專利名稱：一種直流變換電路及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直流變換裝置及其控制方法，特別是一種基于單片機(jī)的控制方法及裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有DC-DC變換技術(shù)采用一個半橋式電路作為主電路，所需的IGBT電壓等級較高，如1500VDC的供電系統(tǒng)需用3300V的IGBT。而這種IGBT的開通壓降較高，如果采用較高的開關(guān)頻率，損耗又較大。采用這種電路形式實(shí)現(xiàn)的變換裝置輸出紋波也較大，輸出濾波器的容易要求也較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種DC變換裝置及其控制方法，實(shí)現(xiàn)小功率元器件合理集成解決大功率需求，同時簡化電路，增加可靠性，降低輸出紋波。
其技術(shù)方案如下包括主電路及控制電路，所述主電路采用多重電路即由多個相同的直流變換模塊構(gòu)成，并由同一個控制電路集中控制的方法，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。
主電路包括二個或二個以上的直流變換模塊，主電路采用多重直流變換電路模塊串聯(lián)輸入、串聯(lián)輸出的連接方案解決高壓輸入、高壓輸出的大功率直流變換的需求；主電路的多重直流變換電路模塊用串聯(lián)輸入、并聯(lián)輸出的連接方案解決高壓輸入、低壓輸出的大功率直流變換的需求；主電路的多重直流變換電路模塊用并聯(lián)輸入、串聯(lián)輸出的連接方案解決低電壓輸入，高電壓輸出的大功率直流變換的需求；主電路的多重直流變換電路模塊用并聯(lián)輸入、并聯(lián)輸出的連接方案解決對低壓或中低壓輸入/輸出的大功率直流變換的需求。各模塊的功率開關(guān)元件的受控端與控制電路3的控制驅(qū)動信號相連。
控制電路3包括微處理器(CPU)5、A/D轉(zhuǎn)換電路6、移相電路8、脈沖分配電路7和通信接口電路9；多重直流變換模塊的各模塊輸出電流、輸入電壓、輸出電壓模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路6處理后輸入至微處理器6，該微處理器6根據(jù)獲取的數(shù)字量信息產(chǎn)生控制各直流變換模塊中功率開關(guān)元件如IGBT的脈沖觸發(fā)信號，并同時將其送至脈沖分配電路7和移相電路8；移相電路8將脈沖觸發(fā)信號移相一定角度后送至脈沖分配電路7，該脈沖分配電路7將多路相位角不同的脈沖驅(qū)動信號分別送至多重直流變換電路的相應(yīng)模塊中的功率開關(guān)元件如IGBT的控制極，從而完成對多重電路的集中控制；通信接口電路9則完成與外部通信接口的功能。
微處理器是按以下辦法對多重電路進(jìn)行控制的步驟1從A/D轉(zhuǎn)換電路輸入各直流變換模塊的輸出電流值或電壓值至微處理器5；步驟2由各模塊輸出電流值或電壓值確定各模塊開關(guān)元件PWM驅(qū)動脈沖波形的占空比，具體方法是在整個直流變換裝置的額定輸出電壓、電流范圍內(nèi)，以其中一個模塊的占空比為基準(zhǔn)，分別調(diào)整模塊1、模塊2……模塊n的PWM驅(qū)動脈沖波形的占空比；從而輸出n個占空比單獨(dú)可調(diào)的PWM波形；步驟3對輸出的多個PWM波進(jìn)行選擇移相處理，即以其中一個波形為基準(zhǔn)，其它各波形在移相電路中依次移相一定的角度，同時輸出至脈沖分配電路；步驟4脈沖分配電路將選擇移相后的多路PWM波分別輸出至各直流變換模塊的開關(guān)元件控制端。


圖1為本發(fā)明主電路原理框圖；
圖2為控制電路原理框圖；圖3為一個直流變換模塊驅(qū)動波形示意圖；圖4為均流控制波形示意圖；圖5為實(shí)施例控制電路原理框圖；圖6為實(shí)施例主電路原理圖；圖7為實(shí)施例移相電路原理圖；圖8為移相時序圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1-8所示以包括2個模塊的主電路及其控制電路、控制方法為例本實(shí)施例采用雙模塊并聯(lián)集中控制方式，主電路兩個直流變換模塊采取串聯(lián)聯(lián)輸入、并聯(lián)輸出的方式即模塊1、模塊2的輸入端串聯(lián)于輸入正極和輸入負(fù)極之間，輸出端并聯(lián)于輸出正極和輸出負(fù)極之間。
圖6為實(shí)施例主電路原理圖；主電路為串聯(lián)輸入、并聯(lián)輸出的2個半橋電路的雙模塊DC-DC電路形式，DC1500V直流電壓經(jīng)電阻器R0對電容器C1、C2構(gòu)成的第一串聯(lián)支路充電，該第一串聯(lián)支路將DC1500V分成2個DC750V分別提供給2個逆變橋；K為接觸器，電阻器R1、R2、R3、R4構(gòu)成的第二串聯(lián)支路與第一串聯(lián)支路并聯(lián)；電容器C3、C4、C5、C6構(gòu)成與第一串聯(lián)支路并聯(lián)的串聯(lián)移相電容電路；VD1、VD2、VD3、VD4是IGBT或其它功率開關(guān)元件，構(gòu)成2個逆變橋，將DC750V逆變成20KHZ的高頻方波，再分別經(jīng)T1、T2高頻變壓器隔離降壓、然后經(jīng)全波整流后，由L1、L2、C7濾波輸出。
圖5為實(shí)施例控制電路原理框圖?？刂齐娐?包括微處理器(CPU)5、A/D轉(zhuǎn)換電路6、移相電路8、脈沖分配電路7和通信接口電路9；多重直流變換模塊的各模塊輸出電流、輸入電壓、輸出電壓模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路6處理后輸入至微處理器6，該微處理器6根據(jù)獲取的數(shù)字量信息產(chǎn)生控制各直流變換模塊中功率開關(guān)元件如IGBT的脈沖觸發(fā)信號，并同時將其送至脈沖分配電路7和移相電路8；移相電路8將脈沖觸發(fā)信號移相一定角度后送至脈沖分配電路7，該脈沖分配電路7將多路相位角不同的脈沖驅(qū)動信號分別送至多重直流變換電路的相應(yīng)模塊中的功率開關(guān)元件如IGBT的控制極，從而完成對多重電路的集中控制；通信接口電路9由則完成與外部通信接口的功能。還包括數(shù)字量電路20，它主要完成對主電路的各種狀態(tài)信息如IGBT故障、接觸器的各種狀態(tài)、散熱器的溫度等的傳遞；輸出驅(qū)動信號采用了光纖；狀態(tài)信息電路21，它主要采集并反映整個DC-DC裝置的狀態(tài)信息；LED/LCD顯示信號電路，它將所述微處理器5的顯示信號傳輸給LED/LCD電路；所述通信接口電路9包括RS485接口電路22，該RS485接口電路22包含2個RS485接口，其中一個具備電氣隔離作用，另外一個則不具備；LIFE信號電路是外部復(fù)位信號。為了增強(qiáng)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確度，減少干擾的影響，除了在硬件上須用π型濾波外，在軟件的設(shè)計上采用了平均值法和中值法相結(jié)合的方法。輸出電壓、輸出電流以及充電電流為本系統(tǒng)的3個閉環(huán)控制環(huán)節(jié)。模塊1和模塊2的輸出電流參與均流調(diào)節(jié)。控制系統(tǒng)具備IGBT故障、接觸器故障、散熱器過熱、變壓器故障等保護(hù)功能。
在本實(shí)施例中，微處理器5采用80C196MC。微處理器6產(chǎn)生2個半橋的PWM驅(qū)動波形。當(dāng)開關(guān)頻率20KHZ，要保證上下管死區(qū)，而且2個模塊的驅(qū)動波形保證同步的情況下，還要單獨(dú)可調(diào)，利用80C196MC的波形發(fā)生器就可以解決這個問題；模塊間驅(qū)動波形的移相問題的提出和解決由于雙模塊輸出并聯(lián)，如模塊間的驅(qū)動波形相差90°，就相當(dāng)于使整流波形的頻率提高1倍，就能有效減小輸出電壓紋波，減小輸出濾波器的容量。
80C196MC是專門為電機(jī)高速控制所設(shè)計的1種16位微控制器，它由1個C196核心、1個三相波形發(fā)生器WFG和若干其他片內(nèi)外設(shè)包括1個A/D轉(zhuǎn)換器、1-個事件處理陣列(EPA)、2個定時器和1個脈寬調(diào)制單元(2個PWM輸出)構(gòu)成。片內(nèi)波形發(fā)生器WFG(Wave Form Generator)是80C196 獨(dú)具的特點(diǎn)之一。這一外設(shè)裝置大大簡化了用于產(chǎn)生同步脈寬調(diào)制波形的控制軟件和外部硬件。波形發(fā)生器有3個同步的PWM模塊，可產(chǎn)生3對PWM波形，但這3對PWM波形有共同的載波頻率、無信號時間(死區(qū))和操作方式。波形發(fā)生器能產(chǎn)生2種PWM波形、4種工作方式[中心對準(zhǔn)的PWM(工作方式0和1)和邊沿對準(zhǔn)PWM，圖3為中心對準(zhǔn)PWM波形，從圖中可以看出改變?nèi)遣ǖ膶挾瓤梢愿淖冚敵霾l率；改變PWM波的占空比控制參數(shù)值COMPX的大小就可以改變一對PWM上下開關(guān)管的占空比，每一對PWM對應(yīng)一個COMPX值，即每一對PWM波的占空比可以單獨(dú)調(diào)；如果COMPX處于三角波的中心線，則上下波形一樣寬，改變死區(qū)值(DT)則可以改變波形的占空比。對于半橋式DC-DC功率變換器的開關(guān)管可以利用此波形來驅(qū)動，工作中通過改變死區(qū)值(DT)來改變開關(guān)管的波形的占空比，以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。
盡管每一對PWM波形的COMPX可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，但改變COMPX也就改變上下管波形的寬度，會使得上下管占空比不一致，也就不能滿足DC-DC變換器開關(guān)的要求。而波形發(fā)生器的3對波都對應(yīng)著一個死區(qū)值，如果用了對PWM的2對PWM波去驅(qū)動2個DC-DC變換器模塊，則2個DC-DC模塊的驅(qū)動波形完全一樣，不能做到單獨(dú)可調(diào)，就不能解決2個DC-DC模塊并聯(lián)時的均流調(diào)節(jié)問題。
圖4為均流控制波形示意圖；解決雙模塊并聯(lián)的均流問題如死區(qū)時間(DT)保持COMP1不變，用WG1和/WG1作為一個半橋驅(qū)動波形，而用/WG2和WG3作為另一個半橋的驅(qū)動波形，通過同時改變COMP2和COMP3來保證該半橋上下管的波形占空比完全一致，也通過改變COMP2和COMP3來單獨(dú)調(diào)節(jié)一個DC-DC變換器模塊脈寬，從而達(dá)到雙模塊并聯(lián)時的單獨(dú)調(diào)節(jié)功能。并且用一個CPU同時控制2個模塊也為移向控制提供條件。其中WG1、/WG1、/WG2和WG3均為微處理器5的80C196MC片內(nèi)脈沖信號；COMP1、COMP2和COMP3分別是三個PWM波的占空比控制參數(shù)。
圖7為實(shí)施例移相電路原理圖，圖8為移相時序圖；雙模塊DC-DC變換器并聯(lián)時如果模塊間的相位相差90°，對于輸出的濾波就相當(dāng)開關(guān)頻率提高1倍，能有效的減小輸出紋波，減小輸出濾波器的容量。82C54是專用定時器芯片，它有3個獨(dú)立的16位計數(shù)器，都是可編程計數(shù)器，通過對其編程，可以實(shí)現(xiàn)各種方式的計數(shù)器。82C54共有6種工作方式，其中方式5為硬件觸發(fā)方式，它是當(dāng)GATE腳的信號出現(xiàn)正跳變時觸發(fā)計數(shù)器計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器減到0時，OUT輸出一個寬度為一個CLK周期的負(fù)脈沖。其中的計數(shù)值是在初始化時寫入計數(shù)寄存器中的。CLK接到CPU的時鐘輸出端，GATE信號為驅(qū)動脈沖信號。其中*/WG2和*/WG3分別是/WG2和WG3的倒向波形，WG1、/WG1與DM3、DM4分別是2個半橋的驅(qū)動波形，DC-OUT是理想的雙模塊并聯(lián)的整流輸出波形。/WG2和WG3組成PWM驅(qū)動形與WG1和/WG1組成的驅(qū)動波形同相，而DM3和DM4組成的驅(qū)動波形與WG1和/WG1組成的驅(qū)動波形相位相差90°。
脈沖分配電路7將來自移相電路8的多路相位角不同的脈沖驅(qū)動信號分別送至多重直流變換電路的相應(yīng)模塊中的功率開關(guān)元件如IGBT的控制極，從而完成對多重電路的集中控制。
其具體控制步驟如下步驟1從A/D轉(zhuǎn)換電路6輸入兩個直流變換模塊的輸出電流值至微處理器5；步驟2由兩個模塊的輸出電流值確定各模塊開關(guān)元件PWM驅(qū)動脈沖波形的占空比控制參數(shù)COMP1、COMP2和COMP3，具體方法是在整個直流變換裝置的額定輸出電壓、電流范圍內(nèi)，以其中一個模塊的占空比為基準(zhǔn)，調(diào)整另外一個模塊PWM驅(qū)動脈沖波形的占空比控制參數(shù)；從而輸出三個占空比單獨(dú)可調(diào)的PWM波形；步驟3對輸出的多個PWM波進(jìn)行選擇移相處理，即以其中一個波形為基準(zhǔn)，其它各波形在移相電路中依次移相90°，同時輸出至脈沖分配電路；步驟4脈沖分配電路將選擇移相后的多路PWM波分別輸出至各直流變換模塊的開關(guān)元件控制端。
本裝置能有效地減小輸出濾波器的容量，減小輸出紋波。
主電路可以采用N重電路，其中N為大于2的自然數(shù)，移相電路對各重電路PWM波逐個移相一定角度；在實(shí)踐中，主電路一般采用2的N次方重電路，即2，4，8…重電路；對于不同的組合，移相電路對PWM波移相角度的最佳值不同，如2重電路移相角度的最佳值為90°；4重電路移相角度的最佳值為逐個移相45°；8重電路移相角度的最佳值為逐個移相22.5°；并可以依次類推。
權(quán)利要求
1.一種直流變換電路，包括主電路和控制電路，其特征在于所述的主電路包括兩個或兩個以上的直流變換模塊，各模塊由所述控制電路集中控制。
2.如權(quán)利要求1的一種直流變換電路，其特征在于所述主電路的兩個或兩個以上的直流變換模塊采用串聯(lián)輸入、串聯(lián)輸出的連接方式，各直流變換模塊的功率開關(guān)元件的受控端與控制電路的控制驅(qū)動信號相連。
3.如權(quán)利要求1的一種直流變換電路，其特征在于所述主電路的兩個或兩個以上的直流變換模塊采用串聯(lián)輸入、并聯(lián)輸出的連接方式，各直流變換模塊的功率開關(guān)元件的受控端與控制電路的控制驅(qū)動信號相連。
4.如權(quán)利要求1的一種直流變換電路，其特征在于所述主電路的兩個或兩個以上的直流變換模塊采用并聯(lián)輸入、串聯(lián)輸出的連接方式，各直流變換模塊的功率開關(guān)元件的受控端與控制電路的控制驅(qū)動信號相連。
5.如權(quán)利要求1的一種直流變換電路，其特征在于所述主電路的兩個或兩個以上的直流變換模塊采用并聯(lián)輸入、并聯(lián)輸出的連接方式，各直流變換模塊的功率開關(guān)元件的受控端與控制電路的控制驅(qū)動信號相連。
6.如權(quán)利要求1的一種直流變換電路，其特征在于所述控制電路(3)包括微處理器(5)、A/D轉(zhuǎn)換電路(6)、移相電路(8)、脈沖分配電路(7)和通信接口電路(9)；多重直流變換模塊的各模塊輸出電流、輸入電壓、輸出電壓模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路(6)處理后輸入至微處理器(6)，該微處理器(6)根據(jù)獲取的數(shù)字量信息產(chǎn)生控制各直流變換模塊中功率開關(guān)元件如IGBT的脈沖觸發(fā)信號，并同時將其送至脈沖分配電路(7)和移相電路(8)；移相電路(8)將脈沖觸發(fā)信號移相一定角度后送至脈沖分配電路(7)，該脈沖分配電路(7)將多路相位角不同的脈沖驅(qū)動信號分別送至多重直流變換電路的相應(yīng)模塊中的功率開關(guān)元件如IGBT的控制極，從而完成對多重電路的集中控制；通信接口電路(9)則完成與外部通信接口的功能。
7.如權(quán)利要求1或6的一種直流變換電路，其特征在于所述控制電路(3)還包括數(shù)字量電路(20)，它主要完成對主電路的各種狀態(tài)信息如IGBT故障、接觸器的各種狀態(tài)、散熱器的溫度等的傳遞；輸出驅(qū)動信號采用了光纖；狀態(tài)信息電路(21)，它主要采集并反映整個DC-DC裝置的狀態(tài)信息；LED/LCD顯示信號電路，它將所述微處理器(5)的顯示信號傳輸給LED/LCD電路；所述通信接口電路(9)包括RS485接口電路(22)，該RS485接口電路(22)包含2個RS485接口，其中一個具備電氣隔離作用，另外一個則不具備；LIFE信號電路是外部復(fù)位信號。
8.一種直流變換電路的控制方法，其特征在于它包括以下步驟步驟1從A/D轉(zhuǎn)換電路輸入各直流變換模塊的輸出電流值或電壓值至微處理器(5)；步驟2由各模塊輸出電流值或電壓值確定各模塊開關(guān)元件PWM驅(qū)動脈沖波形的占空比，具體方法是在整個直流變換裝置的額定輸出電壓、電流范圍內(nèi)，以其中一個模塊的占空比為基準(zhǔn)，分別調(diào)整模塊(1)、模塊(2)……模塊(n)的PWM驅(qū)動脈沖波形的占空比；從而輸出n個占空比單獨(dú)可調(diào)的PWM波形；步驟3對輸出的多個PWM波進(jìn)行選擇移相處理，即以其中一個波形為基準(zhǔn)，其它各波形在移相電路中依次移相一定的角度，同時輸出至脈沖分配電路；步驟4脈沖分配電路將選擇移相后的多路PWM波分別輸出至各直流變換模塊的開關(guān)元件控制端。
9.如權(quán)利要求11的一種直流變換電路的控制方法，其特征在于所述步驟2是這樣進(jìn)行的由兩個模塊的輸出電流值確定各模塊開關(guān)元件PWM驅(qū)動脈沖波形的占空比控制參數(shù)COMP1、COMP2和COMP3，具體方法是在整個直流變換裝置的額定輸出電壓、電流范圍內(nèi)，以其中一個模塊的占空比為基準(zhǔn)，調(diào)整另外一個模塊PWM驅(qū)動脈沖波形的占空比控制參數(shù)；從而輸出三個占空比單獨(dú)可調(diào)的PWM波形；所述步驟3對輸出的多個PWM波進(jìn)行選擇移相處理，即以其中一個波形為基準(zhǔn)，其它各波形在移相電路中依次移相90°，同時輸出至脈沖分配電路。
10.如權(quán)利要求11的一種直流變換電路的控制方法，其特征在于所述步驟3對輸出的多個PWM波進(jìn)行選擇移相處理，即以其中一個波形為基準(zhǔn)，其它各波形在移相電路中依次移相45°或22.5°，同時輸出至脈沖分配電路。
全文摘要
一種直流變換電路及其控制方法，包括主電路及控制電路，所述主電路采用多重電路即由多個相同的直流變換模塊構(gòu)成，并由同一個控制電路集中控制，各模塊的功率開關(guān)元件的受控端與控制電路的控制驅(qū)動信號相連，且各模塊的控制驅(qū)動信號波形被逐個移相一定角度，整個裝置能有效地減小輸出濾波器的容量，減小輸出紋波。
文檔編號H02M3/00GK1416209SQ0213978
公開日2003年5月7日 申請日期2002年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月22日
發(fā)明者伍理勛, 李曉光, 郭淑英, 陳浩 申請人:株洲電力機(jī)車研究所