大功率双向全桥DC‑DC变换器的启停控制系统的制作方法

本实用新型涉及一种DC-DC变换器的启停控制系统，尤其是一种大功率双向全桥DC-DC变换器的启停控制系统，属于开关变换器领域。

背景技术：

随着国家对能耗提出进一步的要求，能在多象限工作系统中实现能量的存储与释放的双向全桥DC-DC变换器受到了广泛的青睐和认可。但DC-DC变换器是高频开关变换器，系统的工作容易受到电磁干扰，系统在受到干扰出现故障时无法保证系统能够可靠停止或者是可靠地重新恢复。而且，在大功率场所，系统的启停也会引起电压和电流的突变，可能会引起系统的反复工作而使得系统过载工作。进一步地，双向双向全桥DC-DC变换器的双向工作性质也使得双向双向全桥DC-DC变换器的启动控制更为复杂。

在查阅相关文献后，大部分针对大功率双向全桥DC-DC变换器的启停电路还是停留在软启动方式，而软启动针对的对象是主拓扑的软启动，并没有针对系统启动中出现的各种问题进行处理的一种可靠启动方式。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种大功率双向全桥DC-DC变换器的启停控制系统，该系统采用双向全桥DC-DC变换器，利用CPLD和单片机的数模结合来保证系统稳态可靠运行。

本实用新型的另一目的在于提供一种基于上述系统的大功率双向全桥DC-DC变换器的启停控制方法。

本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：

大功率双向全桥DC-DC变换器的启停控制系统，包括双向全桥DC-DC变换器、信号调理与过限监测模块、PWM产生与驱动模块、保护模块、CPLD、单片机以及控制台，所述信号调理与过限监测模块的输入端与双向全桥DC-DC变换器相连，输出端分别与CPLD和单片机相连；所述CPLD的输出端分别与PWM产生与驱动模块和保护模块的输入端相连；所述PWM产生与驱动模块和保护模块的输出端与双向全桥DC-DC变换器相连；所述单片机与CPLD之间通过通讯总线相连，单片机还通过SPI通信总线与控制台相连。

作为一种优选方案，所述双向全桥DC-DC变换器包括四个IGBT模块和一个变压器，其中两个IGBT模块与变压器的高压端连接，作为降压IGBT模组，另外两个IGBT模块与变压器的低压端连接，作为升压IGBT模组。

作为一种优选方案，所述四个IGBT模块均采用半桥模块SKM50GB12T4。

作为一种优选方案，所述PWM产生与驱动模块包括降压PWM控制器和升压PWM控制器。

作为一种优选方案，所述降压PWM控制器采用T1公司的UC3825芯片，所述升压PWM控制器采用T1公司的UC3875芯片。

作为一种优选方案，所述保护模块包括多个过压保护电路和多个启停保护电路。

作为一种优选方案，所述过压保护电路包括单限比较器和第一电阻，所述单限比较器的输入端接超级电容电压，输出端与第一电阻连接；所述启停保护电路包括滞环比较器、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和二极管，所述滞环比较器的输入端通过第二电阻接超级电容电压，输出端通过第三电阻与第四电阻连接，所述二极管的正极与滞环比较器的输出端连接，负极通过第五电阻与滞环比较器的输入端连接。

作为一种优选方案，所述单片机采用TI公司型号为MSP430F5438的单片机，所述CPLD采用Altera公司型号为5M160ZE64；所述单片机和CPLD采用7根逻辑I/O进行逻辑电平单向通讯，实现整个系统的信息交互。

本实用新型相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本实用新型的电路主拓扑采用双向全桥DC-DC变换器，并以CPLD作为数字控制部分，以单片机作为模拟控制部分，通过信号调理与过限监测模块、保护模块以及控制台的状态综合双向全桥DC-DC变换器的启停过程中的各种信息，并通过通讯总线不断询问系统中CPLD和单片机的工作状态，综合所有信息进行流控制，实现大功率双向全桥DC-DC变换器的可靠启停。

2、本实用新型的信号调理与过限监测模块采用单限比较器和滞环比较器能够防止系统应为启停电压电流突变而引起系统反复启动，同时又能保证在系统发生故障时第一时间通过硬件保护失能模式。

3、本实用新型的单片机和CPLD采用7根逻辑I/O进行逻辑电平单向通讯，实现整个系统的信息交互，七根逻辑I/O的功能包括电感电流状态指示、控制模式切换指示、单片机功率方向变更申请、单片机在线的方波指示、快速关机指示、CPLD功率方向指示、故障指示，由于所有的逻辑I/O均单向工作，可以保证可靠性。

4、本实用新型使用单向的I/O电平通讯，通讯的可靠性非常高，同时因为有七根通讯总线，通讯信息饱满，能保证了系统在启动过程中时刻快速准确地把握系统的各个模块是否正常工作并指示其他系统向某个模式驱动，保证系统在启停过程中能够保证系统的可靠运行。

附图说明

图1为本实用新型的大功率双向全桥DC-DC变换器的启停控制系统结构框图。

图2为本实用新型的双向全桥DC-DC变换器的控制简图。

图3为本实用新型的半桥模块SKM50GB12T4的结构示意图。

图4为本实用新型的降压IGBT模组的电路原理图。

图5为本实用新型的升压IGBT模组的电路原理图。

图6为本实用新型的降压IGBT模组和升压IGBT模组的驱动电路原理图。

图7为本实用新型的降压PWM控制器原理图。

图8为本实用新型的升压PWM控制器原理图

图9为本实用新型的保护模块中过压保护电路的原理图。

图10为本实用新型的保护模块中启停保护电路的原理图。

图11为本实用新型的信号调理与过限监测模块对电压划分的原理图。

图12为本实用新型的信号调理与过限监测模块中过限监测电路的原理图。

图13为本实用新型的信号调理与过限监测模块中电感电流调理电路的原理图。

图14为本实用新型的单片机与CPLD之间的通讯总线示意图。

图15为本实用新型的大功率双向全桥DC-DC变换器的启停控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，本实施例的大功率双向全桥DC-DC变换器的启停控制系统包括双向全桥DC-DC变换器、信号调理与过限监测模块、PWM(Pulse Width ModulatI/On，脉冲宽度调制)产生与驱动模块、保护模块、CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)、单片机以及控制台；所述信号调理与过限监测模块的输入端与双向全桥DC-DC变换器相连，以监测双向全桥DC-DC变换器的电压、电流和温度信号，输出端分别与CPLD和单片机相连；所述CPLD的输出端分别与PWM产生与驱动模块和保护模块的输入端相连；所述PWM产生与驱动模块和保护模块的输出端与双向全桥DC-DC变换器相连，驱动功率电路实现功率变换；所述单片机与CPLD之间通过通讯总线相连，单片机还通过SPI通信总线与控制台相连，与控制台进行交互。

所述双向全桥DC-DC变换器的控制如图2所示，图中所示的控制器是指CPLD、单片机，CPLD作为数字控制部分，单片机作为模拟控制部分。

所述双向全桥DC-DC变换器包括四个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)模块和一个变压器，四个IGBT模块均采用半桥模块SKM50GB12T4，每个半桥模块SKM50GB12T4的结构如图3所示，其中两个IGBT模块与变压器的高压端连接，作为降压IGBT模组，其连接图如图4所示，另外两个IGBT模块与变压器的低压端连接，作为升压IGBT模组，其连接图如图5所示；降压IGBT模组和升压IGBT模组的驱动电路如图6所示。PWM的输入信号为PWMin输入到电阻R4后接光耦TLP152，光耦TLP152输出电平在VDD+15_D2到VEE-15_D2之间的高低电平VO，后通过D1和D2进行驱动电阻选择，使得驱动信号实现快开慢关，保护IGBT管的驱动级不受损坏；双向管D7是为了避免驱动信号超过驱动级所需的最高电压20V；电容C9、C11、C14和C15及稳压管D5和D10实现了光耦的电源退耦和稳压。

所述PWM产生与驱动模块包括降压PWM控制器和升压PWM控制器，所述降压PWM控制器采用T1公司的UC3825芯片，如图7所示，BuckCurrentSet输入到降压控制器UC3825的NI脚后，通过内部振荡器和比较器修改输出PWM的下降沿，从而改变了输出PWM的占空比，达到PWM占空比控制的效果。其中Ramp_Buck为补偿输入引脚，输出的PWM波形分2路，为BUCK_AC和BUCK_BD；所述升压PWM控制器采用T1公司的UC3875芯片，如图8所示，同理，UC3875根据输入信号BoostCurrentSet和斜坡补偿信号Ramp_Boost在芯片内部和振荡器和比较器做比较修改输出PWM的相对相位，输出四路相位不同的PWM信号BOOST_A到BOOST_D，达到PWM占空比控制的效果。

所述保护模块包括多个过压保护电路和多个启停保护电路，所述过压保护电路如图9所示，包括单限比较器(采用LM319)和第一电阻R117，所述单限比较器LM319的输入端接超级电容电压，输出端与第一电阻R117连接。当超级电压SuperCapVolt超过设定电压SuperCapVolt_Set时，单限比较器LM319的U11A的OC门输出，通过第一电阻R117上拉到VDDA3.3高电平，反之输出低电平。

所述启停保护电路如图10所示，包括滞环比较器(采用TL074B)、第二电阻R120、第三电阻R126、第四电阻R134、第五电阻R113和二极管，所述滞环比较器TL074B的输入端通过第二电阻R120接超级电容电压，输出端通过第三电阻R126与第四电阻R134连接，所述二极管的正极与滞环比较器TL074B的输出端连接，负极通过第五电阻R113与滞环比较器TL074B的输入端连接。当超级电压SuperCapVolt超过设定电压SuperCapVolt_Set时，滞环比较器TL074B的U9A输出高电平，接近VCC12，通过第三电阻R126与第四电阻R134分压输出约为3.3V的SuperCapVolt_StageH信号。反之，输出低电平。

如图11所示，为了抑制电磁干扰和启停时的负载突变，所述信号调理与过限监测模块在同一个电压通道中使用精密电压源进行一级电压划分，划分为高电压和低电压两个等级；再用精密电阻进行二级电压划分，高电压划分为：紧急阻耗阈值、过压阈值和高压滞环值；低电压划分为：额定参考值、低压滞环值和欠压阈值；其中，阈值类电压(紧急阻耗阈值、过压阈值、额定参考值、欠压阈值)均通过单限比较器实现，在监测电压触碰到阈值的瞬间，马上通过硬件实现硬件保护；滞环值类电压(高压滞环值、低压滞环值)均通过滞环比较器实现，满足在启停过程中由负载突变而引起电压突变最后导致系统反复启停的恶劣状态；同理，对电流信号和温度信号进行同样的划分；这些信号针对的对象包括：初级电压与电流、次级电压与电流、变压器电流以及电感电流及散热片上的四个温度测量共10个测量参数；其中，信号调理与过限监测模块中过限监测电路的原理如图12所示，当超级电容的电压超过紧急阻耗阈值时，单限比较器输出高电平使能阻耗电阻进行能量释放；当超级电容的电压超过过压阈值时，单限比较器向CPLD输送过压提示进行保护；当超级电容在高压和低压滞环值之间通过滞环比较器向CPLD输送高压滞环信号或者是低压滞环信号；当超级电容电压低于欠压阈值时，单限比较器向CPLD输送低压提示进行保护；如果整个过程系统正常，则通过额定参考值进行电压给定，用于控制系统的输入。

如图13所示的信号调理与过限监测模块中电感电流调理电路，该电路对电感的电流进行整流之后分别送进两种不同的整流电路，向超级电容充电时电感电流为负，此时通过U14D和U14A两个运算放大器对电感电流进行调理，调理之后电感电流变为正电流。超级电容向外放电时，通过U14C和U14B两个运算放大器进行调理之后，增强了输入阻抗，减小了输出阻抗，保证信号的完整性以得到准确的调理信号。

所述CPLD可以采用Altera公司型号为5M160ZE64，所述单片机可以采用TI公司型号为MSP430F5438的单片机；所述单片机和CPLD采用7根逻辑I/O进行逻辑电平单向通讯，实现整个系统的信息交互，七根逻辑I/O的功能分别如图14所示：1)电感电流状态指示；2)控制模式切换指示；3)单片机功率方向变更申请；4)单片机在线的方波指示；5)快速关机指示；6)CPLD功率方向指示；7)故障指示；所有的逻辑I/O均单向工作，保证可靠性。

如图15所示，本实施例还提供了一种大功率双向全桥DC-DC变换器的启停控制方法，该方法基于上述系统实现，包括以下步骤：

S1、开机后通过硬件电路初始化快速关机I/O为低电平，指示此时不允许启动系统；

S2、单片机读取故障指示状态，若此时无故障，则单片机通过定时器中断给出在线方波，CPLD通过循环监测在线方波来判断单片机是否正常工作，同时单片机读取控制台的控制模式指示，并通过控制模式切换指示CPLD要求的控制模式是电压控制模式或电流控制模式；

S3、CPLD在确认单片机在线的情况下读取控制模式指示，并监测信号调理与过限监测模块的状态，如果信号调理与过限监测模块的数据指示系统无异常，则使能PWM产生与驱动模块，并给出功率方向指示，指示单片机此时工作的功率方向是升压方向还是降压方向，此时，根据控制台的控制模式和功率方向，系统已经能够工作在确定的工作模式下了；若启动无故障，则系统进行稳态控制实现系统功能；

S4、若启动过程出现故障，系统的通讯就会被阻断，系统则进入保护模式，修改故障指示I/O为高电平，指示系统已经故障，单片机向控制台发出系统进入保护状态的指示；一方面切断能量源的能量供应，防止系统继续储能最后损坏系统；另一方面开启保护模块，将磁性元件的能量通过电阻释放，防止关断尖峰损坏系统；

S5、若系统进入了保护状态，CPLD维持故障指示，单片机的定时器对故障时间进行判断，若1min之内，系统故障指示没有切掉，则单片机向控制台发出关掉系统的指示，控制台自动修改快速关机I/O为低电平，失能模式启动，等待控制台下一次指令；若1min之内，系统故障消失，则进入故障消失确认程序，通过定时器进行30s判断，若这段时间不再进入系统故障状态，则重新进入步骤S2；

S6、若系统控制台指示停机，则单片机给出快速停机指示，CPLD指示系统进入停机模式，控制PWM产生与驱动模块和保护模块切断能量源供给并释放磁性元件能量，当信号调理与过限监测模块指示磁性元件无能量储存时，失能(即从使能到不使能)所有PWM信号并进入空闲模式等待控制台指令。

综上所述，本实用新型的电路主拓扑采用双向全桥DC-DC变换器，并以CPLD作为数字控制部分，以单片机作为模拟控制部分，通过信号调理与过限监测模块、保护模块以及控制台的状态综合双向全桥DC-DC变换器的启停过程中的各种信息，并通过通讯总线不断询问系统中CPLD和单片机的工作状态，综合所有信息进行流控制，实现大功率双向全桥DC-DC变换器的可靠启停。

以上所述，仅为本实用新型专利较佳的实施例，但本实用新型专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型专利所公开的范围内，根据本实用新型专利的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都属于本实用新型专利的保护范围。