專利名稱：一種數(shù)字直控式dc/dc變流電路及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字直控式DC/DC變流電路及方法，尤其是同時(shí)具有高效率、高可靠性和用數(shù)字直接控制的變流電路及方法，屬于電力電子變流技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的PWM (脈沖寬度調(diào)制)變流電路和方法存在以下問(wèn)題:
1、存在開(kāi)關(guān)損耗
形成開(kāi)關(guān)損耗的原因是PWM功率開(kāi)關(guān)器件在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中流過(guò)的電流和端電壓不能同時(shí)為零，因此，其乘積即為該器件在本次轉(zhuǎn)換過(guò)程承受的開(kāi)關(guān)損耗。在已有技術(shù)中，主要采用軟開(kāi)關(guān)方式來(lái)解決開(kāi)關(guān)損耗問(wèn)題，但實(shí)踐結(jié)果表明，軟開(kāi)關(guān)方式只有在輸出功率變化范圍不大的變流主回路中采用時(shí)，降低開(kāi)關(guān)損耗的效果較好，而將其應(yīng)用于輸出功率變化范圍很大的變流主回路(如三相變頻調(diào)速器的變流主回路)中時(shí)，效果不理想。2、過(guò)負(fù)載或輸出短路時(shí)功率主開(kāi)關(guān)器件易損壞
現(xiàn)有技術(shù)對(duì)過(guò)負(fù)載或輸出短路的情況，主要采用過(guò)流速斷方式來(lái)保護(hù)功率開(kāi)關(guān)器件；但大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，這種保護(hù)方式并不可靠。原因是線路中存在分布電感，因而在功率開(kāi)關(guān)器件快速關(guān)斷時(shí)，分布電感上會(huì)由于通過(guò)的電流快速變化而形成極高尖峰電壓，該尖峰電壓與電源正向串聯(lián)后，作用于功率開(kāi)關(guān)器件而導(dǎo)致功率開(kāi)關(guān)器件直接被擊穿損壞。3、不能用數(shù)字方式直接對(duì)功率主開(kāi)關(guān)器件實(shí)施控制
現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)PWM的 控制方式有固定頻率調(diào)脈寬方式、固定脈寬調(diào)頻率方式和調(diào)頻調(diào)寬結(jié)合方式三種，這些方式均并不能用數(shù)字方式直接控制，而必須先將數(shù)字編碼轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的脈寬后，才對(duì)功率主開(kāi)關(guān)器件實(shí)施控制，這在本質(zhì)上已經(jīng)轉(zhuǎn)換為模擬控制方式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適用于高頻直流斬波電源及恒功率負(fù)載的數(shù)字直控式DC/DC變流電路及方法，采用電容作為系統(tǒng)能量流的計(jì)量媒介，以LC串聯(lián)方式完成系統(tǒng)全部能量的傳遞與合成，以離散能量脈沖編碼方式來(lái)決定單位時(shí)間內(nèi)從電源輸送到負(fù)載的能量值，通過(guò)普通熔斷方式進(jìn)行保護(hù)，解決現(xiàn)有技術(shù)容易燒毀主回路中功率開(kāi)關(guān)器件、不能使用數(shù)字方式直接對(duì)功率主開(kāi)關(guān)器件實(shí)施控制和開(kāi)關(guān)損耗大的問(wèn)題。本發(fā)明的數(shù)字直控式DC/DC變流電路，包括直流電源、控制電路、權(quán)能量脈沖編碼橋組、濾波電容和負(fù)載；直流電源的正極與權(quán)能量脈沖編碼橋組的公共輸入端相連、負(fù)極接地并同時(shí)與濾波電容的負(fù)極和負(fù)載的下端相連，權(quán)能量脈沖編碼橋組的公共輸出端與濾波電容的正極和負(fù)載的上端相連；權(quán)能量脈沖編碼橋組由
n個(gè)結(jié)構(gòu)相同的權(quán)能量斬波橋ph1、ph{、ph2、…pbn_2、pbn_x組成，控制電路中的n
個(gè)權(quán)控制單元知^kl……tn_2 的信號(hào)輸出端分別與權(quán)能量脈沖編碼橋組中的 個(gè)權(quán)能量斬波橋中各個(gè)主可控硅的觸發(fā)極相連，權(quán)能量脈沖編碼橋組的公共輸入端與《個(gè)權(quán)能量斬波橋的n個(gè)電源輸入端4、<……dn_2、dn_x相連，權(quán)能量脈沖編碼橋組的公共輸出端與個(gè)權(quán)能量斬波橋的η個(gè)電源輸出端Po、Pl……Pn-2、h相連。在上述的權(quán)能量脈沖編碼橋組中，每個(gè)權(quán)能量斬波橋包括四只主可控硅R1、V12、!^3、R4 ,權(quán)計(jì)量電容C1 ,平波電抗器Z1，續(xù)流二極管FD11，輸出二極管FD12和保險(xiǎn)管FS1。第一主可控硅F11和第三主可控硅F13陽(yáng)極連接在一起，構(gòu)成該權(quán)能量斬波橋Pbl的電源輸入端Si ;第一主可控硅F11的陰極、第二主可控硅F12的陽(yáng)極與權(quán)計(jì)量電容C1的上端相連，權(quán)計(jì)量電容Ci1的下端與第三主可控硅K3的陰極、第四主可控硅F14的陽(yáng)極相連，第二主可控硅F12、第四主可控硅F14的陰極與續(xù)流二極管PD11的陰極、平波電抗器Z1的左端相連；續(xù)流二極管FD11的陽(yáng)極接地；平波電抗器Z1的右端與輸出二極管V2的陽(yáng)極相連，輸出~二極管的陰極與保險(xiǎn)管的左端相連，保險(xiǎn)管FS1的右端為此權(quán)能量斬波橋的功率輸出端P1 ;四只主可控硅F11、Fi2、G3、Fi4的門極與控制電路中的權(quán)控制單元#的四個(gè)信號(hào)輸出端相連；1=0，1，2，3，……/7-1。所述權(quán)能量脈沖編碼橋組的n個(gè)結(jié)構(gòu)相同的權(quán)能量斬波橋pbQ、Phl、pb2、…pbn_2、phnA中，編碼最低的權(quán)能量斬波橋pbQ的權(quán)計(jì)量電容的容量為I個(gè)基本單位Cf
;而編碼高于最低位的其它權(quán)能量斬波橋、ph2、...phn_2、phnA中，各權(quán)計(jì)量電容的容量分別為21 Cf、22 C、……IT2 C^TaC ;即第I +1個(gè)權(quán)能量斬波橋中的權(quán)計(jì)量電容C1 的容量SC1 = I1C , 1=0,1,2,3,……/7-1。上述的權(quán)能量斬波橋中的數(shù)量《根據(jù)實(shí)際需要確定。孔的取值越大，權(quán)能量脈沖編碼橋組3中所包含的w個(gè)權(quán)能量斬波橋/ 、Pbl、pb2、…pbn_2、phn_x能提供的權(quán)能量脈沖量化誤差就越小，其輸出的權(quán)能量脈沖精度就越高。所述數(shù)字直控式DC/DC變流方法是:將輸出波形在單位時(shí)間范圍內(nèi)需要輸出的能量按權(quán)值分解為對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制編碼，然后使分解后權(quán)值為I的對(duì)應(yīng)權(quán)控制單元在確定的時(shí)刻輸出觸發(fā)脈沖，使對(duì)應(yīng)權(quán)能量斬波橋的可控硅觸發(fā)導(dǎo)通，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制編碼的權(quán)能量脈沖，同時(shí)將這些能量脈沖以并聯(lián)合成的方式輸出到系統(tǒng)的濾波電容4和負(fù)載5上。本發(fā)明的原理是:
一、權(quán)值分解
參見(jiàn)

圖1，要使權(quán)能量脈沖編碼橋組3產(chǎn)生負(fù)載5在單位時(shí)間內(nèi)所需要的能量，就必須在控制電路2中將負(fù)載5所需的能量按權(quán)值分解為對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制編碼，該二進(jìn)制編碼的數(shù)位Dq、D1、D2......Dn_2、D n_x位分別對(duì)應(yīng)于權(quán)能量斬波橋/ , phx 'Ph2
、……Ph—2、PK-1。
權(quán)能量脈沖編碼橋組3中包含了 n個(gè)結(jié)構(gòu)相同的權(quán)能量斬波橋pt^、Pbl、ph2、……pbn_2、Phn^l ,^r個(gè)權(quán)能量斬波橋在單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的權(quán)能量脈沖所包含的能量值分別為民、P'、P2." i^_2、Pf1-1。若負(fù)載5在單位時(shí)間內(nèi)所需要的能量Pr，對(duì)Pr進(jìn)行權(quán)值分解的過(guò)程如下:
第I次權(quán)值分解:第I次權(quán)值分解時(shí)將Pr作為第I次權(quán)值分解量，將Pr與第個(gè)權(quán)能量斬波橋在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的權(quán)能量脈沖所包含的能量進(jìn)行對(duì)比:
如果Pr大于或等于Pp1，就令第β個(gè)權(quán)能量斬波橋所對(duì)應(yīng)的權(quán)值為1，則二進(jìn)制編碼的位為1，同時(shí)令權(quán)值分解量變?yōu)椋?br> 如果小于，就令第η個(gè)權(quán)能量斬波橋所對(duì)應(yīng)的權(quán)值為0，則二進(jìn)制編碼的 位為0，同時(shí)權(quán)值分解量不變，依舊為。第2次權(quán)值分解:此時(shí)把第I次權(quán)值分解以后得到的權(quán)值分解量巧(或Pr )作為第2次權(quán)值分解量，第2次分解時(shí)用(或Pj5 )來(lái)與第n — if權(quán)能量斬波橋在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的權(quán)能量脈沖包含的能量i^2對(duì)比，對(duì)比過(guò)程和第I次一樣，對(duì)比以后可得到第《.-1個(gè)權(quán)能量斬波橋所對(duì)應(yīng)的權(quán)值(I或0)，則二進(jìn)制編碼的D 位為I (或O ),同時(shí)權(quán)值分解量就變?yōu)镻j1- h — f“-2 (或Pu - P -2 )。第3次 第!I次權(quán)值分解■ 這η - 2次權(quán)值分解過(guò)程和前兩次一樣，故在此不再累述。在對(duì)比的過(guò)程中，若某一次權(quán)值`分解后權(quán)值分解量等于零，那么就不再繼續(xù)進(jìn)行權(quán)值分解并且使剩余的權(quán)能量斬波橋所對(duì)應(yīng)的權(quán)值都為零，則剩余的權(quán)能量斬波橋所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制編碼也為零。這樣最多進(jìn)行《次權(quán)值分解以后，就會(huì)得到K個(gè)權(quán)值，這些權(quán)值都是I或者0，這 個(gè)權(quán)值分別對(duì)應(yīng)于《個(gè)結(jié)構(gòu)相同的權(quán)能量斬波橋，這就實(shí)現(xiàn)了控制電路2將負(fù)載5在單
位時(shí)間內(nèi)所需要的能量按權(quán)值分解為對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制編碼的過(guò)程。二、權(quán)能量斬波橋產(chǎn)生權(quán)能量脈沖
在權(quán)能量脈沖編碼橋組3中有〃個(gè)權(quán)能量斬波橋(參見(jiàn)圖2)，η個(gè)權(quán)能量斬波橋的結(jié)
構(gòu)及工作方式完全相同，但是斬波橋中的權(quán)計(jì)量電容C0、C1、C2…c _2、的容值不同。圖2為權(quán)能量斬波橋的具體電路，其實(shí)質(zhì)是權(quán)能量脈沖形成電路，其中直流電源I的值為E，工作過(guò)程如下:
Ui0時(shí)刻之前
電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，權(quán)計(jì)量電容C1兩端電壓為E，Uci極性為下正上負(fù)，的電壓為零。2、匕~勻期間
,,時(shí)刻同時(shí)觸發(fā)第一主可控硅F11和第四主可控硅F14，使之導(dǎo)通，t0時(shí)刻權(quán)能量斬波橋輸出端的電壓U91為2E，隨后，權(quán)計(jì)量電容C1開(kāi)始釋放能量，其電SCZa極性仍為下正上負(fù)，^ql從2E開(kāi)始不斷下降。考慮到負(fù)載5兩端并聯(lián)了大容量的濾波電容4，因此負(fù)載5端電壓M0在脈沖周期
內(nèi)設(shè)為恒定，并在忽略電路中可控硅和導(dǎo)線的壓降后，根據(jù)電路相關(guān)計(jì)算，得:
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字直控式DC/DC變流電路，包括直流電源(I )、控制電路(2)、權(quán)能量脈沖編碼橋組(3)、濾波電容(4)和負(fù)載(5)，其特征在于:直流電源(I)的正極與權(quán)能量脈沖編碼橋組(3)的公共輸入端(6)相連、負(fù)極接地并同時(shí)與濾波電容(4)的負(fù)極和負(fù)載(5)的下端相連，權(quán)能量脈沖編碼橋組(3)的公共輸出端(7)與濾波電容(4)的正極和負(fù)載(5)的上端相連；權(quán)能量脈沖編碼橋組(3)由廣個(gè)結(jié)構(gòu)相同的權(quán)能量斬波橋ptjQ、Pbl、ph2、…pbn_2、phnA組成，控制電路(2)中的η個(gè)權(quán)控制單元蠔、女I……h(huán) 的信號(hào)輸出端分別與權(quán)能量脈沖編碼橋組(3)中的《個(gè)權(quán)能量斬波橋中各個(gè)主可控硅的觸發(fā)極相連，權(quán)能量脈沖編碼橋組(3)的公共輸入端(6)與個(gè)權(quán)能量斬波橋的個(gè)電源輸入端七、4......七_(dá)；2、<-1相連，權(quán)能量脈沖編碼橋組(3)的公共輸出端(7)與n個(gè)權(quán)能量斬波橋的;1個(gè)電源輸出端P0 > P1......Pn-2、Pn-1 相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字直控式DC/DC變流電路，其特征在于:所述權(quán)能量脈沖編碼橋組(3)中，每個(gè)權(quán)能量斬波橋包括四只主可控硅F11、F12、F13、F14，權(quán)計(jì)量電容C1，平波電抗器Z1 ,續(xù)流二極管Ffl11 ,輸出二極管J7D12和保險(xiǎn)管FSf1 ;第一主可控硅F1I和第三主可控硅F13陽(yáng)極連接在一起，構(gòu)成該權(quán)能量斬波橋Pbl的電源輸入端Ci1 ;第一主可控硅Z11的陰極、第二主可控硅K12的陽(yáng)極與權(quán)計(jì)量電容C1的上端相連，權(quán)計(jì)量電容C1的下端與第三主可控硅K 3的陰極、第四主可控硅F14的陽(yáng)極相連，第二主可控硅F12、第四主可控硅F14的陰極與續(xù)流二極管FD11的陰極、平波電抗器Z1的左端相連；續(xù)流二極管FD11的陽(yáng)極接地；平波電抗器I1的右端與輸出二極管FDn的陽(yáng)極相連，輸出二極管VD12的陰極與保險(xiǎn)管FS1的左端相連，保險(xiǎn)管KS1的右端為此權(quán)能量斬波橋/ 的功率輸出端,i ;四只主可控硅F11、F12、匕、F14的門極與控制電路(2)中的權(quán)控制單元冬的四個(gè)信號(hào)輸出端相連；1=0，1，2，3，……/7-1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字直控式DC/DC變流電路，其特征在于:所述權(quán)能量脈沖編碼橋組(3)的個(gè)結(jié)構(gòu)相同的權(quán)能量斬波橋pbQ、p、、pb2、…pbn_2、phn_x中，編碼最低的權(quán)能量斬波橋/ 的權(quán)計(jì)量電容的容量為I個(gè)基本單位CT ;而編碼高于最低位的其它權(quán)能量斬波橋phx、ph2、…pbn—1、pK-\中，各權(quán)計(jì)量電容的容量分別為I1C、I2C、……T~2C、T~lC。
4.一種數(shù)字直控式DC/DC變流方法，其特征在于:將輸出波形在單位時(shí)間范圍內(nèi)需要輸出的能量按權(quán)值分解為對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制編碼，然后使分解后權(quán)值為I的對(duì)應(yīng)權(quán)控制單元在確定的時(shí)刻輸出觸發(fā)脈沖，使對(duì)應(yīng)權(quán)能量斬波橋的可控硅觸發(fā)導(dǎo)通，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制編碼的權(quán)能量脈沖，同時(shí)將這些能量脈沖以并聯(lián)合成的方式輸出到系統(tǒng)的輸出濾波電容(4)和負(fù)載(5) 上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種數(shù)字直控式DC/DC變流電路及方法，屬于電力電子變流技術(shù)領(lǐng)域。包括直流電源、控制電路、權(quán)能量脈沖編碼橋組、濾波電容和負(fù)載，直流電源的正極與權(quán)能量脈沖編碼橋組的公共輸入端相連、負(fù)極接地并與濾波電容負(fù)極和負(fù)載的下端相連，權(quán)能量脈沖編碼橋組包括個(gè)結(jié)構(gòu)相同的權(quán)能量斬波橋，其公共輸出端與濾波電容正極和負(fù)載的上端相連；控制電路中個(gè)權(quán)控制單元的信號(hào)輸出端分別與權(quán)能量脈沖編碼橋組中的個(gè)權(quán)能量斬波橋中各主可控硅的觸發(fā)極相連。以離散能量脈沖編碼方式傳輸能量，以電容作為系統(tǒng)能量流的計(jì)量媒介，以LC串聯(lián)方式完成系統(tǒng)能量的傳遞與合成，可使用數(shù)字方式直接控制功率主開(kāi)關(guān)器件，開(kāi)關(guān)損耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。
文檔編號(hào)H02M3/135GK103151918SQ20131009419
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月22日
發(fā)明者張英爭(zhēng), 盧誠(chéng), 謝鴻齡, 王瀟, 聶俊飛 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)