CN113241938A - 一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制方法及电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电路过流保护技术领域，提供一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制方法及电路，应用于飞跨电容式双向三电平功率变换器系统，其中，方法包括：获取系统电流，并判断所述系统电流是否超过预设的电流阈值；若所述系统电流超过所述预设的电流阈值，则将上桥臂的三角调制波第一状态调制为第二状态；检测所述系统电流是否持续超过所述预设的电流阈值，若持续超过所述预设的电流阈值，则强制关断所述上桥臂，下一周期再次开启；若连续多个周期检测到所述系统电流未超过所述预设的电流阈值，则将所述上桥臂的三角调制波从所述第二状态调制为所述第一状态。解决了飞跨电容电压难以控制的问题，提高了系统对电流的控制能力。

Description

一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制方法及电路
技术领域
本发明属于电路过流保护技术领域，尤其涉及一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制方法及电路。
背景技术
飞跨电容式三电平双向功率变换拓扑常用于以储能系统为代表的能量双向流动系统中，实现双向功能变换。针对负载侧出现瞬时短路情况，常用的方案主要采用逐脉冲限流控制。
针对图1所示的飞跨电容拓扑，以Sa1和Sa2为分析对象，其导通时序如图2所示，当系统电流过流时，强制关闭Sa1和Sa2的驱动信号，以使电感电流下降。但是在下一个周期开始时，Sa1管要先于Sa2管导通。构成的回路会给飞跨电容再次充电，同时也会使电感电流增大。如果系统负载持续短路，驱动脉冲持续封锁并于下一个周期打开，飞跨电容将持续进行充电，从而导致飞跨电容过压。如果在驱动时，使Sa1的三角波滞后于Sa2的三角波180°，将导致飞跨电容在脉冲封锁后，下一个开关周期驱动信号恢复时进行放电。连续多个周期工作后，将导致飞跨电容电压欠压。可见，现有技术中，对于负载侧出现瞬时短路导致系统过流时，存在飞跨电容电压难控制的问题。
发明内容
本发明提供一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制方法，旨在解决现有技术中，对于负载侧出现瞬时短路导致系统过流时，存在飞跨电容电压难控制的问题。
本发明是这样实现的，提供一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制方法，应用于飞跨电容式双向三电平功率变换器系统，包括以下步骤：
获取系统电流，并判断所述系统电流是否超过预设的电流阈值；
若所述系统电流超过所述预设的电流阈值，则将上桥臂的三角调制波第一状态调制为第二状态；
检测所述系统电流是否持续超过所述预设的电流阈值，若持续超过所述预设的电流阈值，则强制关断所述上桥臂，下一周期再次开启；
若连续多个周期检测到所述系统电流未超过所述预设的电流阈值，则将所述上桥臂的三角调制波从所述第二状态调制为所述第一状态。
更进一步地，还包括与所述上桥臂串联的下桥臂，所述上桥臂包括串联的第一功率管与第二功率管，所述下桥臂包括串联的第三功率管与第四功率管。
更进一步地，所述第一状态为所述第一功率管与所述第二功率管的三角调制波相差180°。
更进一步地，所述第二状态为所述第一功率管与所述第二功率管的三角调制波同频同相。
更进一步地，所述将第一功率管与第二功率管的三角调制波第一状态调制为第二状态的步骤包括：
当所述第二状态为所述第一功率管与所述第二功率管的三角调制波同频同相时，所述第一功率管与所述第二功率管的驱动信号相同，所述第三功率管与所述第四功率管的驱动信号相同，变换器由三电平变换为双电平工作，所述系统电流不经过飞跨电容，所述飞跨电容的电压保持稳定。
更进一步地，所述将所述第一功率管与所述第二功率管的三角调制波从所述第二状态调制为所述第一状态的步骤包括：
当所述第一状态为所述第一功率管与所述第二功率管的三角调制波相差180°时，所述第一功率管超前于所述第二功率管导通，所述系统电流流经所述第一功率管、飞跨电容、所述第三功率管反并联二极管以及电感，构成回路。
本发明还提供一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制电路，应用于飞跨电容式双向三电平功率变换器系统，电路包括上桥臂、下桥臂，飞跨电容、电感、第一滤波电容以及第二滤波电容，其中，
所述上桥臂与所述下桥臂串联后，所述上桥臂连接高端输入电压正极，所述下桥臂连接高端输入电压负极以及高端输入电压负极；
所述飞跨电容与所述上桥臂及所述下桥臂形成并联；
所述电感一端连接在所述上桥臂与所述下桥臂之间，另一端连接在低端输入电压正极；
所述第一滤波电容连接在所述高端输入电压正极与所述高端输入电压负极之间；
所述第二滤波电容连接在所述低端输入电压正极与所述高端输入电压负极之间。
更进一步地，所述上桥臂包括串联的第一功率管与第二功率管，所述下桥臂包括串联的第三功率管与第四功率管，所述上桥臂与所述下桥臂串联。
更进一步地，所述第一功率管、所述第二功率管、所述第三功率管以及所述第四功率管均反向并联二极管。
更进一步地，所述飞跨电容一端连接在第一功率管的发射极与第二功率管的集电极之间，另一端连接在所述第三功率管的发射极与所述第四功率管的集电极之间。
本发明所达到的有益效果：本发明因为通过逐脉冲限流对飞跨电容进行电压控制，在检测到系统中出现过流(系统电流超过预设的电流阈值)情况时，将系统中的上桥臂的三角调制波从当前的第一状态直接调制到第二状态。当处于第二状态时，由于系统电流不经过飞跨电容，因此飞跨电容的电压保持稳定状态，直到连续多个周期检测出系统电流不再出现过流现象时，再将上桥臂的第二状态调回至第一状态对飞跨电容进行充电，恢复到三电平工作状态。所以，本发明通过对上桥臂的状态进行调制后，使飞跨电容不会在多个连续的周期进行充电，导致过流状态，从而解决了飞跨电容三电平直流拓扑逐脉冲限流工作时飞跨电容电压难以控制的问题，提高了系统对电流的控制能力。
附图说明
图1是现有技术提供的飞跨电容式双向三电平功率变换器拓扑图；
图2是现有技术提供的一种飞跨电容式双向三电平功率变换器的波形图；
图3是本发明提供的一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制方法的流程图；
图4是本发明提供的一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制电路的波形图；
图5是本实施例提供的另一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制电路的电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有技术中，对于负载侧出现瞬时短路导致系统过流时，存在飞跨电容电压难以控制的问题。而本发明因为通过逐脉冲限流对飞跨电容进行电压控制，在检测到系统中出现过流(系统电流超过预设的电流阈值)情况时，将系统中的上桥臂的三角调制波从当前的第一状态直接调制到第二状态。当处于第二状态时，由于系统电流不经过飞跨电容，因此飞跨电容的电压保持稳定状态，直到连续多个周期检测出系统电流不再出现过流现象时，再将上桥臂的第二状态调回至第一状态对飞跨电容进行充电，恢复到三电平工作状态。所以，本发明通过对上桥臂的状态进行调制后，使飞跨电容不会在多个连续的周期进行充电，导致过流状态，从而解决了飞跨电容三电平直流拓扑逐脉冲限流工作时飞跨电容电压难以控制的问题，提高了系统对电流的控制能力。
实施例一
参考图3所示，图3为本发明提供的一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制方法的流程图。本实施例提供一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制方法，应用于飞跨电容式双向三电平功率变换器系统，包括以下步骤：
S1、获取系统电流，并判断系统电流是否超过预设的电流阈值。
其中，上述的飞跨电容式双向三电平功率变换器系统可以包括但不限于燃料电池供电系统，且双向的变换器可以实现双向(交流与直流)能量的提供。
具体的，上述预设的电流阈值可以是指变换器提前设定的一个电流阈值，作为安全阈值。上述的系统电流可以通过电流检测装置进行检测，获取到系统电流后可以自动与预设的电流阈值进行比较，判断是否过流。当系统通电后，可以通过电流检测装置检测系统电流。
S2、若系统电流超过预设的电流阈值，则将上桥臂的三角调制波第一状态调制为第二状态。
其中，参考图1所示，上桥臂包括串联的第一功率管Sa1与第二功率管Sa2。上述的控制方法适用的系统还包括与上桥臂串联的下桥臂。下桥臂包括串联的第三功率管Sa3与第四功率管Sa4。上述第一状态可以是第一功率管Sa1与第二功率管Sa2的三角调制波相差180°对应的状态；第二状态可以是第一功率管Sa1与第二功率管Sa2的三角调制波同频同相对应的状态。
具体的，参考图4所示，图4是本发明提供的一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制电路的波形图。若检测系统处于过流状态，为了控制电路中电感的电流下降，将相差180°的第一功率管Sa1的三角调制波与第二功率管Sa2的三角调制波调制为上述的第二状态，也即是将第一功率管Sa1的三角调制波与第二功率管Sa2的三角调制波调制为频率相同，相位相同的状态。
在同频同相时，第一功率管Sa1与第二功率管Sa2的驱动信号(图4中Sig1为第一功率管Sa1的驱动信号，Sig2为二功率管Sa2的驱动信号)相同，第三功率管Sa3与第四功率Sa4的驱动信号相同。此时变换器由三电平变换为双电平工作，系统电流不经过飞跨电容Ch1，飞跨电容Ch1的电压保持稳定，因此不会存在持续充电出线过流状态，从而起到了保护作用。
其中，三电平可以预先初始化，例如：三电平分别为高电平u1/2，零电平0，以及低电平u2/2，u1表示高端输入电压正负极之间的电压，u2表示低端输入电平之间的电压。上述的双电平包括高电平与低电平。
S3、检测系统电流是否持续超过预设的电流阈值，若持续超过预设的电流阈值，则强制关断上桥臂，下一周期再次开启。
若将第一功率管Sa1与第二功率管Sa2的三角调制波从第一状态调制第二状态后，继续进行多次检测，检测出系统电流还是持续超过预设的电流阈值，则执行强制关闭第一功率管Sa1与第二功率管Sa2，直到下一周期继续开启重新调制。
S4、若连续多个周期检测到系统电流未超过预设的电流阈值，则将上桥臂的三角调制波从第二状态调制为第一状态。
当然，若在多个周期进行连续的电流检测，对比发现连续检测n次均未超过预设的电流阈值，则可以将第一功率管Sa1与第二功率管Sa2的三角调制波从第二状态调制到第一状态，为飞跨电容Ch1进行充电，其中，n大于等于2。参考图2所示，因第一功率管Sa1与第二功率管Sa2的三角调制波调制到相差180°时，第一功率管Sa1超前于第二功率管Sa2导通，系统电流流经第一功率管Sa1、飞跨电容Ch1、第三功率管Sa3反并联二极管以及电感L1，构成回路，以实现对飞跨电容Ch1的充电。
更具体的，因将第一功率管Sa1与第二功率管Sa2的三角调制波调制从相差180°调制到同频同相时，系统电流不流过飞跨电容Ch1，飞跨电容Ch1两端的电压处于稳定；将同频同相调制到相差180°时再为飞跨Ch1电容Ch1充电，而不是持续多次的充电，所以不会导致飞跨电容Ch1持续充电，导致过压的问题，从而实现了限流，提升了系统对电流的控制能力。
需要说明的是，本发明实施例还适用于飞跨电容三电平变换器拓扑及其衍生拓扑中。如图5所示，为飞跨电容三电平变换器拓扑的一种衍生拓扑图。准确的说，图5为双向升降压飞跨电容拓扑图。从图5中可见，在基础的拓扑电路中增加一个新桥臂(Sc1、Sc2、Sc3以及Sc4组成)以及并联在新桥臂上的飞跨电容Ch2，将两个桥臂通过电感L1进行连接，在高端输入电压正负极并联的Cdc1以及在低压输入端电压正负极并联的Cdc2不变。通过图5的拓扑图可以实现双向升降压。
在本发明实施例中，通过逐脉冲限流对飞跨电容Ch1进行电压控制，在检测到系统中出现过流情况时，将系统中的第一功率管Sa1与第二功率管Sa2的三角调制波调制从相差180°调制到同频同相，使得系统电流不经过飞跨电容Ch1，因此飞跨电容Ch1的电压保持稳定状态，直到连续多个周期检测出系统电流不再出现过流现象时，再从同频同相位调制到相差180°，通过系统电流对飞跨电容Ch1进行充电，恢复到三电平工作状态。所以，本发明通过对上桥臂的状态进行调制后，使飞跨电容Ch1不会在多个连续的周期进行充电，导致过流状态，从而解决了飞跨电容三电平直流拓扑逐脉冲限流工作时飞跨电容Ch1电压难以控制的问题，提高了系统对电流的控制能力。
实施例二
继续参考图4所示，本实施例提供的一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制电路，应用于飞跨电容式双向三电平功率变换器系统，电路包括上桥臂、下桥臂，飞跨电容Ch1、电感L1、第一滤波电容Cdc1以及第二滤波电容Cdc2。
其中，上桥臂包括串联的第一功率管Sa1与第二功率管Sa2，下桥臂包括串联的第三功率管Sa3与第四功率管Sa4，上桥臂与下桥臂串联。第一功率管Sa1、第二功率管Sa2、第三功率管Sa3以及第四功率管Sa4均反向并联二极管(在发射极与集电极之间并联二极管)。
其中，上桥臂与下桥臂串联后，上桥臂连接高端输入电压正极，下桥臂连接高端输入电压负极以及高端输入电压负极。高端输入电压正极与高端输入电压负极位于第一滤波电容Cdc1一侧。
其中，飞跨电容Ch1与上桥臂及下桥臂形成并联。具体的，飞跨电容Ch1一端连接在第一功率管Sa1的发射极与第二功率管Sa2的集电极之间，另一端连接在第三功率管Sa3的发射极与第四功率管Sa4的集电极之间。通过飞跨电容Ch1可以实现电路的充放电，即储能放能作用。
其中，上述电感L1一端连接在上桥臂与下桥臂之间，另一端连接在低端输入电压正极，通过电感L1可以阻交流通直流，而第二滤波电容Cdc2可以阻直流通交流，且第二滤波电容Cdc2连接在低端输入电压正极与高端输入电压负极之间，所以电感L1与第二滤波电容Cdc2可以组成LC滤波电路。
其中，第一滤波电容Cdc1连接在高端输入电压正极与高端输入电压负极之间。参考图2所示，为了控制系统电流过流，需要强制关闭第一功率管Sa1与第二功率管Sa2，以降低电感L1的电流。在下一个周期开始时，母线的电流依次会流经第一功率管Sa1、飞跨电容Ch1、第三功率管Sa3反并联二极管以及电感L1，从而构成回路，对飞跨电容Ch1进行冲充电。
具体的，首先对系统电流进行检测，若出现上述的过流情况，则将系统中的第一功率管Sa1与第二功率管Sa2的三角调制波调制从相差180°调制到同频同相，使得系统电流不经过飞跨电容Ch1，因此飞跨电容Ch1的电压保持稳定状态。若持续多次检测还是出现过流情况，则直接断开第一功率管Sa1与第二功率管Sa2，下一个周期再开启。若连续多个周期检测出系统电流不再出现过流现象时，再从同频同相位调制到相差180°，通过系统电流对飞跨电容Ch1进行充电，恢复到三电平工作状态。
在本发明实施例中，通过逐脉冲限流对飞跨电容Ch1进行电压控制，在检测到系统中出现过流情况时，将系统中的第一功率管Sa1与第二功率管Sa2的三角调制波调制从相差180°调制到同频同相，使得系统电流不经过飞跨电容Ch1，因此飞跨电容Ch1的电压保持稳定状态，直到连续多个周期检测出系统电流不再出现过流现象时，再从同频同相位调制到相差180°，通过系统电流对飞跨电容Ch1进行充电，恢复到三电平工作状态。所以，本发明通过对上桥臂的状态进行调制后，使飞跨电容Ch1不会在多个连续的周期进行充电，导致过流状态，从而解决了飞跨电容三电平直流拓扑逐脉冲限流工作时飞跨电容Ch1电压难以控制的问题，提高了系统对电流的控制能力。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制方法，应用于飞跨电容式双向三电平功率变换器系统，其特征在于，包括以下步骤：
获取系统电流，并判断所述系统电流是否超过预设的电流阈值；
若所述系统电流超过所述预设的电流阈值，则将上桥臂的三角调制波第一状态调制为第二状态；
检测所述系统电流是否持续超过所述预设的电流阈值，若持续超过所述预设的电流阈值，则强制关断所述上桥臂，下一周期再次开启；
若连续多个周期检测到所述系统电流未超过所述预设的电流阈值，则将所述上桥臂的三角调制波从所述第二状态调制为所述第一状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制方法，其特征在于，还包括与所述上桥臂串联的下桥臂，所述上桥臂包括串联的第一功率管与第二功率管，所述下桥臂包括串联的第三功率管与第四功率管。
3.根据权利要求2所述的一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制方法，其特征在于，所述第一状态为所述第一功率管与所述第二功率管的三角调制波相差180°。
4.根据权利要求2所述的一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制方法，其特征在于，所述第二状态为所述第一功率管与所述第二功率管的三角调制波同频同相。
5.根据权利要求4所述的一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制方法，其特征在于，所述将第一功率管与第二功率管的三角调制波第一状态调制为第二状态的步骤包括：
当所述第二状态为所述第一功率管与所述第二功率管的三角调制波同频同相时，所述第一功率管与所述第二功率管的驱动信号相同，所述第三功率管与所述第四功率管的驱动信号相同，变换器由三电平变换为双电平工作，所述系统电流不经过飞跨电容，所述飞跨电容的电压保持稳定。
6.根据权利要求3所述的一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制方法，其特征在于，所述将所述第一功率管与所述第二功率管的三角调制波从所述第二状态调制为所述第一状态的步骤包括：
当所述第一状态为所述第一功率管与所述第二功率管的三角调制波相差180°时，所述第一功率管超前于所述第二功率管导通，所述系统电流流经所述第一功率管、飞跨电容、所述第三功率管反并联二极管以及电感，构成回路。
7.一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制电路，应用于飞跨电容式双向三电平功率变换器系统，其特征在于，电路包括上桥臂、下桥臂，飞跨电容、电感、第一滤波电容以及第二滤波电容，其中，
所述上桥臂与所述下桥臂串联后，所述上桥臂连接高端输入电压正极，所述下桥臂连接高端输入电压负极以及高端输入电压负极；
所述飞跨电容与所述上桥臂及所述下桥臂形成并联；
所述电感一端连接在所述上桥臂与所述下桥臂之间，另一端连接在低端输入电压正极；
所述第一滤波电容连接在所述高端输入电压正极与所述高端输入电压负极之间；
所述第二滤波电容连接在所述低端输入电压正极与所述高端输入电压负极之间。
8.根据权利要求7所述的一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制电路，其特征在于，所述上桥臂包括串联的第一功率管与第二功率管，所述下桥臂包括串联的第三功率管与第四功率管，所述上桥臂与所述下桥臂串联。
9.根据权利要求8所述的一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制电路，其特征在于，所述第一功率管、所述第二功率管、所述第三功率管以及所述第四功率管均反向并联二极管。
10.根据权利要求8所述的一种基于混合调制的变换器逐脉冲限流控制电路，其特征在于，所述飞跨电容一端连接在第一功率管的发射极与第二功率管的集电极之间，另一端连接在所述第三功率管的发射极与所述第四功率管的集电极之间。
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