一种两级式双向DC/DC变换器及其反向启动控制方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种两级式双向dc/dc变换器及其反向启动控制方法。

背景技术：

图1示出了一种典型的两级式双向dc/dc变换器，包括调压的前级dc/dc变换器10和隔离的后级谐振变换器20，其中后级谐振变换器20至少由逆变/整流单元2、谐振变换单元3、整流/逆变单元4依次级联而成。

在正向工作时，前级dc/dc变换器10将高压母线电压vh转换为稳定的中间母线电压vm，vm再经过逆变/整流单元2的逆变、谐振变换单元3的固定增益(固定增益小于1)输出、整流/逆变单元4的同步整流而转换成高效、稳定的低压母线电压vl。在反向工作时，vl经过整流/逆变单元4的逆变、谐振变换单元3的固定增益(固定增益小于1)输出、逆变/整流单元2的同步整流转换成vm，前级dc/dc变换器10再根据vm的大小，工作在不同模式来实现恒压输出。

但是，由于在正向工作时谐振变换单元3的固定增益小于1，所以在正向工作时vm必然大于vl；在正向工作切换到反向工作瞬间(即反向启动瞬间)，由于母线电容两端电压即母线电压不能突变，所以切换后vm、vl瞬间电压仍等于切换前vm、vl瞬间电压；但是在反向启动瞬间存在的vm＞vl工况会导致中间母线能量倒灌，从而引起谐振电流冲击，甚至直接引起逆变/整流单元2炸管。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种两级式双向dc/dc变换器及其反向启动控制方法，以避免反向启动瞬间发生中间母线能量倒灌。

一种两级式双向dc/dc变换器的反向启动控制方法，所述两级式双向dc/dc变换器包括调压的前级dc/dc变换器和隔离的后级谐振变换器，其中所述后级谐振变换器至少由逆变/整流单元、谐振变换单元、整流/逆变单元依次级联而成；所述反向启动控制方法包括：

在接收到反向启动指令时，保持所述前级dc/dc变换器和所述逆变/整流单元处于停机状态，控制所述整流/逆变单元缓启动；

在所述整流/逆变单元缓启动结束时，控制所述前级dc/dc变换器缓启动，建立高压母线电压；

在建立高压母线电压后，控制所述逆变/整流单元启动，使所述两级式双向dc/dc变换器进入反向工作状态。

可选的，所述控制所述逆变/整流单元启动前，还包括：

判断所述两级式双向dc/dc变换器的负载是否处于轻载状态，若否，执行所述控制所述逆变/整流单元启动的步骤。

可选的，所述判断所述两级式双向dc/dc变换器的负载是否处于轻载状态，包括：判断预设点的采样电流是否小于设定值，若是，判定两级式双向dc/dc变换器的负载处于轻载状态。

可选的，所述预设点的采样电流为高压母线电流、低压母线电流、中间母线电流或所述前级dc/dc变换器中的电感电流。

一种两级式双向dc/dc变换器，包括主电路和控制电路；

所述主电路包括调压的前级dc/dc变换器和隔离的后级谐振变换器，其中所述后级谐振变换器至少由逆变/整流单元、谐振变换单元、整流/逆变单元依次级联而成；

所述控制电路用于在接收到反向启动指令时，保持所述前级dc/dc变换器和所述逆变/整流单元处于停机状态，控制所述整流/逆变单元缓启动；在所述整流/逆变单元缓启动结束时，控制所述前级dc/dc变换器缓启动，建立高压母线电压；以及在建立高压母线电压后，控制所述逆变/整流单元启动，使所述两级式双向dc/dc变换器进入反向工作状态。

可选的，所述控制电路在控制所述逆变/整流单元启动前，还用于判断所述两级式双向dc/dc变换器的负载是否处于轻载状态，若否，控制所述逆变/整流单元启动。

可选的，所述控制电路具体用于判断预设点的采样电流是否小于设定值，若是，判定所述两级式双向dc/dc变换器的负载处于轻载状态。

可选的，所述预设点的采样电流为高压母线电流、低压母线电流、中间母线电流或所述前级dc/dc变换器中的电感电流。

可选的，所述前级dc/dc变换器采用buck拓扑、boost拓扑或buck-boost拓扑。

可选的，所述谐振变换单元采用lc谐振变压器拓扑或llc谐振变压器拓扑。

从上述的技术方案可以看出，本发明在接收到反向启动指令时，控制逆变/整流单元延时启动，延时期间谐振变换单元输出电流只能流过逆变/整流单元内的体二极管，由于体二极管的单向导电性所以两级式双向dc/dc变换器正向工作时积累的中间母线能量不能倒灌到低压母线上；而且延时期间这部分中间母线能量将供给高压母线上的负载而使得vm＜vl，这样即便是在逆变/整流单元启动后也不会发生这部分中间母线能量倒灌到低压母线的情况，从而解决了现有技术存在的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术公开的一种两级式双向dc/dc变换器结构示意图；

图2为本发明实施例公开的一种两级式双向dc/dc变换器反向启动控制方法流程图；

图3为本发明实施例公开的又一种两级式双向dc/dc变换器反向启动控制方法流程图；

图4为本发明实施例公开的一种两级式双向dc/dc变换器具体拓扑结构示意图；

图5为本发明实施例公开的一种lc谐振腔结构示意图；

图6为本发明实施例公开的一种轻载时由lc谐振腔变成的llcc谐振腔结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为避免图1所示两级式双向dc/dc变换器在反向启动瞬间发生中间母线能量倒灌，本发明实施例公开了一种两级式双向dc/dc变换器的反向启动控制方法，如图2所示，包括：

步骤s01：在接收到反向启动指令时，保持前级dc/dc变换器10和逆变/整流单元2处于停机状态，控制整流/逆变单元4缓启动。

具体的，控制整流/逆变单元4缓启动，就是控制整流/逆变单元4内的功率管的占空比逐步增加到最大值，从而使得施加在谐振变换单元3上的电压逐步增大。之所以要控制整流/逆变单元4缓启动，是由于谐振变换单元3的谐振腔阻抗很小，如果反向启动瞬间施加在谐振变换单元3上的电压过大，会对谐振腔带来很大的谐振电流冲击，所以本实施例通过让反向启动时施加在谐振变换单元3上的电压逐步增大，来减小反向启动瞬间的谐振电流冲击。

步骤s02：控制前级dc/dc变换器10缓启动，建立高压母线电压。

具体的，本实施例之所以在整流/逆变单元4缓启动结束后，再控制前级dc/dc变换器10启动，是因为：整流/逆变单元4和前级dc/dc变换器10都启动后，高、低压母线之间将形成反向电流通路，反向电流流向如图1中箭头所示；整流/逆变单元4缓启动开始瞬间内部功率管的占空比很小，如果此时启动前级dc/dc变换器10形成反向电流通路，则整流/逆变单元4会输出过大的电流而烧毁电路，因此本实施例在整流/逆变单元4内功率管的占空比稳定在最大占空比(也就是整流/逆变单元4缓启动结束后，此时整流/逆变单元4的输出电流相对较小)再开始启动前级dc/dc变换器10。

前级dc/dc变换器10缓启动结束后，高压母线电压得以建立。高压母线电压的建立，意味着两级式双向dc/dc变换器反向启动完成。

在两级式双向dc/dc变换器反向启动过程中，由于逆变/整流单元2并未启动，所以逆变/整流单元2内各功率管均处于关断状态，反向电流只能经过逆变/整流单元2内的体二极管流出，体二极管的单向导电性使得两级式双向dc/dc变换器正向工作时积累的中间母线能量不能倒灌到低压母线上，从而避免了反向启动瞬间发生中间母线能量倒灌。

步骤s03：控制逆变/整流单元2启动，使两级式双向dc/dc变换器进入反向工作状态。

具体的，前级dc/dc变换器10缓启动过程中，因为形成了反向电流通路，所以两级式双向dc/dc变换器正向工作时积累的中间母线能量会输出给高压母线上的负载，中间母线电压vm逐渐降低为低于低压母线电压vl。所以在前级dc/dc变换器10缓启动结束后，再控制逆变/整流单元2的功率管进行开关动作，虽然此时逆变/整流单元2不再是单向导通电路，但也不会发生两级式双向dc/dc变换器正向工作时积累的中间母线能量倒灌。

启动逆变/整流单元2后，两级式双向dc/dc变换器进入反向工作状态，在反向工作状态下，vl经过整流/逆变单元4的逆变、谐振变换单元3的固定增益(固定增益小于1)输出、逆变/整流单元2的同步整流转换成vm，前级dc/dc变换器10再根据vm的大小，工作在不同模式来实现恒压输出。

由以上描述可知，本实施例在接收到反向启动指令时，控制逆变/整流单元2延时启动，延时期间谐振变换单元3输出电流只能流过逆变/整流单元2内的体二极管，由于体二极管的单向导电性所以两级式双向dc/dc变换器正向工作时积累的中间母线能量不能倒灌到低压母线上；而且延时期间这部分中间母线能量也将供给高压母线上的负载而使得vm＜vl，这样即便是在逆变/整流单元2启动后也不会发生这部分中间母线能量倒灌的情况，从而解决了现有技术存在的问题。

在图2的基础上，本发明实施例还公开了两级式双向dc/dc变换器的又一种反向启动控制方法，如图3所示，包括：

步骤s01：在接收到反向启动指令时，保持前级dc/dc变换器10和逆变/整流单元2处于停机状态，控制整流/逆变单元4缓启动。

步骤s02：控制前级dc/dc变换器10缓启动，建立高压母线电压。

步骤s03：判断两级式双向dc/dc变换器的负载是否处于轻载状态；若是，返回步骤s03，若否，进入步骤s04；

具体的，由于两级式双向dc/dc变换器的负载大小跟功率正相关，功率大小跟预设点电流(例如低压母线电流、高压母线电流、中间母线电流、前级dc/dc变换器10中的电感电流等)正相关，所以可以根据电流大小判断双向dc/dc变换器是否处于轻载状态，具体的，当预设点的采样电流小于设定值时，判定两级式双向dc/dc变换器的负载处于轻载状态，而当预设点的采样电流不小于所述设定值时，判定两级式双向dc/dc变换器的负载处于重载状态。

步骤s04：控制逆变/整流单元2启动，使两级式双向dc/dc变换器进入反向工作状态。

具体的，在轻载时，逆变/整流单元2不进行开关动作，反向电流通过逆变/整流单元2的体二极管流出；轻载时，逆变/整流单元2内体二极管的导通时间小于整流/逆变单元4内功率管的导通时间，当逆变/整流单元2内体二极管不导通而整流/逆变单元4内功率管仍在导通时，谐振电流会给逆变/整流单元2内功率管的寄生电容充/放电，逆变/整流单元2内功率管的寄生电容与谐振变换单元3内变压器的励磁电感参与谐振，使谐振腔结构发生改变，例如由原本的lc谐振腔变化为llcc谐振腔。

举例说明：图4仅以dc/dc变换器10采用buck-boost拓扑、逆变/整流单元2和整流/逆变单元4均采用全桥拓扑、谐振变换单元3采用lc谐振变压器拓扑作为示例，图3中的cr和lr分别是谐振电容和谐振电感，s5、s6是逆变/整流单元2的一个桥臂上的上、下功率管，s7、s8是逆变/整流单元2的另一桥臂上的上、下功率管。但实际上逆变/整流单元2内的各个功率管都存在寄生电容(参见图5中示出的s5～s8上并联的电容)，并且谐振变换单元3内的变压器存在励磁电感lm(参见图5)，谐振电流ilr给逆变/整流单元2内功率管的寄生电容充/放电前，从变压器低压侧折算到高压侧的电流ipri会分流成谐振电流ilr和励磁电流ilm，其中谐振电流ilr回路为：lm→lr→cr→s5的体二极管→中间母线电容cm→s8的体二极管(参见图5)，此时的谐振腔是由cr和lr构成的lc谐振腔。而在谐振电流ilr给逆变/整流单元2内功率管的寄生电容充/放电过程中，谐振电流ilr就是励磁电流ilm，如图6所示，谐振电流ilr回路变为：lm→s7的寄生电容→s5的寄生电容→cr→lr→lm，以及lm→s8的寄生电容→s6的寄生电容→cr→lr→lm这两条支路，此时的谐振腔是由lr、lm、cr、寄生电容构成的llcc谐振腔。可见，反向工作状态下，两级式双向dc/dc变换器的负载为轻载时，由原本的lc谐振腔变成了llcc谐振腔。

谐振腔增益会随谐振腔结构的改变发生改变。随着两级式双向dc/dc变换器的负载的增大，逆变/整流单元2内体二极管的导通时间逐渐恢复到与整流/逆变单元4内功率管的导通时间一致，谐振腔结构和谐振腔增益也恢复到初始状态。在轻载时启动逆变/整流单元2，会由于谐振腔增益不稳定而导致逆变/整流单元2启动电压不稳定，也增加了前级dc/dc变换器10的动态响应要求，而且谐振腔增益有可能变化为大于1，导致轻载期间积蓄的中间母线能量倒灌，所以本实施例在轻载时暂不启动逆变/整流单元2、等到由轻载切换到重载时再启动逆变/整流单元2。

可见，相较于图2所示实施例的技术方案，图3所示实施例的技术方案不仅避免了两级式双向dc/dc变换器反向启动瞬间发生中间母线能量倒灌，还避免了两级式双向dc/dc变换器反向工作时的负载为轻载时发生中间母线能量倒灌。

与上述方法实施例相对应的，本发明实施例还公开了一种两级式双向dc/dc变换器，包括主电路和控制电路；

所述主电路包括调压的前级dc/dc变换器和隔离的后级谐振变换器，其中所述后级谐振变换器至少由逆变/整流单元、谐振变换单元、整流/逆变单元依次级联而成；

所述控制电路用于在接收到反向启动指令时，保持所述前级dc/dc变换器和所述逆变/整流单元处于停机状态，控制所述整流/逆变单元缓启动；在所述整流/逆变单元缓启动结束时，控制所述前级dc/dc变换器缓启动，建立高压母线电压；以及在建立高压母线电压后，控制所述逆变/整流单元启动，使所述两级式双向dc/dc变换器进入反向工作状态。

分析可知，本实施例是在接收到反向启动指令时，控制逆变/整流单元延时启动，而延时期间谐振变换单元输出电流只能流过逆变/整流单元内的体二极管，由于体二极管的单向导电性所以两级式双向dc/dc变换器正向工作时积累的中间母线能量不能倒灌到低压母线上；而且延时期间这部分中间母线能量将供给高压母线上的负载而使得vm＜vl，这样即便是在逆变/整流单元启动后也不会发生这部分中间母线能量倒灌到低压母线的情况，从而解决了现有技术存在的问题。

可选的，所述控制电路在控制所述逆变/整流单元启动前，还用于判断所述两级式双向dc/dc变换器的负载是否处于轻载状态，若否，控制所述逆变/整流单元启动。此时，两级式双向dc/dc变换器不仅避免了反向启动瞬间发生中间母线能量倒灌，还避免了反向工作时的负载为轻载时发生中间母线能量倒灌。

可选的，所述控制电路具体用于判断预设点的采样电流是否小于设定值，若是，判定所述两级式双向dc/dc变换器的负载处于轻载状态，若否，判定所述两级式双向dc/dc变换器的负载处于重载状态。

可选的，所述预设点的采样电流为高压母线电流、低压母线电流、中间母线电流或所述前级dc/dc变换器中的电感电流，并不局限。

可选的，所述前级dc/dc变换器可以采用buck(降压型)、boost(升压型)或buck-boost(升降压型)拓扑，并不局限。

可选的，所述谐振变换单元可以采用lc谐振变压器拓扑或llc谐振变压器拓扑，并不局限。

可选的，所述逆变/整流单元、整流/逆变单元可以均采用全桥拓扑，也可以均采用半桥拓扑，并不局限。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的控制电路而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

专业人员可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。