CN112803728A - 一种电力电子变压器中功率单元驱动的同步方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电力电子变压器中功率单元驱动的同步方法及其装置，属于电力电子变压器技术领域，包括高压控制板在在串行数据中增加一个同步位，低压控制板在接收到高压控制板发送的数据后，对数据进行解码，并对解码出的同步位进行取反；高压控制板根据回传回来的同步位以及自身解码周期，计算出两次传输的时间t；高压控制板在对原边桥臂电路发出驱动脉冲时进行延迟时间t；解决了链式电力电子变压器装置光纤传输延时的技术问题；本发明操作简单、适用性广，可以兼容目前市面上所有的中高压链式功率单元驱动单元，本发明通过增加同步位的方法计算数据帧的时差，计算精度高，特别适用在DAB这种原副边驱动时序要求较高的拓扑结构中。

Description

一种电力电子变压器中功率单元驱动的同步方法及其装置
技术领域
本发明属于电力电子变压器技术领域，涉及一种电力电子变压器中功率单元驱动的同步方法及其装置。
背景技术
电力电子变压器通常采用链式结构，链式的功率单元电路一般采用原副边H桥电路，H桥电路之间通过隔离变压器方式进行隔离，而原副边各有一块控制板，两块控制板间需要进行通讯，正反向时的驱动PWM信号也由通讯传输，因原副边需高压隔离，常规方式采用光纤进行控制脉冲和数据通讯。
光纤回路由控制系统的FPGA发出信息后通过驱动电路控制光纤发送器，光纤发送器通过光纤把FPGA输出信息传输出去，光纤另一端连接到光纤接收器，接收器通过接收电路连接到接收控制板端的FPGA上，FPGA通过对串行数据的解码来识别发送的信息，发送的速率虽然可达MHz以上。
但由于发送信息和接收信息由于中间经过驱动电路光纤和接收电路，发送和接收信息之间存在时间差，对于一般电压和电流数据传输虽有影响但在合理范围内，而对于采用DAB拓扑的原副边来说，延时会导致副边的驱动控制始终存在移相角度如图3中所示的同步前的波形所示，总有功率流动，虽然可通过闭环控制进行控制，但额外增加控制资源。
发明内容
本发明的目的是提供一种电力电子变压器中功率单元驱动的同步方法及其装置，解决了链式电力电子变压器装置光纤传输延时的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电力电子变压器中功率单元驱动的同步方法，包括如下步骤：
步骤1：建立电力电子变压器的功率单元电路，包括高压控制板、低压控制板、原边桥臂电路和副边桥臂电路，高压控制板和低压控制板之间通过数据线通信，高压控制板驱动原边桥臂电路，低压控制板驱动副边桥臂电路；
步骤2：高压控制板和低压控制板通过串行数据进行通信；
步骤3：高压控制板在发送数据时，在串行数据中增加一个同步位，用于对高压控制板发送的信息和低压控制板接收的信息进行时间同步；
步骤4：低压控制板在接收到高压控制板发送的数据后，对数据进行解码，并对解码出的同步位进行取反；
步骤5：低压控制板将解析出的同步位回传给高压控制板；
步骤6：高压控制板根据回传回来的同步位以及自身解码周期，计算出两次传输的时间t；
步骤7：高压控制板在对原边桥臂电路发出驱动脉冲时，首先进行延迟，延迟时间为时间t；
步骤8：低压控制板按照自身时间对副边桥臂电路发出驱动脉冲。
优选的，通过数据帧的长度计算所述高压控制板和所述低压控制板之间在数据通信时的时间差。
优选的，所述高压控制板和所述低压控制板之间的数据格式为：引导位+起始位+同步位+数据位。
优选的，所述低压控制板在接收到由所述高压控制板发送的一个数据帧后，通过引导位的电平的持续时间t0判断数据帧的开始；通过判断引导位的电平的变化来确定数据帧的起始位。
优选的，所述同步位在所述起始位之后，所述低压控制板在向所述高压控制板回传数据时，将所述同步位取反，所述高压控制板利用所述同步位的电平的变化来计算时间，同步位发送初始电平后计数器开始计时，同步位变为取反后的电平后计数器停止计时，从而得到时差值，时差值乘以所述高压控制板的时钟周期得到数据线的硬件和串行帧延时时间之和，即所述时间t；
高压控制板在延迟时间t后，再对原边桥臂电路发出驱动脉冲。
一种电力电子变压器中功率单元驱动的同步装置，包括高压控制板、低压控制板、原边桥臂电路和副边桥臂电路，高压控制板用于驱动原边桥臂电路；低压控制板用于驱动副边桥臂电路；高压控制板和低压控制板之间通过数据线进行通信。
优选的，所述原边桥臂电路包括原边桥臂1和原边桥臂2，原边桥臂1和原边桥臂2构成了原边的H桥电路，电容Cdc为原边的H桥电路的输入端的滤波电容；
所述副边桥臂电路包括副边桥臂1和副边桥臂2，副边桥臂1和副边桥臂2构成了副边的H桥电路，电容Cbus为副边的H桥电路的输出端的滤波电容。
优选的，所述原边桥臂1包括IGBT管Sp1和IGBT管Sp2，所述原边桥臂2包括IGBT管Sp3和IGBT管Sp4，IGBT管Sp1、IGBT管Sp2、IGBT管Sp3和IGBT管Sp4构成的所述原边的H桥电路的输入端包括输出端A和输出端B，输出端A通过串联连接的电容C1和电感L连接隔离变压器T的原边的一端，输出端B连接隔离变压器T的原边的另一端；
所述副边桥臂1包括IGBT管Ss1和IGBT管Ss2，所述副边桥臂2包括IGBT管Ss3和IGBT管Ss4，IGBT管Ss1、IGBT管Ss2、IGBT管Ss3和IGBT管Ss4构成的所述副边的H桥电路的输入端包括输入端C和输入端D，输入端C通过电容C2连接隔离变压器T的副边的一端，输入端D连接隔离变压器T的副边的另一端。
优选的，所述数据线为光纤。
本发明所述的一种电力电子变压器中功率单元驱动的同步方法及其装置，解决了链式电力电子变压器装置光纤传输延时的技术问题，本发明操作简单、适用性广，可以兼容目前市面上所有的中高压链式功率单元驱动单元，本发明通过增加同步位的方法计算数据帧的时差，计算精度高，特别适用在DAB这种原副边驱动时序要求较高的拓扑结构中。
附图说明
图1为本发明的原理图方框图；
图2为本发明的电路图；
图3为本发明的数据帧时间同步前和同步后的时序图；
图4为本发明的高压控制板发送的数据帧的时序图；
图5为本发明的低压控制板回传的数据帧的时序图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1-图5所示的一种电力电子变压器中功率单元驱动的同步方法，包括如下步骤：
步骤1：建立电力电子变压器的功率单元电路，包括高压控制板、低压控制板、原边桥臂电路和副边桥臂电路，高压控制板和低压控制板之间通过数据线通信，高压控制板驱动原边桥臂电路，低压控制板驱动副边桥臂电路；
步骤2：高压控制板和低压控制板通过串行数据进行通信；
步骤3：高压控制板在发送数据时，在串行数据中增加一个同步位，用于对高压控制板发送的信息和低压控制板接收的信息进行时间同步；
步骤4：低压控制板在接收到高压控制板发送的数据后，对数据进行解码，并对解码出的同步位进行取反；
步骤5：低压控制板将解析出的同步位回传给高压控制板；
步骤6：高压控制板根据回传回来的同步位以及自身解码周期，计算出两次传输的时间t；
步骤7：高压控制板在对原边桥臂电路发出驱动脉冲时，首先进行延迟，延迟时间为时间t；
步骤8：低压控制板按照自身时间对副边桥臂电路发出驱动脉冲。
优选的，通过数据帧的长度计算所述高压控制板和所述低压控制板之间在数据通信时的时间差。
优选的，所述高压控制板和所述低压控制板之间的数据格式为：引导位+起始位+同步位+数据位。
优选的，所述低压控制板在接收到由所述高压控制板发送的一个数据帧后，通过引导位的电平的持续时间t0判断数据帧的开始；通过判断引导位的电平的变化来确定数据帧的起始位。
优选的，所述同步位在所述起始位之后，所述低压控制板在向所述高压控制板回传数据时，将所述同步位取反，所述高压控制板利用所述同步位的电平的变化来计算时间，同步位发送初始电平后计数器开始计时，同步位变为取反后的电平后计数器停止计时，从而得到时差值，时差值乘以所述高压控制板的时钟周期得到数据线的硬件和串行帧延时时间之和，即所述时间t；
高压控制板在延迟时间t后，再对原边桥臂电路发出驱动脉冲。
本实施例中，高压控制板与低压控制板均设有FPGA，高压控制板与低压控制板间为串行通讯，图1所示的原副边驱动脉冲均由高压控制板的FPGA产生，驱动脉冲如图3所示同步前的波形。低压控制板的FPGA只是对光纤解码数据中的驱动信号驱动对应的功率器件，为了实现前后时间同步，可以通过数据帧长来计算时间，但是发送和接收是两个不同程序，不好判断时间差。
本实施例中，在传输副边的驱动数据时增加一个变化的同步位，如图4为发送端串行数据格式，引导位占用时间t0、起始位占用时间t1、同步位占用时间t2、数据为占用时间t3到t5，低压控制板的FPGA接收到发送过来的串行数据，通过引导位高电平t0的时间判断该帧准备开始，通过判断是否是低电平来确定帧位开始检测，把同步位放在起始位后，发送端发送“1”(本实施例中，引导位为高电平，起始位为低电平，同步位由高压控制板发出时是高电平，在低压控制板接收后取反为低电平)，紧接着发送数据位，数据位中最后一位为停止位，发送完停止位此帧结束，继续下一帧。如图5所示低压板解码完成后再回传的帧中把同步位取”0”。在高压控制板FPGA顶层逻辑中利用增加的同步位变化来计算时间，同步位发送1后计数器开始计时，变为0后计算器停止计时，得到计算值乘以时钟周期就是光纤传输的硬件和串行帧延时时间之和t，高压控制板FPGA实时计算t7后，高压功率电路的驱动脉冲由FPGA延时t后在输出，而传输给低压的驱动脉冲由低压控制板的FPGA接收解码正常输出，这样在原副边驱动的时间上看就是同步输出，如图3所示同步后的波形。
实施例2：
实施例2所述的一种电力电子变压器中功率单元驱动的同步装置是与实施例1所述的一种电力电子变压器中功率单元驱动的同步方法配套的，包括高压控制板、低压控制板、原边桥臂电路和副边桥臂电路，高压控制板用于驱动原边桥臂电路；低压控制板用于驱动副边桥臂电路；高压控制板和低压控制板之间通过数据线进行通信。
优选的，所述原边桥臂电路包括原边桥臂1和原边桥臂2，原边桥臂1和原边桥臂2构成了原边的H桥电路，电容Cdc为原边的H桥电路的输入端的滤波电容；
所述副边桥臂电路包括副边桥臂1和副边桥臂2，副边桥臂1和副边桥臂2构成了副边的H桥电路，电容Cbus为副边的H桥电路的输出端的滤波电容。
优选的，所述原边桥臂1包括IGBT管Sp1和IGBT管Sp2，所述原边桥臂2包括IGBT管Sp3和IGBT管Sp4，IGBT管Sp1、IGBT管Sp2、IGBT管Sp3和IGBT管Sp4构成的所述原边的H桥电路的输入端包括输出端A和输出端B，输出端A通过串联连接的电容C1和电感L连接隔离变压器T的原边的一端，输出端B连接隔离变压器T的原边的另一端；
所述副边桥臂1包括IGBT管Ss1和IGBT管Ss2，所述副边桥臂2包括IGBT管Ss3和IGBT管Ss4，IGBT管Ss1、IGBT管Ss2、IGBT管Ss3和IGBT管Ss4构成的所述副边的H桥电路的输入端包括输入端C和输入端D，输入端C通过电容C2连接隔离变压器T的副边的一端，输入端D连接隔离变压器T的副边的另一端。
如图3所示，uAB即为输出端A和输出端B之间的电压，u’CD为输入端C和输入端D之间的电压。
本实施例中，IGBT管Sp1、IGBT管Sp2、IGBT管Sp3和IGBT管Sp4的控制端均由高压控制板的FPGA发出的PWM信号进行驱动控制，IGBT管Ss1、IGBT管Ss2、IGBT管Ss3和IGBT管Ss4的控制端均由低压控制板的FPGA发出的PWM信号进行驱动控制。
本实施例中，IGBT管Sp1的E极和IGBT管Sp2的C极连接在一起构成了输出端A；IGBT管Sp3的E极和IGBT管Sp4的C极连接在一起构成了输出端B；
IGBT管Sp1的C极和IGBT管Sp3的C极连接在一起构成了所述原边的H桥电路的输入端的一端，IGBT管Sp2的E极和IGBT管Sp4的E极连接在一起构成了所述原边的H桥电路的输入端的另一端；
IGBT管Ss1的E极和IGBT管Ss2的C极连接在一起构成了输入端C；IGBT管Ss3的E极和IGBT管Ss4的C极连接在一起构成了输入端D；
IGBT管Ss1的C极和IGBT管Ss3的C极连接在一起构成了所述副边的H桥电路的输出端的一端，IGBT管Ss2的E极和IGBT管Ss4的E极连接在一起构成了所述副边的H桥电路的输入端的另一端。
优选的，所述数据线为光纤。
本发明所述的一种电力电子变压器中功率单元驱动的同步方法及其装置，解决了链式电力电子变压器装置光纤传输延时的技术问题，本发明操作简单、适用性广，可以兼容目前市面上所有的中高压链式功率单元驱动单元，本发明通过增加同步位的方法计算数据帧的时差，计算精度高，特别适用在DAB这种原副边驱动时序要求较高的拓扑结构中。
在本发明中，流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种电力电子变压器中功率单元驱动的同步方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：建立电力电子变压器的功率单元电路，包括高压控制板、低压控制板、原边桥臂电路和副边桥臂电路，高压控制板和低压控制板之间通过数据线通信，高压控制板驱动原边桥臂电路，低压控制板驱动副边桥臂电路；
步骤2：高压控制板和低压控制板通过串行数据进行通信；
步骤3：高压控制板在发送数据时，在串行数据中增加一个同步位，用于对高压控制板发送的信息和低压控制板接收的信息进行时间同步；
步骤4：低压控制板在接收到高压控制板发送的数据后，对数据进行解码，并对解码出的同步位进行取反；
步骤5：低压控制板将解析出的同步位回传给高压控制板；
步骤6：高压控制板根据回传回来的同步位以及自身解码周期，计算出两次传输的时间t；
步骤7：高压控制板在对原边桥臂电路发出驱动脉冲时，首先进行延迟，延迟时间为时间t；
步骤8：低压控制板按照自身时间对副边桥臂电路发出驱动脉冲。
2.如权利要求1所述的一种电力电子变压器中功率单元驱动的同步方法，其特征在于：通过数据帧的长度计算所述高压控制板和所述低压控制板之间在数据通信时的时间差。
3.如权利要求1所述的一种电力电子变压器中功率单元驱动的同步方法，其特征在于：所述高压控制板和所述低压控制板之间的数据格式为：引导位+起始位+同步位+数据位。
4.如权利要求3所述的一种电力电子变压器中功率单元驱动的同步方法，其特征在于：所述低压控制板在接收到由所述高压控制板发送的一个数据帧后，通过引导位的电平的持续时间t0判断数据帧的开始；通过判断引导位的电平的变化来确定数据帧的起始位。
5.如权利要求4所述的一种电力电子变压器中功率单元驱动的同步方法，其特征在于：所述同步位在所述起始位之后，所述低压控制板在向所述高压控制板回传数据时，将所述同步位取反，所述高压控制板利用所述同步位的电平的变化来计算时间，同步位发送初始电平后计数器开始计时，同步位变为取反后的电平后计数器停止计时，从而得到时差值，时差值乘以所述高压控制板的时钟周期得到数据线的硬件和串行帧延时时间之和，即所述时间t；
高压控制板在延迟时间t后，再对原边桥臂电路发出驱动脉冲。
6.一种电力电子变压器中功率单元驱动的同步装置，其特征在于：包括高压控制板、低压控制板、原边桥臂电路和副边桥臂电路，高压控制板用于驱动原边桥臂电路；低压控制板用于驱动副边桥臂电路；高压控制板和低压控制板之间通过数据线进行通信。
7.如权利要求6所述的一种电力电子变压器中功率单元驱动的同步装置，其特征在于：所述原边桥臂电路包括原边桥臂1和原边桥臂2，原边桥臂1和原边桥臂2构成了原边的H桥电路，电容Cdc为原边的H桥电路的输入端的滤波电容；
所述副边桥臂电路包括副边桥臂1和副边桥臂2，副边桥臂1和副边桥臂2构成了副边的H桥电路，电容Cbus为副边的H桥电路的输出端的滤波电容。
8.如权利要求7所述的一种电力电子变压器中功率单元驱动的同步装置，其特征在于：所述原边桥臂1包括IGBT管Sp1和IGBT管Sp2，所述原边桥臂2包括IGBT管Sp3和IGBT管Sp4，IGBT管Sp1、IGBT管Sp2、IGBT管Sp3和IGBT管Sp4构成的所述原边的H桥电路的输入端包括输出端A和输出端B，输出端A通过串联连接的电容C1和电感L连接隔离变压器T的原边的一端，输出端B连接隔离变压器T的原边的另一端；
所述副边桥臂1包括IGBT管Ss1和IGBT管Ss2，所述副边桥臂2包括IGBT管Ss3和IGBT管Ss4，IGBT管Ss1、IGBT管Ss2、IGBT管Ss3和IGBT管Ss4构成的所述副边的H桥电路的输入端包括输入端C和输入端D，输入端C通过电容C2连接隔离变压器T的副边的一端，输入端D连接隔离变压器T的副边的另一端。
9.如权利要求6所述的一种电力电子变压器中功率单元驱动的同步装置，其特征在于：所述数据线为光纤。
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