CN1416209A - 一种直流变换电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种直流变换电路及其控制方法，包括主电路及控制电路，所述主电路采用多重电路即由多个相同的直流变换模块构成，并由同一个控制电路集中控制，各模块的功率开关元件的受控端与控制电路的控制驱动信号相连，且各模块的控制驱动信号波形被逐个移相一定角度，整个装置能有效地减小输出滤波器的容量，减小输出纹波。

Description

一种直流变换电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种直流变换装置及其控制方法，特别是一种基于单片机的控制方法及装置。

背景技术

现有DC-DC变换技术采用一个半桥式电路作为主电路，所需的IGBT电压等级较高，如1500VDC的供电系统需用3300V的IGBT。而这种IGBT的开通压降较高，如果采用较高的开关频率，损耗又较大。采用这种电路形式实现的变换装置输出纹波也较大，输出滤波器的容易要求也较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种DC变换装置及其控制方法，实现小功率元器件合理集成解决大功率需求，同时简化电路，增加可靠性，降低输出纹波。

其技术方案如下：包括主电路及控制电路，所述主电路采用多重电路即由多个相同的直流变换模块构成，并由同一个控制电路集中控制的方法，实现本发明的目的。

主电路包括二个或二个以上的直流变换模块，主电路采用多重直流变换电路模块串联输入、串联输出的连接方案解决高压输入、高压输出的大功率直流变换的需求；主电路的多重直流变换电路模块用串联输入、并联输出的连接方案解决高压输入、低压输出的大功率直流变换的需求；主电路的多重直流变换电路模块用并联输入、串联输出的连接方案解决低电压输入，高电压输出的大功率直流变换的需求；主电路的多重直流变换电路模块用并联输入、并联输出的连接方案解决对低压或中低压输入/输出的大功率直流变换的需求。各模块的功率开关元件的受控端与控制电路3的控制驱动信号相连。

控制电路3包括微处理器(CPU)5、A/D转换电路6、移相电路8、脉冲分配电路7和通信接口电路9；多重直流变换模块的各模块输出电流、输入电压、输出电压模拟量经A/D转换电路6处理后输入至微处理器6，该微处理器6根据获取的数字量信息产生控制各直流变换模块中功率开关元件如IGBT的脉冲触发信号，并同时将其送至脉冲分配电路7和移相电路8；移相电路8将脉冲触发信号移相一定角度后送至脉冲分配电路7，该脉冲分配电路7将多路相位角不同的脉冲驱动信号分别送至多重直流变换电路的相应模块中的功率开关元件如IGBT的控制极，从而完成对多重电路的集中控制；通信接口电路9则完成与外部通信接口的功能。

微处理器是按以下办法对多重电路进行控制的：

步骤1：从A/D转换电路输入各直流变换模块的输出电流值或电压值至微处理器5；

步骤2：由各模块输出电流值或电压值确定各模块开关元件PWM驱动脉冲波形的占空比，具体方法是在整个直流变换装置的额定输出电压、电流范围内，以其中一个模块的占空比为基准，分别调整模块1、模块2……模块n的PWM驱动脉冲波形的占空比；从而输出n个占空比单独可调的PWM波形；

步骤3：对输出的多个PWM波进行选择移相处理，即以其中一个波形为基准，其它各波形在移相电路中依次移相一定的角度，同时输出至脉冲分配电路；

步骤4：脉冲分配电路将选择移相后的多路PWM波分别输出至各直流变换模块的开关元件控制端。

附图说明

图1为本发明主电路原理框图；

图2为控制电路原理框图；

图3为一个直流变换模块驱动波形示意图；

图4为均流控制波形示意图；

图5为实施例控制电路原理框图；

图6为实施例主电路原理图；

图7为实施例移相电路原理图；

图8为移相时序图。

具体实施方式

如图1-8所示：以包括2个模块的主电路及其控制电路、控制方法为例：

本实施例采用双模块并联集中控制方式，主电路两个直流变换模块采取串联联输入、并联输出的方式即模块1、模块2的输入端串联于输入正极和输入负极之间，输出端并联于输出正极和输出负极之间。

图6为实施例主电路原理图；主电路为串联输入、并联输出的2个半桥电路的双模块DC-DC电路形式，DC1500V直流电压经电阻器R0对电容器C1、C2构成的第一串联支路充电，该第一串联支路将DC1500V分成2个DC750V分别提供给2个逆变桥；K为接触器，电阻器R1、R2、R3、R4构成的第二串联支路与第一串联支路并联；电容器C3、C4、C5、C6构成与第一串联支路并联的串联移相电容电路；VD1、VD2、VD3、VD4是IGBT或其它功率开关元件，构成2个逆变桥，将DC750V逆变成20KHZ的高频方波，再分别经T1、T2高频变压器隔离降压、然后经全波整流后，由L1、L2、C7滤波输出。

图5为实施例控制电路原理框图。控制电路3包括微处理器(CPU)5、A/D转换电路6、移相电路8、脉冲分配电路7和通信接口电路9；多重直流变换模块的各模块输出电流、输入电压、输出电压模拟量经A/D转换电路6处理后输入至微处理器6，该微处理器6根据获取的数字量信息产生控制各直流变换模块中功率开关元件如IGBT的脉冲触发信号，并同时将其送至脉冲分配电路7和移相电路8；移相电路8将脉冲触发信号移相一定角度后送至脉冲分配电路7，该脉冲分配电路7将多路相位角不同的脉冲驱动信号分别送至多重直流变换电路的相应模块中的功率开关元件如IGBT的控制极，从而完成对多重电路的集中控制；通信接口电路9由则完成与外部通信接口的功能。还包括：数字量电路20，它主要完成对主电路的各种状态信息如IGBT故障、接触器的各种状态、散热器的温度等的传递；输出驱动信号采用了光纤；状态信息电路21，它主要采集并反映整个DC-DC装置的状态信息；LED/LCD显示信号电路，它将所述微处理器5的显示信号传输给LED/LCD电路；所述通信接口电路9包括RS485接口电路22，该RS485接口电路22包含2个RS485接口，其中一个具备电气隔离作用，另外一个则不具备；LIFE信号电路是外部复位信号。为了增强转换的准确度，减少干扰的影响，除了在硬件上须用π型滤波外，在软件的设计上采用了平均值法和中值法相结合的方法。输出电压、输出电流以及充电电流为本系统的3个闭环控制环节。模块1和模块2的输出电流参与均流调节。控制系统具备IGBT故障、接触器故障、散热器过热、变压器故障等保护功能。

在本实施例中，微处理器5采用80C196MC。微处理器6产生2个半桥的PWM驱动波形。当开关频率20KHZ，要保证上下管死区，而且2个模块的驱动波形保证同步的情况下，还要单独可调，利用80C196MC的波形发生器就可以解决这个问题；模块间驱动波形的移相问题的提出和解决：由于双模块输出并联，如模块间的驱动波形相差90°，就相当于使整流波形的频率提高1倍，就能有效减小输出电压纹波，减小输出滤波器的容量。

80C196MC是专门为电机高速控制所设计的1种16位微控制器，它由1个C196核心、1个三相波形发生器WFG和若干其他片内外设包括1个A/D转换器、1-个事件处理阵列(EPA)、2个定时器和1个脉宽调制单元(2个PWM输出)构成。片内波形发生器WFG(Wave Form Generator)是80C196  独具的特点之一。这一外设装置大大简化了用于产生同步脉宽调制波形的控制软件和外部硬件。波形发生器有3个同步的PWM模块，可产生3对PWM波形，但这3对PWM波形有共同的载波频率、无信号时间(死区)和操作方式。波形发生器能产生2种PWM波形、4种工作方式[中心对准的PWM(工作方式0和1)和边沿对准PWM，图3为中心对准PWM波形，从图中可以看出：改变三角波的宽度可以改变输出波频率；改变PWM波的占空比控制参数值COMPX的大小就可以改变一对PWM上下开关管的占空比，每一对PWM对应一个COMPX值，即每一对PWM波的占空比可以单独调；如果COMPX处于三角波的中心线，则上下波形一样宽，改变死区值(DT)则可以改变波形的占空比。对于半桥式DC-DC功率变换器的开关管可以利用此波形来驱动，工作中通过改变死区值(DT)来改变开关管的波形的占空比，以达到调节输出电压的目的。

尽管每一对PWM波形的COMPX可以单独调节，但改变COMPX也就改变上下管波形的宽度，会使得上下管占空比不一致，也就不能满足DC-DC变换器开关的要求。而波形发生器的3对波都对应着一个死区值，如果用了对PWM的2对PWM波去驱动2个DC-DC变换器模块，则2个DC-DC模块的驱动波形完全一样，不能做到单独可调，就不能解决2个DC-DC模块并联时的均流调节问题。

图4为均流控制波形示意图；解决双模块并联的均流问题：如死区时间(DT)保持COMP1不变，用WG1和/WG1作为一个半桥驱动波形，而用/WG2和WG3作为另一个半桥的驱动波形，通过同时改变COMP2和COMP3来保证该半桥上下管的波形占空比完全一致，也通过改变COMP2和COMP3来单独调节一个DC-DC变换器模块脉宽，从而达到双模块并联时的单独调节功能。并且用一个CPU同时控制2个模块也为移向控制提供条件。其中WG1、/WG1、/WG2和WG3均为微处理器5的80C196MC片内脉冲信号；COMP1、COMP2和COMP3分别是三个PWM波的占空比控制参数。

图7为实施例移相电路原理图，图8为移相时序图；双模块DC-DC变换器并联时如果模块间的相位相差90°，对于输出的滤波就相当开关频率提高1倍，能有效的减小输出纹波，减小输出滤波器的容量。82C54是专用定时器芯片，它有3个独立的16位计数器，都是可编程计数器，通过对其编程，可以实现各种方式的计数器。82C54共有6种工作方式，其中方式5为硬件触发方式，它是当GATE脚的信号出现正跳变时触发计数器计数，当计数器减到0时，OUT输出一个宽度为一个CLK周期的负脉冲。其中的计数值是在初始化时写入计数寄存器中的。CLK接到CPU的时钟输出端，GATE信号为驱动脉冲信号。其中*/WG2和*/WG3分别是/WG2和WG3的倒向波形，WG1、/WG1与DM3、DM4分别是2个半桥的驱动波形，DC-OUT是理想的双模块并联的整流输出波形。/WG2和WG3组成PWM驱动形与WG1和/WG1组成的驱动波形同相，而DM3和DM4组成的驱动波形与WG1和/WG1组成的驱动波形相位相差90°。

脉冲分配电路7将来自移相电路8的多路相位角不同的脉冲驱动信号分别送至多重直流变换电路的相应模块中的功率开关元件如IGBT的控制极，从而完成对多重电路的集中控制。

其具体控制步骤如下：

步骤1：从A/D转换电路6输入两个直流变换模块的输出电流值至微处理器5；

步骤2：由两个模块的输出电流值确定各模块开关元件PWM驱动脉冲波形的占空比控制参数COMP1、COMP2和COMP3，具体方法是在整个直流变换装置的额定输出电压、电流范围内，以其中一个模块的占空比为基准，调整另外一个模块PWM驱动脉冲波形的占空比控制参数；从而输出三个占空比单独可调的PWM波形；

步骤3：对输出的多个PWM波进行选择移相处理，即以其中一个波形为基准，其它各波形在移相电路中依次移相90°，同时输出至脉冲分配电路；

步骤4：脉冲分配电路将选择移相后的多路PWM波分别输出至各直流变换模块的开关元件控制端。

本装置能有效地减小输出滤波器的容量，减小输出纹波。

主电路可以采用N重电路，其中N为大于2的自然数，移相电路对各重电路PWM波逐个移相一定角度；在实践中，主电路一般采用2的N次方重电路，即2，4，8…重电路；对于不同的组合，移相电路对PWM波移相角度的最佳值不同，如2重电路移相角度的最佳值为90°；4重电路移相角度的最佳值为逐个移相45°；8重电路移相角度的最佳值为逐个移相22.5°；并可以依次类推。

Claims (10)

1、一种直流变换电路，包括主电路和控制电路，其特征在于所述的主电路包括两个或两个以上的直流变换模块，各模块由所述控制电路集中控制。

2、如权利要求1的一种直流变换电路，其特征在于所述主电路的两个或两个以上的直流变换模块采用串联输入、串联输出的连接方式，各直流变换模块的功率开关元件的受控端与控制电路的控制驱动信号相连。

3、如权利要求1的一种直流变换电路，其特征在于所述主电路的两个或两个以上的直流变换模块采用串联输入、并联输出的连接方式，各直流变换模块的功率开关元件的受控端与控制电路的控制驱动信号相连。

4、如权利要求1的一种直流变换电路，其特征在于所述主电路的两个或两个以上的直流变换模块采用并联输入、串联输出的连接方式，各直流变换模块的功率开关元件的受控端与控制电路的控制驱动信号相连。

5、如权利要求1的一种直流变换电路，其特征在于所述主电路的两个或两个以上的直流变换模块采用并联输入、并联输出的连接方式，各直流变换模块的功率开关元件的受控端与控制电路的控制驱动信号相连。

6、如权利要求1的一种直流变换电路，其特征在于所述控制电路(3)包括微处理器(5)、A/D转换电路(6)、移相电路(8)、脉冲分配电路(7)和通信接口电路(9)；多重直流变换模块的各模块输出电流、输入电压、输出电压模拟量经A/D转换电路(6)处理后输入至微处理器(6)，该微处理器(6)根据获取的数字量信息产生控制各直流变换模块中功率开关元件如IGBT的脉冲触发信号，并同时将其送至脉冲分配电路(7)和移相电路(8)；移相电路(8)将脉冲触发信号移相一定角度后送至脉冲分配电路(7)，该脉冲分配电路(7)将多路相位角不同的脉冲驱动信号分别送至多重直流变换电路的相应模块中的功率开关元件如IGBT的控制极，从而完成对多重电路的集中控制；通信接口电路(9)则完成与外部通信接口的功能。

7、如权利要求1或6的一种直流变换电路，其特征在于所述控制电路(3)还包括：数字量电路(20)，它主要完成对主电路的各种状态信息如IGBT故障、接触器的各种状态、散热器的温度等的传递；输出驱动信号采用了光纤；状态信息电路(21)，它主要采集并反映整个DC-DC装置的状态信息；LED/LCD显示信号电路，它将所述微处理器(5)的显示信号传输给LED/LCD电路；所述通信接口电路(9)包括RS485接口电路(22)，该RS485接口电路(22)包含2个RS485接口，其中一个具备电气隔离作用，另外一个则不具备；LIFE信号电路是外部复位信号。

8、一种直流变换电路的控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

步骤1：从A/D转换电路输入各直流变换模块的输出电流值或电压值至微处理器(5)；

步骤2：由各模块输出电流值或电压值确定各模块开关元件PWM驱动脉冲波形的占空比，具体方法是在整个直流变换装置的额定输出电压、电流范围内，以其中一个模块的占空比为基准，分别调整模块(1)、模块(2)……模块(n)的PWM驱动脉冲波形的占空比；从而输出n个占空比单独可调的PWM波形；

步骤3：对输出的多个PWM波进行选择移相处理，即以其中一个波形为基准，其它各波形在移相电路中依次移相一定的角度，同时输出至脉冲分配电路；

步骤4：脉冲分配电路将选择移相后的多路PWM波分别输出至各直流变换模块的开关元件控制端。

9、如权利要求11的一种直流变换电路的控制方法，其特征在于所述步骤2是这样进行的：由两个模块的输出电流值确定各模块开关元件PWM驱动脉冲波形的占空比控制参数COMP1、COMP2和COMP3，具体方法是在整个直流变换装置的额定输出电压、电流范围内，以其中一个模块的占空比为基准，调整另外一个模块PWM驱动脉冲波形的占空比控制参数；从而输出三个占空比单独可调的PWM波形；

所述步骤3对输出的多个PWM波进行选择移相处理，即以其中一个波形为基准，其它各波形在移相电路中依次移相90°，同时输出至脉冲分配电路。

10、如权利要求11的一种直流变换电路的控制方法，其特征在于所述步骤3对输出的多个PWM波进行选择移相处理，即以其中一个波形为基准，其它各波形在移相电路中依次移相45°或22.5°，同时输出至脉冲分配电路。

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