CN114785095A - 一种功率变换电路及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种功率变换电路及控制方法，功率变换电路包括第一功率电路、第二功率电路、开关电路和主回路开关组成的主回路，以及采样电路、放电电路和软启电路组成的辅助回路；其中，辅助回路中增加软启开关控制软启电路的通断，在开关电路控制第一功率电路和第二功率电路进行串联模式或并联模式切换时，当软启开关和主回路开关断开，可以使第二端口与内部电路完全断开，对内部电容进行放电和串并联切换不会影响第二端口电压，不会导致第二端口负载损坏，同时，放电时第二端口的储能元件也不会对内部电容进行充电，可以将内部电池电压完全泄放。

Description

一种功率变换电路及控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种功率变换电路及控制方法。
背景技术
传统功率变换电路如图1所示，为实现宽恒功率电压范围，一般通过控制开关K1、K2、K3的开关状态，使功率电路1和功率电路2的输出工作在串联或并联模式。当输出电压较低时，K1断开，K2，K3闭合，功率电路1和功率电路2工作在并联模式；当输出电压较高时，K1闭合，K2，K3断开，功率电路1和功率电路2工作在串联模式。
现有技术的缺陷：
一般主回路滤波电路至少包含滤波电容和滤波电感，且滤波电容的容量比C1，C2小很多。当工作在并联模式时，滤波电容两端电压与C1，C2两端电压相同，工作在串联模式时，滤波电容两端电压为C1，C2两端电压之和。因此，工作模式由并联模式切换到串联模式时，滤波电容两端电压会冲高，此高压会通过软启电路反灌到DC端口，可能损坏与DC端口相连的负载。串联模式转并联模式时，如果C1，C2两端电压不一致，会有较大电流流过切换开关K2，K3，严重时可能导致K2，K3触点粘连。因此希望切换开关K1，K2，K3动作前把电容C1，C2和滤波电容上的电量泄放干净。但是当DC+，DC－接电池等储能元件时，尽管断开了主回路开关K4，但在对C1，C2和滤波电容放电的同时，电池也在通过软启电路对电容进行充电，因此很难将内部电容电量完全泄放。此外，现有技术方案中也存在电压采样方案缺陷：并联模式，上半支路、下半支路电压相同，为采样电路1或采样电路2的输出结果；串联模式，采样电路1的结果为下半支路电压，采样电路2减去采样电路1的结果为上半支路电压。但是当K1，K2，K3都断开时，上半支路电压无法采样到，因此无法判断该情况下电容C1的放电情况。最后，K1，K2，K3都断开时，放电电路无法对C1，C2放电。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种功率变换电路及控制方法。旨在解决现有技术方案中功率变换电路为实现宽恒功率电压范围在模式切换过程中不能将电容电量完全泄放，导致开关粘连的问题。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
本发明第一方面提供一种功率变换电路，用于实现第一端口和第二端口之间的功率传输，功率变换电路包括：主回路和辅助回路；其中：
主回路包括第一功率电路、第二功率电路、开关电路以及主回路开关；
第一功率电路和第二功率电路，用于实现功率变换电路中的功率变换，其中，第一功率电路的输出端并联连接有第一输出电容，第二功率电路的输出端并联连接有第二输出电容；
开关电路，用于实现第一功率电路和第二功率电路之间串联模式或并联模式的切换；
主回路开关，用于控制主回路的通断；
辅助回路包括采样电路、放电电路、软启电路和软启开关；
采样电路，用于对所述第一输出电容和所述第二输出电容的电容电压进行采样；
放电电路，用于对第一输出电容和第二输出电容的电容电量进行泄放；
软启电路，用于在主回路开关关闭时，对主回路进行软启控制；
软启开关，用于控制软启电路的通断。
进一步地，采样电路包括：
第一采样电路，用于采样获得第二输出电容的电压；
第二采样电路，用于采样获得第一输出电容的正极电压；
第三采样电路，用于采样获得第一输出电容的负极电压。
进一步地，还包括滤波电路，滤波电路设置于主回路中，用于滤除输出电压中的纹波。
进一步地，第一功率变换电路和第二功率变换电路位于第一端口处分别连接独立母线，或共用同一条母线。
进一步地，还包括辅助电源，辅助电源连接于第二端口处，第二端口用于连接储能设备，其中，所述辅助电路还可连接于其他供电电源。
进一步地，还包括平衡电路，平衡电路并联连接于第一输出电容的两端，用于平衡第一输出电容和第二输出电容上的阻抗。
进一步地，放电电路包括第一放电电路、第二放电电路和第三放电电路，
第一放电路，并联连接于主回路中，用于在开关电路连通时对第一输出电容和第二输出电容进行放电；
第二放电电路，并联连接于第一输出电容的两端，用于在开关电路关闭时对第一输出电容放电；
第三放电电路，并联连接于第二输出电容的两端，用于在开关电路关闭时对第二输出电容放电。
本发明第二方面提供一种控制方法，应用于如上的功率变换电路，用于实现功率变换电路的开机过程，控制方法包括：
控制主回路开关和软启开关进入断开状态，放电电路对第一输出电容、第二输出电容进行放电；
在放电结束时根据目标工作模式控制开关电路的通断，并控制软启开关进入导通状态，对第一输出电容、第二输出电容进行预充电；
在预充电完成时控制主回路开关进入导通状态，并控制第一功率电路和第二功率电路进入开启状态。
本发明第三方面提供一种控制方法，应用于如上的功率变换电路，用于实现功率变换电路的工作模式变换过程，控制方法包括：
在功率变换电路为开机状态时，控制第一功率电路和第二功率电路进入关闭状态，以及控制主回路开关和软启开关进入断开状态，放电电路对第一输出电容、第二输出电容进行放电；
在第一输出电容、第二输出电容的电容电压小于电容电压阈值时，控制开关电路的通断，触发切换第一功率电路与第二功率电路的连接模式；其中，连接模式包括串联模式以及并联模式；
控制软启开关进入导通状态，对第一输出电容、第二输出电容进行充电，然后在充电电压达到充电电压阈值时导通主回路开关，并控制第一功率电路和第二功率电路进入开启状态。
本发明第四方面提供一种控制方法，应用于如上的功率变换电路，用于实现功率变换电路的关机过程，控制方法包括：
控制第一功率电路和第二功率电路进入关闭状态，功率变换电路中的电流逐渐减小；
当主回路开关和软启开关通过的电流均减小到电流阈值时，控制放电电路对第一输出电容和第二输出电容进行放电，完成功率变换电路的关闭。
本发明中提供一种功率变换电路及控制方法，与现有技术相比，有益效果在于：功率变换电路包括第一功率电路、第二功率电路、开关电路和主回路开关组成的主回路，以及采样电路、放电电路和软启电路组成的辅助回路，其中软启电路配置有软启开关；基于该功率变换电路采用的控制方法，使在开关电路控制第一功率电路和第二功率电路进行串联/并联模式切换时，当软启开关和主回路开关断开，可以使第三端口与内部电路完全断开，对内部电容进行放电和串并联切换不会影响第二端口电压，不会导致第二端口负载损坏，同时，放电时第二端口的储能元件也不会对内部电容进行充电，可以将内部电池电压完全泄放。
附图说明
图1是传统功率变换电路的结构示意图；
图2是本发明第一实施例中功率变换电路的实施方式一；
图3是本发明第一实施例中功率变换电路的实施方式二；
图4是本发明第一实施例中功率变换电路的实施方式三；
图5是本发明第一实施例中功率变换电路的实施方式四；
图6是本发明第一实施例中功率变换电路的实施方式五；
图7是本发明第二实施例中控制方法的流程示意图；
图8是本发明第二实施例中控制方法的具体流程示意图；
图9是本发明第三实施例中控制方法的流程示意图；
图10是本发明第三实施例中控制方法的具体流程示意图；
图11是本发明第四实施例中控制方法的流程示意图；
图12是本发明第四实施例中控制方法的具体流程示意图。
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。
实施例1
本发明第一实施例提供一种功率变换电路，用于实现第一端口与第二端口之间的能量传输。在一些实施方式中，第一端口可以为BUS端口，第二端口为DC端口，DC端所连接负载为储能元件，本发明提供的功率变换电路，用于实现BUS端口和DC端口之间的能量传输，
如图2所示的功率变换电路结构示意图；该功率变换电路包括：主电路和辅助电路；其中：
主回路包括第一功率电路10、第二功率电路20、开关电路(图2所示包括第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3)以及主回路开关K4。
具体而言，第一功率电路10和第二功率电路20设置于BUS端口处，连接电源进行功率变换，在一些实施方式中，BUS端口包括第一BUS端口和第二BUS端口，其中，第一功率电路10连接于第一BUS端口，第二功率电路20连接于第二BUS端口，并在第一功率电路10的输出端并联连接有第一输出电容C1，在第二功率电路20的出处端并联连接有第二输出电容C2。
开关电路，用于实现第一功率电路10和第二功率电路20之间串联模式或并联模式的切换。在一些实施方式中，开关电路包括第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3，且满足：在输出电压较低时，第一开关K1断开，第二开关K2和第三开关K3闭合，此时第一功率电路10和第二功率电路20工作在并联模式；在输出电压较低时，第一开关K1闭合、第二开关K2和第三开关K3断开，此时第一功率电路10和第二功率电路20工作在串联模式。
主回路开关K4，设置于主回路中用于控制主回路的通断。
辅助回路包括采样电路(图2所示包括第一采样电路30、第二采样电路50和第三采样电路40)、放电电路(图2所示包括第一放电电路60)、软启电路80和软启开关K5；
具体而言，采样电路，用于对主回路中的电容电压进行采样。在一些实施方式中，采样电路包括第一采样电路30，第二采样电路50和第三采样电路40，其中，第一采样电路30用于采样获得第二输出电容C2的电压，第二采样电路50用于采样获得第一输出电容C1的正极电压，第三采样电路40用于采样获得第一输出电容C1的负极电压。通过第一采样电路30、第二采样电路50和第三采样电路40的电压采样，能够计算获取第一输出电容C1和第二输出电容C2的电压值，并可以根据该电压值进行判断，控制开关电路中开关的通断。
放电电路，用于对第一输出电容C1和第二输出电容C2的电容电量进行泄放。在一些实施方式中，功率电路中仅设置第一放电电路60，该第一放电电路60连接于DC端的正级和负极之间，能够在功率变换电路在串联模式或并联模式下完成对电容电量的泄放。
软启电路80，用于在主回路开关K4关闭时，对主回路进行软启控制。
软启开关K5，与软启电路80串联连接后设置于第一放电电路60与DC端口之间，软启开关K5用于控制软启电路的通断。
在一些实施方式中，功率变换电路还包括滤波电路70，用于在功率传输中，滤除整流输出电压中的纹波，其中，滤波电路70设置于第一放电电路60与软启电路80之间。
参阅图3，图3所示为本发明功率变换电路的其中一种实施方式，在图2所示电路结构的基础上，改变第一功率电路10和第二功率电路20原边的连接方式(图中未示出采样电路)。其中，第一功率电路10和第二功率电路20的原边共用一路母线，在其他实施方式中，第一功率电路10和第二功率电路20的原边连接于两条独立的母线，同样达到BUS端与DC端之间的能量传输的目的。
参阅图4，图4所示为本发明功率变换电路的其中一种实施方式，在图2所示电路结构的基础上增加辅助电源90。辅助电源90连接于DC端，DC端用于连接储能设备。辅助电源90能够从DC端口取电，这样在对第一输出电容C1、第二输出电容C2进行放电时不影响辅助电源90的工作。在一些其他实施方式中，辅助电源90还可以连接其他供电源头，除了从DC端口取电外，还可以从其他供电源头取电。
参阅图5，图5所示为本发明功率变换电路的其中一种实施方式，在图4所示电路结构的基础上增加平衡电路100，其中，平衡电路100并联连接于第一输出电容的两端。第一采样电路30、第二采样电路50和第三采样电路40一般由分压电阻构成，串联模式时，第一采样电路30和第三采样电路40都与第二输出电容C2相连，导致软启预充电是第一输出电容C1和第二输出电容C2上的电压不一致，第一输出电容C1的电压较高，第二输出电容C2的电压较低，因此，在第一输出电容C1两端增加平衡电路100，使第一输出电容C1和第二输出电容C2上连接的阻抗相等。
参阅图6，图6所示为本发明功率变换电路的其中一种实施方式，在图5所示电路结构的基础上增加第二放电电路200和第三放电电路300。其中，第二放电电路200并联连接于第一输出电容C1的两端，第二放电电路300并联连接于第二输出电容C2的两端，使第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3在断开时也能分别对第一输出电容C1和第二输出电容C2放电。
综上，本发明提供一功率变换电路，基于该功率变换电路能够实现：在开关电路控制第一功率电路和第二功率电路进行串联模式或并联模式切换时，当软启开关和主回路开关断开，可以使第二端口与内部电路完全断开，对内部电容进行放电和串并联切换不会影响第二端口电压，不会导致第二端口负载损坏，同时，放电时第二端口的储能元件也不会对内部电容进行充电，可以将内部电池电压完全泄放。
实施例2
本发明第二实施例提供一种控制方法，应用于如实施例1的功率变换电路，用于实现功率变换电路的开机过程，再此不再对电路结构赘述。参阅图7所示，该开机过程包括：
步骤701，控制主回路开关K4和软启开关K5进入断开状态，放电电路对第一输出电容C1、第二输出电容C2进行放电；
步骤702，在放电结束时根据目标工作模式控制开关电路的通断，并控制软启开关K5进入导通状态，对第一输出电容C1、第二输出电容C2进行预充电；
步骤703，在预充电完成时控制主回路开关K4进入导通状态，并控制第一功率电路10和第二功率电路20进入开启状态。
其中，在步骤703的放电过程中，可以根据第一输出电容C1、第二输出电容C2和总电压VAB判段是否因第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3的断开导致第一输出电容C1或第二输出电容C2无法放电，若是则导通相应开关并继续放电。
当经过第一次放电后，如果第一输出电容C1，第二输出电容C2电压以相似速率下降，且总电压VAB相近等于Vc1+Vc2，可以判定此时第一开关K1导通，第二开关K2，第三开关K3断开；如果第一输出电容C1电压下降速率较慢，可以认为第一开关K1及第二开关K2断开，第三开关K3导通；如果第二输出C2电压下降速率较慢，可以认为第一开关K1、第三开关K3断开，第二开关K2导通；如果第一输出电容C1和第二输出电容C2的电压下降速率都很慢，可以认为第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3都断开。对于后面三种情况，根据第一输出电容C1和第二输出电容C2的电压值来决定吸合哪几个开关来放电。如果第一输出电容C1和第二输出电容C2的电压相差不大，可以让第二开关K2和第三开关K3导通，第一开关K1断开，再进行放电；如果第一输出电容C1和第二输出电容C2电压相差较大，只能第一开关K1导通，第二开关K2和第三开关K3断开，再
进行放电。
在放电结束时根据目标工作模式控制开关切换模块的通断，并控制软启开关K5进入导通状态，对第一输出电容C1、第二输出电容C2及滤波电路70中的电容进行预充电。
其开启过程可参见图8所示的具体流程图。
实施例3
本发明第三实施例提供一种控制方法，应用于如实施例1的功率变换电路，用于实现功率变换电路工作模式的变换过程，再此不再对电路结构赘述。参阅图9所示，该工作模式的变换过程包括：
步骤801，在功率变换电路为开机状态时，控制第一功率电路10和第二功率电路20进入关闭状态，以及控制主回路开关K4和软启开关K5进入断开状态，放电电路60对第一输出电容C1、第二输出电容C2进行放电；
步骤802，在第一输出电容C1、第二输出电容C2的电容电压小于电容电压阈值时，控制开关电路的通断，触发切换第一功率电路10与第二功率电路20的连接模式；
步骤803，控制软启开关进入导通状态，对第一输出电容C1、第二输出电容C2进行充电，然后在充电电压达到充电电压阈值时导通主回路开关，并控制第一功率电路10和第二功率电路20进入开启状态。
该控制方法是对功率变换电路在开启状态时对第一功率电路10和第二功率电路20工作模式的切换过程；其中，该工作模式包括串联模式以及并联模式。其切换过程可参见图10所示的具体流程图。该切换过程使DC端口与内部电路完全断开，对内部电容进行放电和串并联切换不会影响DC端口电压，不会导致DC端口负载损坏，同时放电时DC端口的电池也不会对内部电容进行充电，可以将内部电池电压完全泄放。
实施例4
本发明第四实施例提供一种控制方法，应用于如实施例1的功率变换电路，用于实现功率变换电路的关闭过程，再此不再对电路结构赘述。参阅图11所示，该工作模式的变换过程包括：
步骤901，控制第一功率电路10和第二功率电路20进入关闭状态，功率变换电路中的电流逐渐减小；
步骤902，当主回路开关K4和软启开关K5通过的电流均减小到电流阈值时，控制放电电路60对第一输出电容C1和第二输出电容C2进行放电，完成功率变换电路的关闭。
需要说明的是，该关闭过程适用于功率变换电路的关闭过程，并非只能在进行工作模式切换后进行关闭，其关闭过程可参见图12的具体流程图。
以上实施例2、实施例3和实施例4包含了对功率变换电路的开机过程、模式切换过程和关机过程，在功率变换电路的开机过程中，主回路开关K4导通后即可断开软启开关K5；功率变换电路的关闭过程中，软启开关K5可以在第一、第二功率电路关闭前断开，并不影响电路的可靠性。即软启开关K5在主回路开关K4导通时断开就行，跟主功率电路工作与否关系不大。
综上，本发明提供一种控制方法，与现有技术相比的有益效果在于：
设置有采样电路能够在开关电路中的开关都断开的情况下对本发明中的第一输出电容和第二输出电容进行采样；通过在辅助电路中增加软启开关K5，当模块DC侧放电时，当主回路开关和软启开关K5断开，可以使DC端口与内部电路完全断开，对内部电容进行放电和串并联切换不会影响DC端口电压，不会导致DC端口负载损坏，同时放电时DC端口的电池也不会对内部电容进行充电，可以将内部电池电压完全泄放。
此处第一、第二……只代表其名称的区分，不代表它们的重要程度和位置有什么不同。
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)

1.一种功率变换电路，用于实现第一端口和第二端口之间的能量传输，其特征在于，包括：主回路和辅助回路；其中：
所述主回路包括第一功率电路、第二功率电路、开关电路以及主回路开关；
所述第一功率电路和所述第二功率电路，用于实现功率变换电路中的功率变换，其中，所述第一功率电路的输出端并联连接有第一输出电容，所述第二功率电路的输出端并联连接有第二输出电容；
所述开关电路，用于实现第一功率电路和第二功率电路之间串联模式或并联模式的切换；
所述主回路开关，用于控制所述主回路的通断；
所述辅助回路包括采样电路、放电电路、软启电路和软启开关；
所述采样电路，用于对所述第一输出电容以及所述第二输出电容的电容电压进行采样；
所述放电电路，用于对所述第一输出电容和所述第二输出电容的电容电量进行泄放；
所述软启电路，用于在所述主回路开关关闭时，对所述主回路进行软启控制；
所述软启开关，用于控制所述软启电路的通断。
2.根据权利要求1的功率变换电路，其特征在于，所述采样电路，包括：第一采样电路、第二采样电路和第三采样电路；
所述第一采样电路，用于采样获取所述第二输出电容的电压；
所述第二采样电路，用于采样获取所述第一输出电容的正极电压；
所述第三采样电路，用于采样获取所述第一输出电容的负极电压。
3.根据权利要求1的功率变换电路，其特征在于，还包括滤波电路，所述滤波电路设置于所述主回路中，用于滤除输出电压中的纹波。
4.根据权利要求2的功率变换电路，其特征在于，所述第一功率变换电路和所述第二功率变换电路位于所述第一端口处分别连接独立母线，或共用同一条母线。
5.根据权利要求3的功率变换电路，其特征在于，还包括辅助电源，所述辅助电源连接于所述第二端口处，所述第二端口用于连接储能设备，其中，所述辅助电源还可连接于其他供电电源。
6.根据权利要求4的功率变换电路，其特征在于，还包括平衡电路，所述平衡电路并联连接于所述第一输出电容的两端，用于平衡所述第一输出电容和所述第二输出电容上的阻抗。
7.根据权利要求5的功率变换电路，其特征在于，所述放电电路包括第一放电电路、第二放电电路和第三放电电路；
所述第一放电路，并联连接于主回路中，用于在开关电路连通时对第一输出电容和第二输出电容进行放电；
所述第二放电电路，并联连接于第一输出电容的两端，用于在开关电路关闭时对第一输出电容放电；
所述第三放电电路，并联连接于第二输出电容的两端，用于在开关电路关闭时对第二输出电容放电。
8.一种控制方法，用于实现功率变换电路的开机过程，其特征在于，应用于如权利要求1－7任意一项的功率变换电路，控制方法包括：
控制所述主回路开关和所述软启开关进入断开状态，放电电路对所述第一输出电容、所述第二输出电容进行放电；
在放电结束时根据目标工作模式控制所述开关电路的通断，并控制所述软启开关进入导通状态，对所述第一输出电容、所述第二输出电容进行预充电；
在预充电完成时控制所述主回路开关进入导通状态，并控制所述第一功率电路和所述第二功率电路进入开启状态。
9.一种控制方法，用于实现功率变换电路的工作模式变换过程，其特征在于，应用于如权利要求1－7任意一项的功率变换电路，控制方法包括：
在所述功率变换电路为开机状态时，控制所述第一功率电路和所述第二功率电路进入关闭状态，以及所述控制主回路开关和所述软启开关进入断开状态，所述放电电路对所述第一输出电容、所述第二输出电容进行放电；
在所述第一输出电容、所述第二输出电容的电容电压小于电容电压阈值时，控制所述开关电路的通断，触发切换所述第一功率电路与所述第二功率电路的连接模式；其中，所述连接模式包括串联模式以及并联模式；
控制所述软启开关进入导通状态，对所述第一输出电容、所述第二输出电容进行充电，然后在充电电压达到充电电压阈值时导通所述主回路开关，并控制所述第一功率电路和所述第二功率电路进入开启状态。
10.一种控制方法，用于实现功率变换电路的关机过程，其特征在于，应用于如权利要求1－7任意一项的功率变换电路，控制方法包括：
控制所述第一功率电路和所述第二功率电路进入关闭状态，所述功率变换电路中的电流逐渐减小；
当所述主回路开关和所述软启开关通过的电流均减小到电流阈值时，控制所述放电电路对所述第一输出电容和所述第二输出电容进行放电，完成所述功率变换电路的关闭。
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