CN113839554A - 一种开关电容变换器及其预充电方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种开关电容变换器及其预充电方法。在该预充电方法中，实时或周期性地检测开关电容变换器SSC中的谐振电容的目标参数；在目标参数小于等于预设值时，确定当前时刻下该SCC大于谐振电容的两端电压的最低电压等级，并控制该SCC工作于此最低电压等级的充电状态，即该SCC以当前时刻下大于该谐振电容的两端电压的最小电压向该谐振电容进行充电；因此从整体上看，该SCC可以分段对该谐振电容进行充电，从而该谐振电容的两端电压可以缓慢上升，即实现了对该谐振电容的预充电；另外，由于该开关电容变换器的预充电方法只是软件层面上的改进，并不涉及硬件层面的改进，所以该开关电容变换器的预充电方法使得SCC的预充电成本降低。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种开关电容变换器及其预充电方法。
背景技术
在开关电容变换器(Switched Capacitor Converter，SCC)正常工作之前，需要对SCC中的谐振电容进行预充电，使谐振电容具有初始电压，以满足SCC的正常启动要求，即：当SCC正常工作时，不会在谐振电容与SCC输入侧之间的回路中引起较大的电流冲击，从而对回路上的电力器件进行保护。
通常情况下，通过增设软启动回路，即增设限流支路，来使谐振电容两端的电压缓慢上升，从而实现对谐振电容的预充电。但是，额外增加电路会使得SCC的预充电成本增加，导致SCC的整体成本上升，不利于市场推广。
因此如何降低SCC的预充电成本是亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种开关电容变换器及其预充电方法，以降低SCC的预充电成本。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
本申请一方面提供一种开关电容变换器的预充电方法，包括：
实时或周期性地检测所述开关电容变换器SCC中的谐振电容的目标参数；
判断所述目标参数是否大于预设值；
若所述目标参数小于等于所述预设值，则确定当前时刻下所述SCC大于所述谐振电容的两端电压的最低电压等级，并控制所述SCC工作于所述最低电压等级的充电状态；
若所述目标参数大于所述预设值，则停止对所述谐振电容的预充电。
可选的，所述目标参数为所述谐振电容的两端电压，或者，谐振电容的荷电状态SOC。
可选的，确定当前时刻下所述SCC大于所述谐振电容的两端电压的最低电压等级，包括：
根据公式N×Ucf/Uin，或者，公式N×SOC/SOCo进行计算；其中，N等于所述SCC的电平数减1的差值，Ucf为所述谐振电容的两端电压，Uin为所述SCC的输入电压，SOC为所述谐振电容在当前时刻下的荷电状态，SOCo为所述谐振电容的额定荷电状态；
对上述计算结果进行向上取整运算，并加1得到所述最低电压等级。
可选的，控制所述SCC工作于所述最低电压等级的充电状态，包括：
确定与所述充电状态相对应的各脉冲信号；
分别向所述SCC的各控制端输出相应所述脉冲信号。
可选的，分别向所述SCC的各控制端输出相应所述脉冲信号，包括：
以同一预设占空比，分别向所述SCC的各控制端输出相应所述脉冲信号。
可选的，根据所述谐振电容的容值和所述SCC中谐振电感的感量，计算出满足所述SCC中充放电电流限值要求的所述预设占空比。
可选的，若所述SCC的输出端无源，则在控制所述SCC工作于所述最低电压等级的充电状态之后，还包括：
控制所述SCC工作于与所述充电状态相对应的放电状态。
本申请另一方面提供一种开关电容变换器，包括：主电路和控制器；其中：
所述主电路的输入端正极与第一电源的正极相连，所述主电路的输入端负极与第一电源的负极相连；
所述主电路受控于所述控制器，所述控制器用于执行如本申请上一方面任一项所述的开关电容变换器的预充电方法。
可选的，所述主电路的输出端正极与第二电源的负极相连，所述主电路的输出端负极与第二电源的正极相连。
可选的，所述SCC的输出电压包括N个等级；N为大于2的奇数。
由上述技术方案可知，本发明提供了一种开关电容变换器的预充电方法。在该开关电容变换器的预充电方法中，实时或周期性地检测开关电容变换器SSC中的谐振电容的目标参数；在目标参数小于等于预设值时，确定当前时刻下该SCC大于该谐振电容的两端电压的最低电压等级，并控制该SCC工作于此最低电压等级的充电状态，即：该SCC以当前时刻下大于该谐振电容的两端电压的最小电压向该谐振电容进行充电；因此从整体上看，该SCC可以分段对该谐振电容进行充电，从而该谐振电容的两端电压可以缓慢上升，即实现了对该谐振电容的预充电；另外，由于该开关电容变换器的预充电方法只是软件层面上的改进，并不涉及硬件层面的改进，所以该开关电容变换器的预充电方法使得SCC的预充电成本降低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的开关电容变换器的预充电方法的流程示意图；
图2为三电平SCC的结构示意图；
图3和图4分别为本申请实施例提供的开关电容变换器的预充电方法的另两种流程示意图；
图5a为三电平SCC处于第二电压等级的充电状态下的充电电流路径示意图；
图5b为三电平SCC处于第三电压等级的充电状态下的充电电流路径示意图；
图6a为分别向三电平SCC的各控制端输出的相应脉冲信号的示意图；
图6b为分别向三电平SCC的各控制端输出的相应脉冲信号的另一种示意图；
图7为本申请实施例提供的开关电容变换器的预充电方法的又一种流程示意图；
图8a为三电平SCC处于与第二电压等级的充电状态相对应的放电状态下的充电电流路径示意图；
图8b为三电平SCC处于与第三电压等级的充电状态相对应的放电状态下的充电电流路径示意图；
图9为分别向三电平SCC的各控制端输出的相应脉冲信号的又一种示意图；
图10a和图10b分别为本申请另一实施例提供的开关电容变换器的两种结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
为了降低SCC的预充电成本，本申请实施例提供一种开关电容变换器的预充电方法，其具体流程如图1所示，具体包括以下步骤：
S110、实时或周期性地检测SCC中谐振电容的目标参数。
以三电平SCC为例，其具体结构如图2所示，此处不对其具体结构和连接方式进行详细说明；其中，图2中的Cf即为谐振电容。
在实际应用中，实时检测使得后续的预充电过程更贴近设计工况，而周期检测，会对后续的预充电过程造成一些影响，比如，在一个周期内，在前半周期内，可以对谐振电容充电，在后半周期内，不能对谐振电容继续充电的情况，即：此时检测周期过长；不过，通过合理设置检测周期，也可避免此问题的出现；另外，周期检测相较于实时检测而言，周期检测更省电，并且有利于延长器件的使用寿命；因此，两者可根据实际情况进行选择，此处不做具体限定。
可选的，目标参数可以为谐振电容的两端电压，也可以为谐振电容的电荷状态(state ofcharge，SOC)，在实际应用中，包括但不限于上述实施方式，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内，可视具体情况而定。
S120、判断目标参数是否大于预设值。
由上述可知，目标参数为谐振电容的两端电压和谐振电容的SOC，因此，通过比较目标参数与预设值，可了解谐振电容的当前状态，进而了解到：以谐振电容的当前状态，启动该SCC，是否会引起电流冲击；换言之，是否谐振电容对谐振电容进行预充电。
在实际应用中，当目标参数小于等于预设值时，启动该SCC会引起电流冲击，即谐振电容需要预充电；当目标参数大于预设值时，启动该SCC不会引起电流冲击，即谐振电容不需要预充电。
因此，若目标参数小于等于预设值，则依次执行步骤S130和步骤S140；若目标参数大于预设值，则停止谐振电容的预充电。
S130、确定当前时刻下SCC大于谐振电容的两端电压的最低电压等级。
S140、控制SCC工作于最低电压等级的充电状态。
在实际应用中，只有当电源电压大于电容的两端电压时，电源才能向电容充电；因此，想要向谐振电容充电，必然需要SCC提供给谐振电容的电压大于其两端电压，即：此时，SCC所处的电压等级大于谐振电容的两端电压。
而选择当前时刻下SCC大于谐振电容的两端电压的最低电压等级，可以使得该SCC以当前时刻下大于该谐振电容的两端电压的最小电压向该谐振电容进行充电。
因此，从整体上看，该SCC可以分段对该谐振电容进行充电，从而该谐振电容的两端电压可以缓慢上升，即实现了对该谐振电容的预充电；另外，由于该开关电容变换器的预充电方法只是软件层面上的改进，并不涉及硬件层面的改进，所以该开关电容变换器的预充电方法使得SCC的预充电成本降低。
在本申请另一实施例中，如图3所示，步骤S130的一种具体实施方式，具体包括以下步骤：
S210、根据公式N×Ucf/Uin进行计算。
其中，N等于SCC的电平数减1的差值，Ucf为谐振电容的两端电压，Uin为SCC的输入电压。
S220、对上述计算结果进行向上取整运算，并加1得到SOC的最低电压等级。
比如，以三电平SCC为例，假设该SCC的三个电平，即三个电压等级，分别为：0V、500V、1000V；当该谐振电容的两端电压为400V，则N×Ucf/Uin＝2×400÷1000＝0.8，向上取整后等于1，即最低电压等级为第二等级，即该SCC以500V电压向该谐振电容充电。
在步骤S210中，还可以将公式N×Ucf/Uin换成，公式N×SOC/SOCo；其中，SOC为谐振电容在当前时刻下的荷电状态，SOCo为谐振电容的额定荷电状态。
在实际应用中，包括但不限于上述两种实施方式，此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本申请的保护范围内。
在本申请另一实施例中，如图4所示，步骤S140的一种具体实施方式，具体包括以下步骤：
S310、确定与上述充电状态相对应的各脉冲信号。
S320、分别向SCC的各控制端输出相应脉冲信号。
以三电平SCC为例，其具体结构如图2所示，在工作过程中，其状态可分为充电状态和放电状态；其中，充电状态又分为两种，分别为：第二电压等级的充电状态、第三电压等级的充电状态。
在该SCC处于第二电压等级的充电状态下，充电电流路径如图5a中的带箭头的虚线所示，其中，谐振电容的左端电位为Uin/2、右端电位近似为0；在该SCC处于第三电压等级的充电状态下，充电电流路径如图5b中的带箭头的虚线所示，其中谐振电容的左端电位为Uin、右侧电位近似为0。
需要说明的是，第一电压等级为0V，相当于不对谐振电容进行充电，即没有把他算成一种充电状态。
由上述充电电流路径可知，与第二电压等级的充电状态相对应的各脉冲信号分别为：输入到第一开关管T1和第二开关管T2的脉冲信号均为高电平，输入到第三开关管T3和第四开关管T4的脉冲信号均为低电平；与第三电压等级的充电状态相对应的各脉冲信号分别为：输入到第一开关管T1的脉冲信号为高电平，输入到第二开关管T2、第三开关管T3和第四开关管T4的脉冲信号均为低电平。
因此，以SCC的三个电压等级，分别为：0V、500V、1000V，且该谐振电容的两端电压为400V为例，步骤S320中分别向SCC的各控制端输出的相应脉冲信号，如图6a所示，在第一阶段，SCC处于第二电压等级的充电状态，在第二阶段，SCC处于第三电压等级的充电状态。
在本申请另一实施例中，步骤S320的一种具体实施方式为：以同一预设占空比，分别向SCC的各控制端输出相应脉冲信号。
在本实施例中，输出的脉冲信号与上一实施例相同，此处不再赘述，可参见上述说明。
而不同之处在于，在本实施例中，输出脉冲信号是以同一预设占空比输出的，最终输出的信号如图6b所示；相较于上一实施例而言，以预设占空比输出脉冲信号，可以限制充电回路上电流，从而可以极大地限制冲击电流。
其中，在本实施例中，可以根据谐振电容的容值和SCC中谐振电感的感量，计算出满足SCC中充放电电流限值要求的预设占空比；此计算为现有技术中较为成熟的技术，此处不再赘述。
在本申请另一实施例中，如图7所示，若SCC的输出端无源，则在步骤S140之后，还包括以下步骤：
S410、控制SCC工作于与充电状态相对应的放电状态。
具体而言，步骤S410的具体实施方式与S140的具体实施方式相同，此处不再赘述。
仍以三电平SCC为例，其具体结构如图2所示，其中，放电状态又分为两种，分别与第二电压等级的充电状态、第三电压等级的充电状态相对应。
在与第二电压等级的充电状态相对应的放电状态下，放电电流路径如图8a中的带箭头的虚线所示，其中，谐振电容的左端电位为Uin/2、右端电位近似为0；在与第三电压等级的充电状态相对应的放电状态下，放电电流路径如图8b中的带箭头的虚线所示，其中，谐振电容的左端电位近似为0、右端电位近似为Uin。
由上述放电电流路径可知，控制SCC处于与第二电压等级的充电状态相对应的放电状态下的各脉冲信号分别为：输入到第三开关管T3的脉冲信号为高电平，输入到第一开关管T1、第二开关管T2和第四开关管T4的脉冲信号均为高电平；控制SCC处于与第三电压等级的充电状态相对应的放电状态下的各脉冲信号分别为：输入到第一开关管T1和第二开关管T2的脉冲信号均为低电平，输入到第三开关管T3和第四开关管T4的脉冲信号均为高电平。
需要说明的是，在SCC的输出端无源时，增加步骤S410，在对谐振电容进行预充电的同时，同步实现对于SCC中的输出电容Co(如图2所示)的预充电。
因此，以SCC的三个电压等级，分别为：0V、500V、1000V，且该谐振电容的两端电压为400V为例，步骤S410中分别向SCC的各控制端输出的相应脉冲信号，如图9所示，在第一阶段之后的第三阶段，SCC处于与第二电压等级的充电状态相对应的放电状态，在第二阶段之后的第四阶段，SCC处于与第三电压等级的充电状态相对应的放电状态。
本申请另一实施例提供一种开关电容变换器，其具体结构可参见图10a(图中仅以三电平SCC为例进行展示)，具体包括：主电路10和控制器20。
在该开关电容变换器中，主电路10的输入端正极与第一电源30的正极相连，主电路10的输入端负极与第一电源30的负极相连，并且，主电路10受控于控制器20；控制器20用于执行如上述实施例提供的开关电容变换器的预充电方法。
可选的，可参见图10b(图中仅以三电平SCC为例进行展示)，主电路10的输出端可以与第二电源40相连，即SCC的输出端有源，具体为：主电路10的输出端正极可以与第二电源40的负极相连，主电路10的输出端负极可以与第二电源40的正极相连；也可以不与任何电源相连，即SCC的输出端无源；此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本申请的保护范围内。
可选的，SCC的输出电压包括N个等级，其中N为大于2的奇数；此处不对其做具体限定，可视具体情况而定，均在本申请的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种开关电容变换器的预充电方法，其特征在于，包括：
实时或周期性地检测所述开关电容变换器SCC中的谐振电容的目标参数；
判断所述目标参数是否大于预设值；
若所述目标参数小于等于所述预设值，则确定当前时刻下所述SCC大于所述谐振电容的两端电压的最低电压等级，并控制所述SCC工作于所述最低电压等级的充电状态；
若所述目标参数大于所述预设值，则停止对所述谐振电容的预充电。
2.根据权利要求1所述的开关电容变换器的预充电方法，其特征在于，所述目标参数为所述谐振电容的两端电压，或者，谐振电容的荷电状态SOC。
3.根据权利要求1所述的开关电容变换器的预充电方法，其特征在于，确定当前时刻下所述SCC大于所述谐振电容的两端电压的最低电压等级，包括：
根据公式N×Ucf/Uin，或者，公式N×SOC/SOCo进行计算；其中，N等于所述SCC的电平数减1的差值，Ucf为所述谐振电容的两端电压，Uin为所述SCC的输入电压，SOC为所述谐振电容在当前时刻下的荷电状态，SOCo为所述谐振电容的额定荷电状态；
对上述计算结果进行向上取整运算，并加1得到所述最低电压等级。
4.根据权利要求1所述的开关电容变换器的预充电方法，其特征在于，控制所述SCC工作于所述最低电压等级的充电状态，包括：
确定与所述充电状态相对应的各脉冲信号；
分别向所述SCC的各控制端输出相应所述脉冲信号。
5.根据权利要求4所述的开关电容变换器的预充电方法，其特征在于，分别向所述SCC的各控制端输出相应所述脉冲信号，包括：
以同一预设占空比，分别向所述SCC的各控制端输出相应所述脉冲信号。
6.根据权利要求5所述的开关电容变换器的预充电方法，其特征在于，根据所述谐振电容的容值和所述SCC中谐振电感的感量，计算出满足所述SCC中充放电电流限值要求的所述预设占空比。
7.根据权利要求1-6任一项所述的开关电容变换器的预充电方法，其特征在于，若所述SCC的输出端无源，则在控制所述SCC工作于所述最低电压等级的充电状态之后，还包括：
控制所述SCC工作于与所述充电状态相对应的放电状态。
8.一种开关电容变换器，其特征在于，包括：主电路和控制器；其中：
所述主电路的输入端正极与第一电源的正极相连，所述主电路的输入端负极与第一电源的负极相连；
所述主电路受控于所述控制器，所述控制器用于执行如权利要求1-7任一项所述的开关电容变换器的预充电方法。
9.根据权利要求8所述的开关电容变换器，其特征在于，所述主电路的输出端正极与第二电源的负极相连，所述主电路的输出端负极与第二电源的正极相连。
10.根据权利要求8或9所述的开关电容变换器，其特征在于，所述SCC的输出电压包括N个等级；N为大于2的奇数。
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