本發(fā)明涉及一種DC-DC變換器的啟?？刂葡到y(tǒng)及方法，尤其是一種大功率雙向全橋DC-DC變換器的啟?？刂葡到y(tǒng)及方法，屬于開關變換器領域。

背景技術：

隨著國家對能耗提出進一步的要求，能在多象限工作系統(tǒng)中實現(xiàn)能量的存儲與釋放的雙向全橋DC-DC變換器受到了廣泛的青睞和認可。但DC-DC變換器是高頻開關變換器，系統(tǒng)的工作容易受到電磁干擾，系統(tǒng)在受到干擾出現(xiàn)故障時無法保證系統(tǒng)能夠可靠停止或者是可靠地重新恢復。而且，在大功率場所，系統(tǒng)的啟停也會引起電壓和電流的突變，可能會引起系統(tǒng)的反復工作而使得系統(tǒng)過載工作。進一步地，雙向雙向全橋DC-DC變換器的雙向工作性質也使得雙向雙向全橋DC-DC變換器的啟動控制更為復雜。

在查閱相關文獻后，大部分針對大功率雙向全橋DC-DC變換器的啟停電路還是停留在軟啟動方式，而軟啟動針對的對象是主拓撲的軟啟動，并沒有針對系統(tǒng)啟動中出現(xiàn)的各種問題進行處理的一種可靠啟動方式。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術的缺陷，提供了一種大功率雙向全橋DC-DC變換器的啟停控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用雙向全橋DC-DC變換器，利用CPLD和單片機的數(shù)模結合來保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)可靠運行。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于上述系統(tǒng)的大功率雙向全橋DC-DC變換器的啟停控制方法。

本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術方案達到：

大功率雙向全橋DC-DC變換器的啟停控制系統(tǒng)，包括雙向全橋DC-DC變換器、信號調理與過限監(jiān)測模塊、PWM產(chǎn)生與驅動模塊、保護模塊、CPLD、單片機以及控制臺，所述信號調理與過限監(jiān)測模塊的輸入端與雙向全橋DC-DC變換器相連，輸出端分別與CPLD和單片機相連；所述CPLD的輸出端分別與PWM產(chǎn)生與驅動模塊和保護模塊的輸入端相連；所述PWM產(chǎn)生與驅動模塊和保護模塊的輸出端與雙向全橋DC-DC變換器相連；所述單片機與CPLD之間通過通訊總線相連，單片機還通過SPI通信總線與控制臺相連。

作為一種優(yōu)選方案，所述雙向全橋DC-DC變換器包括四個IGBT模塊和一個變壓器，其中兩個IGBT模塊與變壓器的高壓端連接，作為降壓IGBT模組，另外兩個IGBT模塊與變壓器的低壓端連接，作為升壓IGBT模組。

作為一種優(yōu)選方案，所述四個IGBT模塊均采用半橋模塊SKM50GB12T4。

作為一種優(yōu)選方案，所述PWM產(chǎn)生與驅動模塊包括降壓PWM控制器和升壓PWM控制器。

作為一種優(yōu)選方案，所述降壓PWM控制器采用T1公司的UC3825芯片，所述升壓PWM控制器采用T1公司的UC3875芯片。

作為一種優(yōu)選方案，所述保護模塊包括多個過壓保護電路和多個啟停保護電路。

作為一種優(yōu)選方案，所述過壓保護電路包括單限比較器和第一電阻，所述單限比較器的輸入端接超級電容電壓，輸出端與第一電阻連接；所述啟停保護電路包括滯環(huán)比較器、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第五電阻和二極管，所述滯環(huán)比較器的輸入端通過第二電阻接超級電容電壓，輸出端通過第三電阻與第四電阻連接，所述二極管的正極與滯環(huán)比較器的輸出端連接，負極通過第五電阻與滯環(huán)比較器的輸入端連接。

作為一種優(yōu)選方案，所述單片機采用TI公司型號為MSP430F5438的單片機，所述CPLD采用Altera公司型號為5M160ZE64；所述單片機和CPLD采用7根邏輯I/O進行邏輯電平單向通訊，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的信息交互。

本發(fā)明的另一目的可以通過采取如下技術方案達到：

基上述系統(tǒng)的大功率雙向全橋DC-DC變換器的啟?？刂品椒?，所述方法包括以下步驟：

S1、開機后通過硬件電路初始化快速關機I/O為低電平，指示此時不允許啟動系統(tǒng)；

S2、單片機讀取故障指示狀態(tài)，若此時無故障，則單片機通過定時器中斷給出在線方波，CPLD通過循環(huán)監(jiān)測在線方波來判斷單片機是否正常工作，同時單片機讀取控制臺的控制模式指示，并通過控制模式切換指示CPLD要求的控制模式是電壓控制模式或電流控制模式；

S3、CPLD在確認單片機在線的情況下讀取控制模式指示，并監(jiān)測信號調理與過限監(jiān)測模塊的狀態(tài)，如果信號調理與過限監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)指示系統(tǒng)無異常，則使能PWM產(chǎn)生與驅動模塊，并給出功率方向指示，指示單片機此時工作的功率方向是升壓方向還是降壓方向；若啟動無故障，則系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)控制實現(xiàn)系統(tǒng)功能；

S4、若啟動過程出現(xiàn)故障，系統(tǒng)的通訊就會被阻斷，系統(tǒng)則進入保護模式，修改故障指示I/O為高電平，指示系統(tǒng)已經(jīng)故障，單片機向控制臺發(fā)出系統(tǒng)進入保護狀態(tài)的指示；

S5、若系統(tǒng)進入了保護狀態(tài)，CPLD維持故障指示，單片機的定時器對故障時間進行判斷，若1min之內，系統(tǒng)故障指示沒有切掉，則單片機向控制臺發(fā)出關掉系統(tǒng)的指示，控制臺自動修改快速關機I/O為低電平，失能模式啟動，等待控制臺下一次指令；若1min之內，系統(tǒng)故障消失，則進入故障消失確認程序，通過定時器進行30s判斷，若這段時間不再進入系統(tǒng)故障狀態(tài)，則重新進入步驟S2；

S6、若系統(tǒng)控制臺指示停機，則單片機給出快速停機指示，CPLD指示系統(tǒng)進入停機模式，控制PWM產(chǎn)生與驅動模塊和保護模塊切斷能量源供給并釋放磁性元件能量，當信號調理與過限監(jiān)測模塊指示磁性元件無能量儲存時，失能所有PWM信號并進入空閑模式等待控制臺指令。

作為一種優(yōu)選方案，所述信號調理與過限監(jiān)測模塊在同一個電壓通道中使用精密電壓源進行一級電壓劃分，劃分為高電壓和低電壓兩個等級；再用精密電阻進行二級電壓劃分，高電壓劃分為：緊急阻耗閾值、過壓閾值和高壓滯環(huán)值；低電壓劃分為：額定參考值、低壓滯環(huán)值和欠壓閾值；其中，閾值類電壓均通過單限比較器實現(xiàn)，在監(jiān)測電壓觸碰到閾值的瞬間，馬上通過硬件實現(xiàn)硬件保護；滯環(huán)值類電壓均通過滯環(huán)比較器實現(xiàn)，滿足在啟停過程中由負載突變而引起電壓突變最后導致系統(tǒng)反復啟停的惡劣狀態(tài)；同理，對電流信號和溫度信號進行同樣的劃分。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術具有如下的有益效果：

1、本發(fā)明的電路主拓撲采用雙向全橋DC-DC變換器，并以CPLD作為數(shù)字控制部分，以單片機作為模擬控制部分，通過信號調理與過限監(jiān)測模塊、保護模塊以及控制臺的狀態(tài)綜合雙向全橋DC-DC變換器的啟停過程中的各種信息，并通過通訊總線不斷詢問系統(tǒng)中CPLD和單片機的工作狀態(tài)，綜合所有信息進行流控制，實現(xiàn)大功率雙向全橋DC-DC變換器的可靠啟停。

2、本發(fā)明的信號調理與過限監(jiān)測模塊采用單限比較器和滯環(huán)比較器能夠防止系統(tǒng)應為啟停電壓電流突變而引起系統(tǒng)反復啟動，同時又能保證在系統(tǒng)發(fā)生故障時第一時間通過硬件保護失能模式。

3、本發(fā)明的單片機和CPLD采用7根邏輯I/O進行邏輯電平單向通訊，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的信息交互，七根邏輯I/O的功能包括電感電流狀態(tài)指示、控制模式切換指示、單片機功率方向變更申請、單片機在線的方波指示、快速關機指示、CPLD功率方向指示、故障指示，由于所有的邏輯I/O均單向工作，可以保證可靠性。

4、本發(fā)明使用單向的I/O電平通訊，通訊的可靠性非常高，同時因為有七根通訊總線，通訊信息飽滿，能保證了系統(tǒng)在啟動過程中時刻快速準確地把握系統(tǒng)的各個模塊是否正常工作并指示其他系統(tǒng)向某個模式驅動，保證系統(tǒng)在啟停過程中能夠保證系統(tǒng)的可靠運行。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的大功率雙向全橋DC-DC變換器的啟?？刂葡到y(tǒng)結構框圖。

圖2為本發(fā)明的雙向全橋DC-DC變換器的控制簡圖。

圖3為本發(fā)明的半橋模塊SKM50GB12T4的結構示意圖。

圖4為本發(fā)明的降壓IGBT模組的電路原理圖。

圖5為本發(fā)明的升壓IGBT模組的電路原理圖。

圖6為本發(fā)明的降壓IGBT模組和升壓IGBT模組的驅動電路原理圖。

圖7為本發(fā)明的降壓PWM控制器原理圖。

圖8為本發(fā)明的升壓PWM控制器原理圖

圖9為本發(fā)明的保護模塊中過壓保護電路的原理圖。

圖10為本發(fā)明的保護模塊中啟停保護電路的原理圖。

圖11為本發(fā)明的信號調理與過限監(jiān)測模塊對電壓劃分的原理圖。

圖12為本發(fā)明的信號調理與過限監(jiān)測模塊中過限監(jiān)測電路的原理圖。

圖13為本發(fā)明的信號調理與過限監(jiān)測模塊中電感電流調理電路的原理圖。

圖14為本發(fā)明的單片機與CPLD之間的通訊總線示意圖。

圖15為本發(fā)明的大功率雙向全橋DC-DC變換器的啟?？刂品椒鞒虉D。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例1：

如圖1所示，本實施例的大功率雙向全橋DC-DC變換器的啟?？刂葡到y(tǒng)包括雙向全橋DC-DC變換器、信號調理與過限監(jiān)測模塊、PWM(Pulse Width ModulatI/On，脈沖寬度調制)產(chǎn)生與驅動模塊、保護模塊、CPLD(Complex Programmable Logic Device，復雜可編程邏輯器件)、單片機以及控制臺；所述信號調理與過限監(jiān)測模塊的輸入端與雙向全橋DC-DC變換器相連，以監(jiān)測雙向全橋DC-DC變換器的電壓、電流和溫度信號，輸出端分別與CPLD和單片機相連；所述CPLD的輸出端分別與PWM產(chǎn)生與驅動模塊和保護模塊的輸入端相連；所述PWM產(chǎn)生與驅動模塊和保護模塊的輸出端與雙向全橋DC-DC變換器相連，驅動功率電路實現(xiàn)功率變換；所述單片機與CPLD之間通過通訊總線相連，單片機還通過SPI通信總線與控制臺相連，與控制臺進行交互。

所述雙向全橋DC-DC變換器的控制如圖2所示，圖中所示的控制器是指CPLD、單片機，CPLD作為數(shù)字控制部分，單片機作為模擬控制部分。

所述雙向全橋DC-DC變換器包括四個IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)模塊和一個變壓器，四個IGBT模塊均采用半橋模塊SKM50GB12T4，每個半橋模塊SKM50GB12T4的結構如圖3所示，其中兩個IGBT模塊與變壓器的高壓端連接，作為降壓IGBT模組，其連接圖如圖4所示，另外兩個IGBT模塊與變壓器的低壓端連接，作為升壓IGBT模組，其連接圖如圖5所示；降壓IGBT模組和升壓IGBT模組的驅動電路如圖6所示。PWM的輸入信號為PWMin輸入到電阻R4后接光耦TLP152，光耦TLP152輸出電平在VDD+15_D2到VEE-15_D2之間的高低電平VO，后通過D1和D2進行驅動電阻選擇，使得驅動信號實現(xiàn)快開慢關，保護IGBT管的驅動級不受損壞；雙向管D7是為了避免驅動信號超過驅動級所需的最高電壓20V；電容C9、C11、C14和C15及穩(wěn)壓管D5和D10實現(xiàn)了光耦的電源退耦和穩(wěn)壓。

所述PWM產(chǎn)生與驅動模塊包括降壓PWM控制器和升壓PWM控制器，所述降壓PWM控制器采用T1公司的UC3825芯片，如圖7所示，BuckCurrentSet輸入到降壓控制器UC3825的NI腳后，通過內部振蕩器和比較器修改輸出PWM的下降沿，從而改變了輸出PWM的占空比，達到PWM占空比控制的效果。其中Ramp_Buck為補償輸入引腳，輸出的PWM波形分2路，為BUCK_AC和BUCK_BD；所述升壓PWM控制器采用T1公司的UC3875芯片，如圖8所示，同理，UC3875根據(jù)輸入信號BoostCurrentSet和斜坡補償信號Ramp_Boost在芯片內部和振蕩器和比較器做比較修改輸出PWM的相對相位，輸出四路相位不同的PWM信號BOOST_A到BOOST_D，達到PWM占空比控制的效果。

所述保護模塊包括多個過壓保護電路和多個啟停保護電路，所述過壓保護電路如圖9所示，包括單限比較器(采用LM319)和第一電阻R117，所述單限比較器LM319的輸入端接超級電容電壓，輸出端與第一電阻R117連接。當超級電壓SuperCapVolt超過設定電壓SuperCapVolt_Set時，單限比較器LM319的U11A的OC門輸出，通過第一電阻R117上拉到VDDA3.3高電平，反之輸出低電平。

所述啟停保護電路如圖10所示，包括滯環(huán)比較器(采用TL074B)、第二電阻R120、第三電阻R126、第四電阻R134、第五電阻R113和二極管，所述滯環(huán)比較器TL074B的輸入端通過第二電阻R120接超級電容電壓，輸出端通過第三電阻R126與第四電阻R134連接，所述二極管的正極與滯環(huán)比較器TL074B的輸出端連接，負極通過第五電阻R113與滯環(huán)比較器TL074B的輸入端連接。當超級電壓SuperCapVolt超過設定電壓SuperCapVolt_Set時，滯環(huán)比較器TL074B的U9A輸出高電平，接近VCC12，通過第三電阻R126與第四電阻R134分壓輸出約為3.3V的SuperCapVolt_StageH信號。反之，輸出低電平。

如圖11所示，為了抑制電磁干擾和啟停時的負載突變，所述信號調理與過限監(jiān)測模塊在同一個電壓通道中使用精密電壓源進行一級電壓劃分，劃分為高電壓和低電壓兩個等級；再用精密電阻進行二級電壓劃分，高電壓劃分為：緊急阻耗閾值、過壓閾值和高壓滯環(huán)值；低電壓劃分為：額定參考值、低壓滯環(huán)值和欠壓閾值；其中，閾值類電壓(緊急阻耗閾值、過壓閾值、額定參考值、欠壓閾值)均通過單限比較器實現(xiàn)，在監(jiān)測電壓觸碰到閾值的瞬間，馬上通過硬件實現(xiàn)硬件保護；滯環(huán)值類電壓(高壓滯環(huán)值、低壓滯環(huán)值)均通過滯環(huán)比較器實現(xiàn)，滿足在啟停過程中由負載突變而引起電壓突變最后導致系統(tǒng)反復啟停的惡劣狀態(tài)；同理，對電流信號和溫度信號進行同樣的劃分；這些信號針對的對象包括：初級電壓與電流、次級電壓與電流、變壓器電流以及電感電流及散熱片上的四個溫度測量共10個測量參數(shù)；其中，信號調理與過限監(jiān)測模塊中過限監(jiān)測電路的原理如圖12所示，當超級電容的電壓超過緊急阻耗閾值時，單限比較器輸出高電平使能阻耗電阻進行能量釋放；當超級電容的電壓超過過壓閾值時，單限比較器向CPLD輸送過壓提示進行保護；當超級電容在高壓和低壓滯環(huán)值之間通過滯環(huán)比較器向CPLD輸送高壓滯環(huán)信號或者是低壓滯環(huán)信號；當超級電容電壓低于欠壓閾值時，單限比較器向CPLD輸送低壓提示進行保護；如果整個過程系統(tǒng)正常，則通過額定參考值進行電壓給定，用于控制系統(tǒng)的輸入。

如圖13所示的信號調理與過限監(jiān)測模塊中電感電流調理電路，該電路對電感的電流進行整流之后分別送進兩種不同的整流電路，向超級電容充電時電感電流為負，此時通過U14D和U14A兩個運算放大器對電感電流進行調理，調理之后電感電流變?yōu)檎娏?。超級電容向外放電時，通過U14C和U14B兩個運算放大器進行調理之后，增強了輸入阻抗，減小了輸出阻抗，保證信號的完整性以得到準確的調理信號。

所述CPLD可以采用Altera公司型號為5M160ZE64，所述單片機可以采用TI公司型號為MSP430F5438的單片機；所述單片機和CPLD采用7根邏輯I/O進行邏輯電平單向通訊，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的信息交互，七根邏輯I/O的功能分別如圖14所示：1)電感電流狀態(tài)指示；2)控制模式切換指示；3)單片機功率方向變更申請；4)單片機在線的方波指示；5)快速關機指示；6)CPLD功率方向指示；7)故障指示；所有的邏輯I/O均單向工作，保證可靠性。

如圖15所示，本實施例還提供了一種大功率雙向全橋DC-DC變換器的啟?？刂品椒?，該方法基于上述系統(tǒng)實現(xiàn)，包括以下步驟：

S1、開機后通過硬件電路初始化快速關機I/O為低電平，指示此時不允許啟動系統(tǒng)；

S2、單片機讀取故障指示狀態(tài)，若此時無故障，則單片機通過定時器中斷給出在線方波，CPLD通過循環(huán)監(jiān)測在線方波來判斷單片機是否正常工作，同時單片機讀取控制臺的控制模式指示，并通過控制模式切換指示CPLD要求的控制模式是電壓控制模式或電流控制模式；

S3、CPLD在確認單片機在線的情況下讀取控制模式指示，并監(jiān)測信號調理與過限監(jiān)測模塊的狀態(tài)，如果信號調理與過限監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)指示系統(tǒng)無異常，則使能PWM產(chǎn)生與驅動模塊，并給出功率方向指示，指示單片機此時工作的功率方向是升壓方向還是降壓方向，此時，根據(jù)控制臺的控制模式和功率方向，系統(tǒng)已經(jīng)能夠工作在確定的工作模式下了；若啟動無故障，則系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)控制實現(xiàn)系統(tǒng)功能；

S4、若啟動過程出現(xiàn)故障，系統(tǒng)的通訊就會被阻斷，系統(tǒng)則進入保護模式，修改故障指示I/O為高電平，指示系統(tǒng)已經(jīng)故障，單片機向控制臺發(fā)出系統(tǒng)進入保護狀態(tài)的指示；一方面切斷能量源的能量供應，防止系統(tǒng)繼續(xù)儲能最后損壞系統(tǒng)；另一方面開啟保護模塊，將磁性元件的能量通過電阻釋放，防止關斷尖峰損壞系統(tǒng)；

S5、若系統(tǒng)進入了保護狀態(tài)，CPLD維持故障指示，單片機的定時器對故障時間進行判斷，若1min之內，系統(tǒng)故障指示沒有切掉，則單片機向控制臺發(fā)出關掉系統(tǒng)的指示，控制臺自動修改快速關機I/O為低電平，失能模式啟動，等待控制臺下一次指令；若1min之內，系統(tǒng)故障消失，則進入故障消失確認程序，通過定時器進行30s判斷，若這段時間不再進入系統(tǒng)故障狀態(tài)，則重新進入步驟S2；

S6、若系統(tǒng)控制臺指示停機，則單片機給出快速停機指示，CPLD指示系統(tǒng)進入停機模式，控制PWM產(chǎn)生與驅動模塊和保護模塊切斷能量源供給并釋放磁性元件能量，當信號調理與過限監(jiān)測模塊指示磁性元件無能量儲存時，失能(即從使能到不使能)所有PWM信號并進入空閑模式等待控制臺指令。

綜上所述，本發(fā)明的電路主拓撲采用雙向全橋DC-DC變換器，并以CPLD作為數(shù)字控制部分，以單片機作為模擬控制部分，通過信號調理與過限監(jiān)測模塊、保護模塊以及控制臺的狀態(tài)綜合雙向全橋DC-DC變換器的啟停過程中的各種信息，并通過通訊總線不斷詢問系統(tǒng)中CPLD和單片機的工作狀態(tài)，綜合所有信息進行流控制，實現(xiàn)大功率雙向全橋DC-DC變換器的可靠啟停。

以上所述，僅為本發(fā)明專利較佳的實施例，但本發(fā)明專利的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明專利所公開的范圍內，根據(jù)本發(fā)明專利的技術方案及其發(fā)明構思加以等同替換或改變，都屬于本發(fā)明專利的保護范圍。