接收的输出电平的高低判断是否对功率开关器件封锁脉冲输出。
具体的，封锁脉冲输出时，PWM波形均设为低电平，使功率开关器件截止。通过软件控制辅助硬件过流保护，可同时完成硬件和软件过流保护，可靠性更高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双向DC/DC变换器的双向过流保护装置，其设置在直流侧与负载侧之间，包括依次连接的前级逆变电路(10)、隔离变压器(20)及后级整流电路(30)，其特征在于：还包括电流采样单元(1)、电压比较单元(2)、PWM波发生单元(3)、逻辑处理单元(4)及开关器件驱动单元(5)，所述电流采样单元(1)分别串接在前级逆变电路(10)、后级整流电路(30)的母线上，两个所述电流采样单元(1)均分别与电压比较单元(2)电连接，所述电压比较单元(2)依次与逻辑处理单元(4)、开关器件驱动单元(5)电连接，所述PWM波发生单元(3)与逻辑处理单元(4)电连接，所述开关器件驱动单元(5)与前级逆变电路(10)、后级整流电路(30)中的功率开关器件电连接；
所述电流采样单元(1)，用于分别采集前级逆变电路(10)和后级整流电路(30)的母线电流，并输出与采集电流对应的电压信号给电压比较单元(2)；所述电压比较单元(2)，用于将接收的电压信号与设定的电压值进行比较判断是否过流，并输出对应的电平信号给逻辑处理单元(4)；所述PWM波发生单元(3)，用于向逻辑处理单元(4)输出PWM波形；所述逻辑处理单元(4)，用于处理接收的电平信号和PWM波形并输出处理信号给开关器件驱动单元(5)；所述开关器件驱动单元(5)，用于将接收的处理信号经隔离放大后驱动前级逆变电路(10)和后级整流电路(30)的功率开关器件。
2.如权利要求1所述的双向DC/DC变换器的双向过流保护装置，其特征在于：所述双向过流保护装置还包括脉冲封锁单元(6)，所述脉冲封锁单元(6)分别与电压比较单元(2)、逻辑处理单元(4)电连接，所述电压比较单元(2)输出判断后的电平信号给脉冲封锁单元(6)，所述脉冲封锁单元(6)，用于根据接收的电平信号选择是否向逻辑处理单元(4)封锁脉冲。
3.如权利要求1或2所述的双向DC/DC变换器的双向过流保护装置，其特征在于：所述前级逆变电路(10)包括直流侧支撑电容、第一桥式功率变换单元(40)、电感，所述后级整流电路(20)包括负载侧支撑电容、第二桥式功率变换单元(50)；所述直流侧支撑电容、第一桥式功率变换单元(40)、电感、隔离变压器(20)、第二桥式功率变换单元(50)及负载侧支撑电容依次连接。
4.如权利要求3所述的双向DC/DC变换器的双向过流保护装置，其特征在于：所述第一桥式功率变换单元(40)包括第一功率开关器件、第二功率开关器件、第三功率开关器件及第四功率开关器件，所述第二桥式功率变换单元(50)包括第五功率开关器件、第六功率开关器件、第七功率开关器件及第八功率开关器件。
5.如权利要求1或2所述的双向DC/DC变换器的双向过流保护装置，其特征在于：所述电流采样单元(1)为霍尔电流传感器。
6.如权利要求1或2所述的双向DC/DC变换器的双向过流保护装置，其特征在于：所述逻辑处理单元(4)为与门逻辑处理芯片。
7.一种双向DC/DC变换器的双向过流保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
分别采集前级逆变电路和后级整流电路的母线电流并输出与采集电流对应的电压信号；
将输出的所述电压信号与设定的电压值进行比较判断是否过流，并输出对应的电平信号；
将输出的所述电平信号与PWM波形经过逻辑处理后经隔离放大以驱动前级逆变电路和后级整流电路的功率开关器件。
8.如权利要求7所述的双向DC/DC变换器的双向过流保护方法，其特征在于：根据接收的输出电平的高低判断是否对功率开关器件封锁脉冲输出。
9.如权利要求7或8所述的双向DC/DC变换器的双向过流保护方法，其特征在于：当判断过流时，输出电平翻转并输出过流保护信号，无PWM波形输出给功率开关器件。
10.如权利要求8所述的双向DC/DC变换器的双向过流保护方法，其特征在于：所述封锁脉冲输出时，PWM波形均设为低电平，使功率开关器件截止。
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