专利名称：一种数字直控式dc/dc变流电路及方法
技术领域：
本发明涉及一种数字直控式DC/DC变流电路及方法，尤其是同时具有高效率、高可靠性和用数字直接控制的变流电路及方法，属于电力电子变流技术领域。
背景技术：
传统的PWM (脉冲宽度调制)变流电路和方法存在以下问题:
1、存在开关损耗
形成开关损耗的原因是PWM功率开关器件在状态转换过程中流过的电流和端电压不能同时为零，因此，其乘积即为该器件在本次转换过程承受的开关损耗。在已有技术中，主要采用软开关方式来解决开关损耗问题，但实践结果表明，软开关方式只有在输出功率变化范围不大的变流主回路中采用时，降低开关损耗的效果较好，而将其应用于输出功率变化范围很大的变流主回路(如三相变频调速器的变流主回路)中时，效果不理想。2、过负载或输出短路时功率主开关器件易损坏
现有技术对过负载 或输出短路的情况，主要采用过流速断方式来保护功率开关器件；但大量实践经验表明，这种保护方式并不可靠。原因是线路中存在分布电感，因而在功率开关器件快速关断时，分布电感上会由于通过的电流快速变化而形成极高尖峰电压，该尖峰电压与电源正向串联后，作用于功率开关器件而导致功率开关器件直接被击穿损坏。3、不能用数字方式直接对功率主开关器件实施控制
现有技术中，对PWM的控制方式有固定频率调脉宽方式、固定脉宽调频率方式和调频调宽结合方式三种，这些方式均并不能用数字方式直接控制，而必须先将数字编码转换为对应的脉宽后，才对功率主开关器件实施控制，这在本质上已经转换为模拟控制方式。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于高频直流斩波电源及恒功率负载的数字直控式DC/DC变流电路及方法，采用电容作为系统能量流的计量媒介，以LC串联方式完成系统全部能量的传递与合成，以离散能量脉冲编码方式来决定单位时间内从电源输送到负载的能量值，通过普通熔断方式进行保护，解决现有技术容易烧毁主回路中功率开关器件、不能使用数字方式直接对功率主开关器件实施控制和开关损耗大的问题。本发明的数字直控式DC/DC变流电路，包括直流电源、控制电路、权能量脉冲编码桥组、滤波电容和负载；直流电源的正极与权能量脉冲编码桥组的公共输入端相连、负极接地并同时与滤波电容的负极和负载的下端相连，权能量脉冲编码桥组的公共输出端与滤波电容的正极和负载的上端相连；权能量脉冲编码桥组由
n个结构相同的权能量斩波桥ph1、ph{、ph2、…pbn_2、pbn_x组成，控制电路中的n
个权控制单元知^kl……tn_2 的信号输出端分别与权能量脉冲编码桥组中的 个权能量斩波桥中各个主可控硅的触发极相连，权能量脉冲编码桥组的公共输入端与《个权能量斩波桥的n个电源输入端4、<……dn_2、dn_x相连，权能量脉冲编码桥组的公共输出端与个权能量斩波桥的η个电源输出端Po、Pl……Ρη-2、h相连。在上述的权能量脉冲编码桥组中，每个权能量斩波桥包括四只主可控硅F11、V12、
、I7M，权计量电容C1，平波电抗器Z1，续流二极管FD11，输出二极管FD12和保险管FS1。第一主可控硅F11和第三主可控硅R3阳极连接在一起，构成该权能量斩波桥/) 的电源输入端Ci1 ;第一主可控硅F11的阴极、第二主可控硅F12的阳极与权计量电容C1的上端相连，权计量电容C1的下端与第三主可控硅K3的阴极、第四主可控硅F14的阳极相连，第二主可控硅F12、第四主可控硅R4的阴极与续流二极管FD11的阴极、平波电抗器L1的左端相连；续流二极管PD11的阳极接地；平波电抗器的右端与输出二极管KD12的阳极相连，输出二极管FD12的阴极与保险管FS1的左端相连，保险管FS1的右端为此权能量斩波桥的功率输出端P1 ;四只主可控硅1\、F12、F13、R4的门极与控制电路中的权控制单元.11的四个信号输出端相连；1=0，1，2，3，……/7-1。所述权能量脉冲编码桥组的η个结构相同的权能量斩波桥pbQ、Phl、pb2、…pbn_2、phnA中，编码最低的权能量斩波桥pbQ的权计量电容的容量为I个基本单位Cf
;而编码高于最低位的其它权能量斩波桥、ph2、...phn_2、phnA中，各权计量电容的容量分别为21 Cf、22 C、……IT2 C^TaC ;即第I +1个权能量斩波桥中的权计量电容C1 的容量SC1 = I1C , 1=0,1,2,3,……/7-1。上述的权能量斩波桥中的数量《根据实际需要确定。孔的取值越大，权能量脉冲编码桥组3中所包含的w个权能量斩波桥/ 、Pbl、pb2、…pbn_2、phn_x能提供的权能量脉冲量化误差就越小，其输出的权能量脉冲精度就越高。所述数字直控式DC/DC变流方法是:将输出波形在单位时间范围内需要输出的能量按权值分解为对应的二进制编码，然后使分解后权值为I的对应权控制单元在确定的时刻输出触发脉冲，使对应权能量斩波桥的可控硅触发导通，产生对应于二进制编码的权能量脉冲，同时将这些能量脉冲以并联合成的方式输出到系统的滤波电容4和负载5上。本发明的原理是:
一、权值分解
参见
图1， 要使权能量脉冲编码桥组3产生负载5在单位时间内所需要的能量，就必须在控制电路2中将负载5所需的能量按权值分解为对应的二进制编码，该二进制编码的数位D Q、D1、D2......D n_2、D n_Y位分别对应于权能量斩波桥/ > pbx、pb2、
……Ph、PK-1。
权能量脉冲编码桥组3中包含了 n个结构相同的权能量斩波桥pbQ、Pbl、ph2、......pbn_2、pbn_x ,这n个权能量斩波桥在单位时间内所产生的权能量脉冲所包含的能量值分别为芥、P1、P2-H。若负载5在单位时间内所需要的能量Pr，对Pr进行权值分解的过程如下:
第I次权值分解:第I次权值分解时将Pr作为第I次权值分解量，将Pr与第个权能量斩波桥在单位时间内产生的权能量脉冲所包含的能量进行对比:
如果Pr大于或等于，就令第β个权能量斩波桥所对应的权值为1，则二进制编码的位为1，同时令权值分解量变为；
如果小于，就令第η个权能量斩波桥所对应的权值为0，则二进制编码的 位为0，同时权值分解量不变，依旧为。第2次权值分解:此时把第I次权值分解以后得到的权值分解量巧(或Pr )作为第2次权值分解量，第2次分解时用(或Pj5 )来与第 —权能量斩波桥在单位时间内产生的权能量脉冲包含的能量i^2对比，对比过程和第I次一样，对比以后可得到第《.-1个权能量斩波桥所对应的权值(I或0)，则二进制编码的D 位为I (或O ),同时权值分解量就变为Pj1- h — f“-2 (或Pu - P -2 )。
第3次 第!I次权值分解■ 这η - 2次权值分解过程和前两次一样，故在此不再累述。在对比的过程中，若某一次权值分解后权值分解量等于零，那么就不再继续进行权值分解并且使剩余的权能量斩波桥所对应的权值都为零，则剩余的权能量斩波桥所对应的二进制编码也 为零。这样最多进行《次权值分解以后，就会得到K个权值，这些权值都是I或者0，这 个权值分别对应于《个结构相同的权能量斩波桥，这就实现了控制电路2将负载5在单
位时间内所需要的能量按权值分解为对应的二进制编码的过程。二、权能量斩波桥产生权能量脉冲
在权能量脉冲编码桥组3中有il个权能量斩波桥(参见图2)，η个权能量斩波桥的结
构及工作方式完全相同，但是斩波桥中的权计量电容C0、C1、C2…C _2、的容值不同。图2为权能量斩波桥的具体电路，其实质是权能量脉冲形成电路，其中直流电源I的值为E，工作过程如下:
Ui0时刻之前
电路进入稳态，权计量电容C1两端电压为E，Uci极性为下正上负，的电压为零。2、匕~匀期间
,,时刻同时触发第一主可控硅F11和第四主可控硅F14，使之导通，t0时刻权能量斩波桥输出端的电压U91为2E，随后，权计量电容C1开始释放能量，其电SCZa极性仍为下正上负，^ql从2E开始不断下降。考虑到负载5两端并联了大容量的滤波电容4，因此负载5端电压M0在脉冲周期
内设为恒定，并在忽略电路中可控硅和导线的压降后，根据电路相关计算，得:
权利要求
1.一种数字直控式DC/DC变流电路，包括直流电源(I )、控制电路(2)、权能量脉冲编码桥组(3)、滤波电容(4)和负载(5)，其特征在于:直流电源(I)的正极与权能量脉冲编码桥组(3)的公共输入端(6)相连、负极接地并同时与滤波电容(4)的负极和负载(5)的下端相连，权能量脉冲编码桥组(3)的公共输出端(7)与滤波电容(4)的正极和负载(5)的上端相连；权能量脉冲编码桥组(3)由n个结构相同的权能量斩波桥、Pbl、pb2、...pbn_2、组成，控制电路(2)中的;^个权控制单元^為……的信号输出端分别与权能量脉冲编码桥组(3)中的η个权能量斩波桥中各个主可控硅的触发极相连，权能量脉冲编码桥组(3)的公共输入端(6)与 个权能量斩波桥的个电源输入端rf’o、<……dn_2、dnA相连，权能量脉冲编码桥组(3)的公共输出端(7)与r个权能量斩波桥的η个电源输出端Po、P1……Ρη—2、Pn-1相连。
2.根据权利要求1所述的数字直控式DC/DC变流电路，其特征在于:所述权能量脉冲编码桥组(3)中，每个权能量斩波桥包括四只主可控硅Pi1、Fi2 J713、Fi4，权计量电容C1 ,平波电抗器,续流二极管FD11，输出二极管FD12和保险管FS1 ;第一主可控硅F11和第三主可控硅P13阳极连接在一起，构成该权能量斩波桥的电源输入端Af1 ;第一主可控硅F11的阴极、第二主可控硅F12的阳极与权计量电容Cf1的上端相连，权计量电容C1的下端与第三主可控硅K3的阴极、第四主可控硅R4的阳极相连，第二主可控硅F12、第四主可控硅F14的阴极与续流二极管FD11的阴极、平波电抗器Z1的左端相连；续流二极管FD11的阳极接地；平波电抗器Z1的右端与输出二极管FDn的阳极相连，输出二极管FD12的阴极与保险管FS1的左端相连，保险管FS1的右端为此权能量斩波桥的功率输出端f,;四只主可控硅F11、F12、V13、F14的门极与控制电路(2)中的权控制单元的四个信号输出端相连；1=0，1，2，3，……/7-1。
3.根据权利要求1所述的数字直控式DC/DC变流电路，其特征在于:所述权能量脉冲编码桥组(3)的 个结构相同的权能量斩波桥pt,Q、pb\、pb2、…pbn_2、phn_x中，编码最低的权能量斩波桥/ 的权计量电容的容量为I个基本单位e ;而编码高于最低位的其它权能量斩波桥i #、/治2、…pbn_2、中，各权计量电容的容量分别为f Cf、I2C、……2n—2C、2n—1C。
4.一种数字直控式DC/DC变流方法，其特征在于:将输出波形在单位时间范围内需要输出的能量按权值分解为对应的二进制编码，然后使分解后权值为I的对应权控制单元在确定的时刻输出触发脉冲，使对应权能量斩波桥的可控硅触发导通，产生对应于二进制编码的权能量脉冲，同时将这些能量脉冲以并联合成的方式输出到系统的输出滤波电容(4)和负载 (5)上。
全文摘要
本发明涉及一种数字直控式DC/DC变流电路及方法，属电力电子变流技术领域。包括直流电源、控制电路、权能量脉冲编码桥组、滤波电容和负载，直流电源的正极与权能量脉冲编码桥组的公共输入端相连、负极接地并与滤波电容负极和负载的下端相连，权能量脉冲编码桥组包括个结构相同的权能量斩波桥，其公共输出端与滤波电容正极和负载的上端相连；控制电路中个权控制单元的信号输出端分别与权能量脉冲编码桥组中的个权能量斩波桥中各主可控硅的触发极相连。以离散能量脉冲编码方式传输能量，以电容作为系统能量流的计量媒介，以LC串联方式完成系统能量的传递与合成，可使用数字方式直接控制功率主开关器件，开关损耗低，结构简单、操作方便。
文档编号H02M3/155GK103199701SQ201310094258
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月22日 优先权日2013年3月22日
发明者张英争, 卢诚, 谢鸿龄, 王潇, 聂俊飞 申请人:昆明理工大学