CN113541488B - Boost斩波电路、保护电路、控制方法、设备及车辆 - Google Patents

Boost斩波电路、保护电路、控制方法、设备及车辆 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力电子设备领域，提供了一种Boost斩波电路、短保护电路、控制方法、设备及车辆。其中，所述保护电路包括微处理器，其用于输出控制信号至外部逻辑处理电路；外部逻辑处理电路，其用于将Boost斩波电路的输出电流分别与过流保护设定值和短路保护设定值进行比较，根据比较结果与所述控制信号生成对应驱动控制信号至PWM驱动电路，从而在设定时间内对开关器件进行相应保护；PWM驱动电路，其用于根据驱动控制信号来驱动Boost斩波电路中的开关器件的通断。其能够提高Boost斩波电路的可靠性。

Description

Boost斩波电路、保护电路、控制方法、设备及车辆
技术领域
本发明属于电力电子设备领域，尤其涉及一种Boost斩波电路、保护电路、控制方法、设备及车辆。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
在功率半导体器件的应用中，由SiC功率器件在开关频率、通态阻抗和结温等方面的性能能够达到Si基功率器件的3倍，这些特性使得其能够工作在较高的开关频率的同时显著的提升变换器的效率。特别是在中高压场合以SiC半导体器件为代表的功率器件能够大幅度降低器件损耗，减小变换器的体积重量。
传统Boost斩波电路拓扑使用Si基功率器件作为主开关管，由于Boost斩波电路不能短路，发明人发现，若将SiC功率器件应用到Boost斩波电路中则受到诸多因素的制约，比如同等级的SiC半导体器件耐电流冲击能力要远小于Si基器件，一般Si IGBT的短路时间一般要长于10μs，而Si MOSFET的短路时间通常小于3μs，因而控制器需在小于3μs的时间内对系统进行保护，目前的电路无法达到小于3μs的短时间快速对系统的保护，从而影响Boost斩波电路的可靠性。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明的第一个方面提供一种Boost斩波电路，其能够显著提升瞬态抗冲击能力，同时系统允许输出短路。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种Boost斩波电路，其包括主电感、高频半桥、低频部和输出电容；所述高频半桥包括串联连接的第一开关器件和第二开关器件；所述低频部包括第三开关器件、第四开关器件和RC并联网络，第四开关器件和RC并联网络后再与第三开关器件并联连接；
所述主电感的一端与直流输入电源的正极相连，另一端与高频半桥的中点连接，所述高频半桥与低频部串联连接，高频半桥的另一端与直流输入电源的负极相连，低频部的另一端为Boost斩波电路的输出端，所述输出电容并联在Boost斩波电路的输出端。
作为一种实施方式，第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件为Si MOSFET、Si IGBT、SiC MOSFET或SiC IGBT。
需要说明的是，第一开关器件和第二开关器件包括但不限于SiC MOSFET(硅金属氧化物半导体场效应晶体管)、SiC或Si IGBT(硅基绝缘栅双极型晶体管)反并联SiC二极管、SiC二极管，第一开关器件和第二开关器件的工作频率为2kHz～500kHz。第三开关器件和第四开关器件包括但不限于Si MOSFET、Si IGBT反并联二极管或SiC相应开关器件，工作频率为0Hz～10kH。第一开关器件和第二开关器件与主电感构成高频通路。低频部为高阻或低阻低频通路。
作为一种实施方式，第四开关器件为快恢复二极管，其他开关器件为Si MOSFET、Si IGBT、SiC MOSFET或SiC IGBT。
本发明的第二个方面提供一种基于如上述所述的Boost斩波电路的保护电路，其包括：
微处理器，其用于输出控制信号至外部逻辑处理电路；
外部逻辑处理电路，其用于将Boost斩波电路的输出电流分别与过流保护设定值和短路保护设定值进行比较，根据比较结果与所述控制信号生成对应驱动控制信号至PWM驱动电路，从而在设定时间内对开关器件进行相应保护；
PWM驱动电路，其用于根据驱动控制信号来驱动Boost斩波电路中的开关器件的通断。
作为一种实施方式，所述外部逻辑处理电路包括两个比较器，比较器的正输入端均接收Boost斩波电路的输出电流，一个比较器的负输入端连接过流保护设定值，另一个比较器的负输入端连接短路保护设定值。
上述技术方案的优点在于，利用比较器来实现输出电流与过流保护设定值和短路保护设定值的比较的结构简单且易于实现。
作为一种实施方式，所述外部逻辑处理电路包括RS触发器、或门和反相器；
RS触发器的S端连接所述输出电流与短路保护设定值的比较结果，R端连接微处理器的复位信号，输出端连接或门的一个输入，或门的另一个输入连接所述输出电流与过流保护设定值的比较结果；或门输出信号分别直接和经反相器反相后作为低频部的驱动控制信号。
上述技术方案的优点在于，R端连接微处理器的复位信号，这样通过微处理器复位锁死状态，从而在高速开关器件中简化了微处理器的需求，实现了Boost斩波电路的高速保护。
作为一种实施方式，所述外部逻辑处理电路还包括两个与门，其一个输入均为反相器的输出，其中一个与门的另一个输入为微控制器的第一控制信号，另一个与门的另一个输入为微控制器的第二控制信号。
作为一种实施方式，所述PWM驱动电路中的驱动器数量，与Boost斩波电路中需要驱动控制的开关器件的数量相同。
本发明的第三个方面提供一种如上述所述的保护电路的控制方法，其包括：
将Boost斩波电路的输出电流分别与过流保护设定值和短路保护设定值进行比较：
若输出电流小于过流保护设定值，则Boost斩波电路进入正常工作状态；
若输出电流大于过流保护设定值且小于短路保护设定值，则驱动控制第四开关器件导通，其他开关器件均断开，使得Boost斩波电路进入保护状态，电路进入保护状态后，当输出电流小于过流保护设定值时，Boost斩波电路工作回归到正常工作状态；
若输出电流大于短路保护设定值，则驱动控制第四开关器件导通，其他开关器件均断开，使得Boost斩波电路进入保护状态，直至输出电流小于过流保护设定值时，Boost斩波电路工作回归到正常工作状态。
本发明的第四个方面提供一种电力电子设备，其包括如上述所述的保护电路。
本发明的第五个方面提供一种车辆，其包括如上述所述的电力电子设备。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的Boost斩波电路包括主电感、高频半桥、低频部和输出电容，其中，高频半桥包括串联连接的第一开关器件和第二开关器件，低频部包括第三开关器件、第四开关器件和RC并联网络，第四开关器件和RC并联网络后再与第三开关器件并联连接，能够为瞬态能量释放提供回路，提高了瞬态抗冲击能力，允许输出短路。
(2)本发明利用外部逻辑处理电路将Boost斩波电路的输出电流分别与过流保护设定值和短路保护设定值进行比较，根据比较结果与所述控制信号生成对应驱动控制信号至PWM驱动电路，从而在设定时间内对开关器件进行相应保护，实现了Boost斩波电路输出短路，过流逐波限流功能、短路保护锁死功能及Boost斩波电路的高速保护。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例的Boost斩波电路的保护电路原理图；
图2为本发明实施例提供的Boost斩波主电路原理图；
图3为本发明实施例提供的另一种Boost斩波主电路原理图；
图4为本发明实施例提供的过流与短路保护逻辑电路原理图；
图5为本发明实施例提供的过流与短路保护时序图及控制方法。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
本实施例提供了一种Boost斩波电路，其包括主电感、高频半桥、低频部和输出电容；所述高频半桥包括串联连接的第一开关器件和第二开关器件；所述低频部包括第三开关器件、第四开关器件和RC并联网络，第四开关器件和RC并联网络后再与第三开关器件并联连接。
下面以主电感为L1，第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件分别为SH1、SH2、SL1和SL2，RC并联网络中的电阻为R1，电容为C1，输出电容为C2来详细说明本实施例的Boost斩波电路。
参照图2和图3，本实施例的Boost斩波电路中的主电感L1连接在输入电源的正极，主电感L1的输出端连接有SH1和SH2；SH1另一端连接SL1相连；SH2另一端连接输入电源负极；SL1和SH2相连接，SH2的另一端与并联的电阻电容R1和C1相连，R1和C1构成RC并联网络，RC并联网络的另一端与SL1相连，同时与并联连接的输出电容C2和负载相连接，输出电容C2的另一端与电源负极相连。
在本实施例中，R1为串联电感能量释放电阻，其计算公式如下：
Figure BDA0003136245990000071
其中Vo为输出电压，Vin为输入电压，Im为设定的最大释放电流；
C1为瞬态能量释放提供回路，其与R1构成RC吸收回路，设吸收时间常数为τ。
其中，
Figure BDA0003136245990000072
需要说明的是，第一开关器件和第二开关器件包括但不限于SiC MOSFET(硅金属氧化物半导体场效应晶体管)、SiC或Si IGBT(硅基绝缘栅双极型晶体管)反并联SiC二极管、SiC二极管，第一开关器件和第二开关器件的工作频率为2kHz～500kHz。第三开关器件和第四开关器件包括但不限于Si MOSFET、Si IGBT反并联二极管或SiC相应开关器件，工作频率为0Hz～10kH。第一开关器件和第二开关器件与主电感构成高频通路。低频部为高阻或低阻低频通路。
如图3所示，在本实施例中，第四开关器件为快恢复二极管，其他开关器件为SiMOSFET、Si IGBT、SiC MOSFET或SiC IGBT。这样并不影响整体的Boost斩波电路的性能。
实施例二
本实施例提供一种基于如上述实施一所述的Boost斩波电路的保护电路，其至少包括：
微处理器，其用于输出控制信号至外部逻辑处理电路；
外部逻辑处理电路102，其用于将Boost斩波电路的输出电流分别与过流保护设定值和短路保护设定值进行比较，根据比较结果与所述控制信号生成对应驱动控制信号至PWM驱动电路，从而在设定时间内对开关器件进行相应保护；
PWM驱动电路103，其用于根据驱动控制信号来驱动Boost斩波电路中的开关器件的通断。
参照图1，所述Boost斩波电路的保护电路还可以包括AD转换模块(101)，其用于采集输出电压电流等信号给微处理器(MCU)对输出电压电流进行闭环控制；
电压电流转换电路(104)，其用于对输出电压电流进行隔离转化成MCU能够处理的电压信号；
DA转换电路(105)，其用于将MCU传递过来的数字信号转换成模拟信号作为运放输入的比较值，从而进行过流与短路处理。
在具体实施中，所述外部逻辑处理电路包括两个比较器，比较器的正输入端均接收Boost斩波电路的输出电流，一个比较器的负输入端连接过流保护设定值，另一个比较器的负输入端连接短路保护设定值。所述外部逻辑处理电路包括RS触发器、或门和反相器及两个与门。
参照图4，MCU_PWM1与MCU_PWM2为MCU发出的Boost斩波电路的控制信号；DA_OVER为过流保护设定值，其由MCU控制DA模块输出，DA_SHOT为短路保护设定值，由MCU控制DA模块输出；DA_OVER与DA_SHOT分别经过比较器(比如迟滞比较器)与输出电流进行比较，第一比较器U1输出的信号送给或门U4的一个输入信号，第二比较器U2输出的信号送给RS触发器U3，RS触发器的另一个输入信号为MCU_RST，由MCU发出，RS触发器的输出信号Q连接或门U4的另一个输入，U4输出的信号分成两路，一路通过驱动器驱动SL2开关器件，另外一路为反相器U7，U7输出的信号一路通过驱动器驱动SL1开关器件；U7输出的信号另一路分别与MCU发出的Boost斩波电路控制信号MCU_PWM1与MCU_PWM2通过第一与门U5与第二与门U6作与运算，U5与U6的信号分别通过驱动器U8、U9驱动SH1、SH2开关器件。
本实施例利用比较器来实现输出电流与过流保护设定值和短路保护设定值的比较的结构简单且易于实现，而且R端连接微处理器的复位信号，这样通过微处理器复位锁死状态，从而在高速开关器件中简化了微处理器的需求，实现了Boost斩波电路的高速保护。
在具体实施中，所述PWM驱动电路中的驱动器数量，与Boost斩波电路中需要驱动控制的开关器件的数量相同。
例如，在图1中PWM驱动电路由四个驱动器构成。
实施例三
本实施例提供了一种如上述实施例二所述的保护电路的控制方法，其包括：
将Boost斩波电路的输出电流分别与过流保护设定值和短路保护设定值进行比较：
若输出电流小于过流保护设定值，则Boost斩波电路进入正常工作状态；
若输出电流大于过流保护设定值且小于短路保护设定值，则驱动控制第四开关器件导通，其他开关器件均断开，使得Boost斩波电路进入保护状态，电路进入保护状态后，当输出电流小于过流保护设定值时，Boost斩波电路工作回归到正常工作状态；
若输出电流大于短路保护设定值，则驱动控制第四开关器件导通，其他开关器件均断开，使得Boost斩波电路进入保护状态，直至输出电流小于过流保护设定值时，Boost斩波电路工作回归到正常工作状态。
经上述短路与过流保护电路的控制方法，Boost斩波电路的工作状态包括下列三个状态：
状态一：当输出电流小于设定电流DA_OVER，比较器U1输出为低电平，比较器U2输出为低电平，触发器输出为低电平，U7输出为高电平，与门U5、U6的输出信号分别与MCU_PWM1、MCU_PWM2相同，SL1输出为高电平，SL2输出为低电平，如图1所示，SL1直接导通，此时电路等效为经典Boost斩波电路，Boost斩波电路进入正常工作状态。
状态二：当输出电流大于设定电流DA_OVER，小于设定DA_SHOT电流时，比较器U1输出为高电平，比较器U2输出为低电平，MCU_RST为低电平，触发器U3输出为低电平，U4两路输入一路为高电平一路为低电平，因此，U4输出为高电平，U7输出为低电平，与门U5与U6均有一路输入为低电平，驱动信号SH1与SH2均为低电平，SL1为低电平，SL2为高电平，SL2导通，Boost斩波电路输入输出串联了高阻值电路R1，电路进入保护状态,电路进入保护状态后，若输出电流小于设定电流DA_OVER，电路工作回归到状态一，比较器U1输出为低电平，比较器U2输出为低电平，触发器输出为低电平，U7输出为高电平，与门U5、U6的输出信号分别与MCU_PWM1、MCU_PWM2相同，SL1输出为高电平，SL2输出为低电平，此时Boost斩波电路进入正常工作状态，在输出电流小于DA_SHOT区间内通过调整迟滞比较值可使电路工作在逐波限流状态。
状态三：当输出电流大于设定电流DA_SHOT电流时，比较器U1输出为高电平，比较器U2输出为高电平，MCU_RST为低电平，触发器U3输出为高电平，U4两路输入均为高电平，因此，U4输出为高电平，U7输出为低电平，与门U5与U6均有一路输入为低电平，驱动信号SH1与SH2均为低电平，SL1为低电平，SL2为高电平，SL2导通，Boost斩波电路输入输出串联了高阻值电路R1，电路进入保护状态。
电路进入保护状态后，若输出电流小于设定电流DA_OVER或DA_SHOT，比较器U2输出为低电平，触发器两路输入均为低电平，触发器进入锁存状态，触发器U3输出为高电平，U4两路输入均为高电平，因此，U4输出为高电平，U7输出为低电平，与门U5与U6均有一路输入为低电平，驱动信号SH1与SH2均为低电平，SL1为低电平，SL2为高电平，SL2导通，Boost斩波电路输入输出串联了高阻值电路R1，Boost斩波电路不会自动退出保护状态，电路处于保护锁死状态，若微处理器检测到短路状态解除，此时可通过微处理器控制MCU_RST发出高电平，解除RS触发器锁存状态，逻辑保护电路状态回归到状态一。
如图5所示，在正常工作保护时序逻辑图，在t1时刻前，输出电流I_OUT大于DA_OVER,Boost斩波电路正常工作，SH1与SH2驱动按照Boost斩波电路调制策略互补发波，SL1导通，SL2断开，对应上述所述状态一；
到t1时刻电路发生了过流故障，SH1与SH2均断开，SL1断开，SL2导通，输入输出进入高阻，电路进入过流保护状态，对应上述所述状态二，在t2时刻，输出电流I_OUT小于DA_OVER，电路工作状态回归状态一，Boost斩波电路正常工作；
到t3时刻电路发生了短路故障，SH1与SH2均断开，SL1断开，SL2导通，输入输出进入高阻，电路进入短路保护状态，对应上述所述状态三，因此，尽管在t4时刻，输出电流小于DA_OVER，保护状态维持不变；在t5时刻，MCU_RST发出复位信号且输出电流小于DA_OVER，电路回归状态一，SH1与SH2驱动按照Boost斩波电路调制策略互补发波，SL1导通，SL2断开。
实施例四
本实施例提供了一种电力电子设备，其包括如上述实施例二所述的保护电路。
实施例五
本实施例提供了一种车辆，其包括如上述实施例四所述的电力电子设备。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于Boost斩波电路的保护电路，其特征在于，包括：
Boost斩波电路，包括主电感、高频半桥、低频部和输出电容；所述高频半桥包括串联连接的第一开关器件和第二开关器件；所述低频部包括第三开关器件、第四开关器件和RC并联网络，第四开关器件和RC并联网络相连 后再与第三开关器件并联连接；所述主电感的一端与直流输入电源的正极相连，另一端与高频半桥的中点连接，所述高频半桥与低频部串联连接，高频半桥的另一端与直流输入电源的负极相连，低频部的另一端为Boost斩波电路的输出端，所述输出电容并联在Boost斩波电路的输出端；
微处理器，其用于输出控制信号至外部逻辑处理电路；
外部逻辑处理电路，其用于将Boost斩波电路的输出电流分别与过流保护设定值和短路保护设定值进行比较，根据比较结果与所述控制信号生成对应驱动控制信号至PWM驱动电路，从而在设定时间内对开关器件进行相应保护；
所述外部逻辑处理电路包括RS触发器、或门和反相器；RS触发器的S端连接所述输出电流与短路保护设定值的比较结果，R端连接微处理器的复位信号，输出端连接或门的一个输入，或门的另一个输入连接所述输出电流与过流保护设定值的比较结果；或门输出信号分别直接和经反相器反相后作为低频部的驱动控制信号；
所述外部逻辑处理电路还包括两个与门，其一个输入均为反相器的输出，其中一个与门的另一个输入为微控制器的第一控制信号，另一个与门的另一个输入为微控制器的第二控制信号；
PWM驱动电路，其用于根据驱动控制信号来驱动Boost斩波电路中的开关器件的通断。
2.如权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件为SiMOSFET、SiIGBT、SiC MOSFET或SiCIGBT。
3.如权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述第四开关器件为快恢复二极管，其他开关器件为Si MOSFET、Si IGBT、SiCMOSFET或SiC IGBT。
4.如权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述外部逻辑处理电路包括两个比较器，比较器的正输入端均接收Boost斩波电路的输出电流，一个比较器的负输入端连接过流保护设定值，另一个比较器的负输入端连接短路保护设定值。
5.如权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述PWM驱动电路中的驱动器数量，与Boost斩波电路中需要驱动控制的开关器件的数量相同。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述的保护电路的控制方法，其特征在于，包括：
将Boost斩波电路的输出电流分别与过流保护设定值和短路保护设定值进行比较：
若输出电流小于过流保护设定值，则Boost斩波电路进入正常工作状态；
若输出电流大于过流保护设定值且小于短路保护设定值，则驱动控制第四开关器件导通，其他开关器件均断开，使得Boost斩波电路进入保护状态，电路进入保护状态后，当输出电流小于过流保护设定值时，Boost斩波电路工作回归到正常工作状态；
若输出电流大于短路保护设定值，则驱动控制第四开关器件导通，其他开关器件均断开，使得Boost斩波电路进入保护状态，直至输出电流小于过流保护设定值时，Boost斩波电路工作回归到正常工作状态。
7.一种电力电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-5中任一项所述的保护电路。
8.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求7所述的电力电子设备。
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