一种双向DCDC电路和一种双向DCDC电线母线平衡方法

摘要

本发明提供了一种双向DCDC电路，所述电路包括：超级电容；与所述超级电容两端连接的第一负载单元和第二负载单元；与所述第一负载单元和第二负载单元连接的DCDC变流器，所述DCDC变流器包括多组并联的IGBT桥臂，所述DCDC变流器用于对电路系统的功率进行转换；与所述DCDC变流器连接的母线电容，所述母线电容的中点用于对所述IGBT桥臂进行钳位。电路损耗低，能量经由桥臂，在正负母线及超级电容之间搬运，而非硬件热损耗。低载时平衡能力充足，在小载时，利用单相电感电流纹波的瞬时值进行能量传输，不仅克服了小载平衡难的问题，同时减小了系统损耗。大载时系统稳定，在系统工作在高负载时，系统利用电流的平均值进行均压控制，减小各相之间的相互干扰，保证系统的稳定可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及电路领域，尤其涉及一种双向DCDC电路和一种双向DCDC电线母线平衡方法。

背景技术

城市轨道交通是城市公共交通体系的重要组成部分，而列车在刹车和起动时对供电网络会产生很大的冲击，造成电网的瞬时过压或者欠压。基于超级电容的储能系统利用超级电容能快速充放电的特性，能很好地解决这个问题。其中双向DCDC变流器是系统的主要功率转换单元，起到快速将能量在电容与电网之间传导的作用。

针对1500V机车牵引供电系统，需要设计的DCDC变流器必须承受近2000V的母线电压。受限于目前的IGBT耐压水平，需要采用4个IGBT串联的方式，但是这样会引起IGBT分压不均衡，导致系统炸机，因此需要用母线电容中点对IGBT桥臂进行钳位。同时为了增加系统的功率密度，采用三桥臂交错并联的方式。基于以上两点可预知，系统需要对母线电容进行均压控制。现有的母线平衡方式有多种，硬件方式有基于电阻自平衡的方式，基于(辅助电源的)变压器绕组平衡的，软件方式有基于对称调整占空比的方式。采用硬件方式不仅增加设备成本，同时降低系统效率。采用软件对称调整占空比的方式，在低负载时，由于电流纹波过零点，容易引起系统振荡，甚至正反馈控制。

发明内容

基于此，有必要提供一种双向DCDC电路和一种双向DCDC电线母线平衡方法。

一种双向DCDC电路，所述电路包括：

超级电容；

与所述超级电容两端连接的第一负载单元和第二负载单元；

与所述第一负载单元和第二负载单元连接的DCDC变流器，所述DCDC变流器包括多组并联的IGBT桥臂，所述DCDC变流器用于对电路系统的功率进行转换；

与所述DCDC变流器连接的母线电容，所述母线电容的中点用于对所述IGBT桥臂进行钳位。

在其中一个实施例中，所述母线电容包括：

第一电容C1；

与所述第一电容C1串联的第二电容C2；

所述第一电容C1和第二电容C2连接的中点引出一中间电线。

在其中一个实施例中，所述第一负载单元包括：

第一负载组，包括第一电感以及与所述第一电感串联的第一电阻；

第二负载组，与所述第一负载组并联，包括第二电感以及与所述第二电感串联的第二电阻；

第三负载组，与所述第二负载组并联，包括第三电感以及与所述第三电感串联的第三电阻；

所述第二负载单元包括：

第四负载组，包括第四电感以及与所述第四电感串联的第四电阻；

第五负载组，与所述第四负载组并联，包括第五电感以及与所述第五电感串联的第五电阻；

第六负载组，与所述第五负载组并联，包括第六电感以及与所述第六电感串联的第六电阻。

在其中一个实施例中，所述多组并联的IGBT桥臂包括：

第一IGBT桥臂，包括依次串联的IGBT管S1、IGBT管S4、IGBT管S7 和IGBT管S10；

第二IGBT桥臂，包括依次串联的IGBT管S2、IGBT管S5、IGBT管S8和IGBT管S11；

第三IGBT桥臂，包括依次串联的IGBT管S3、IGBT管S6、IGBT管S9和IGBT管S12。

在其中一个实施例中，所述电路还包括：

IGBT驱动器，与所述IGBT管S4连接。

一种双向DCDC电线母线平衡方法，所述方法包括:

通过DSP的AD模块对母线电压进行检测，计算母线差，建立母线差调节器；

检测电感电流，判断电流方向，将结果传递给母线差调节器；

判断系统负载率，当系统电流大于第一阈值时，系统启动三相工作模式，增加系统带载能力；

占空比调节器根据工作方式选择器、母线差控制器及电流控制器输出结果拟合最终占空比，进行PWM发波操作。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：

通过模糊控制方式，根据母线差对电流方向结果进行切换，防止系统正反馈。

在其中一个实施例中，所述在判断系统负载率，当系统电流大于第一阈值时，系统启动三相工作模式，增加系统带载能力的同时，所述方法还包括：

告知占空比调节器，启用对称调节占空比模式，对母线差进行控制。

在其中一个实施例中，所述在判断系统负载率，当系统电流大于第一阈值时，系统启动三相工作模式，增加系统带载能力的同时，所述方法还包括：

启用负载率第二阈值，当系统电流小于第二阈值时，系统启动工作模式。

在其中一个实施例中，所述在判断系统负载率，当系统电流大于第一阈值时，系统启动三相工作模式，增加系统带载能力的同时，所述方法还包括：

告知占空比调节器，启用单边调节占空比模式。

有益效果：

本发明提供了一种双向DCDC电路，所述电路包括：超级电容；与所述超级电容两端连接的第一负载单元和第二负载单元；与所述第一负载单元和第二负载单元连接的DCDC变流器，所述DCDC变流器包括多组并联的IGBT桥臂，所述DCDC变流器用于对电路系统的功率进行转换；与所述DCDC变流器连接的母线电容，所述母线电容的中点用于对所述IGBT桥臂进行钳位。该DCDC电路损耗低，能量经由桥臂，在正负母线及超级电容之间搬运，而非硬件热损耗。低载时平衡能力充足，在小载时，利用单相电感电流纹波的瞬时值进行能量传输，不仅克服了小载平衡难的问题，同时减小了系统损耗。大载时系统稳定，在系统工作在高负载时，系统利用电流的平均值进行均压控制，减小各相之间的相互干扰，保证系统的稳定可靠。

附图说明

图1为本发明一种双向DCDC电路的电路原理图。

图2为本发明一种一种双向DCDC电线母线平衡方法的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参照图1，一种双向DCDC电路，所述电路包括：

超级电容1；

与所述超级电容1两端连接的第一负载单元2和第二负载单元3；

与所述第一负载单元1和第二负载单元2连接的DCDC变流器5，所述DCDC变流器包括多组并联的IGBT桥臂，所述DCDC变流器用于对电路系统的功率进行转换；

与所述DCDC变流器连接的母线电容6，所述母线电容的中点用于对所述IGBT桥臂进行钳位。

在其中一个实施例中，所述母线电容包括：

第一电容C1；

与所述第一电容C1串联的第二电容C2；

所述第一电容C1和第二电容C2连接的中点引出一中间电线。

在其中一个实施例中，所述第一负载单元包括：

第一负载组，包括第一电感以及与所述第一电感串联的第一电阻；

第二负载组，与所述第一负载组并联，包括第二电感以及与所述第二电感串联的第二电阻；

第三负载组，与所述第二负载组并联，包括第三电感以及与所述第三电感串联的第三电阻；

所述第二负载单元包括：

第四负载组，包括第四电感以及与所述第四电感串联的第四电阻；

第五负载组，与所述第四负载组并联，包括第五电感以及与所述第五电感串联的第五电阻；

第六负载组，与所述第五负载组并联，包括第六电感以及与所述第六电感串联的第六电阻。

在其中一个实施例中，所述多组并联的IGBT桥臂包括：

第一IGBT桥臂，包括依次串联的IGBT管S1、IGBT管S4、IGBT管S7和IGBT管S10；

第二IGBT桥臂，包括依次串联的IGBT管S2、IGBT管S5、IGBT管S8和IGBT管S11；

第三IGBT桥臂，包括依次串联的IGBT管S3、IGBT管S6、IGBT管S9和IGBT管S12。

在其中一个实施例中，所述电路还包括：

IGBT驱动器4，与所述IGBT管S4连接。

需要说明的是，本发明采用三相不同时控制方式对母线电压进行平衡，有以下两种工作模式：

1)低载工作模式，当负载电流小于设定阈值时，只有一相桥臂处于工作状态，同时进行均压控制，采用单边调节占空比模式。

2)大载工作模式，当负载电流大于设定阈值时，三相桥臂同时对母线进行均压控制，采用双边调节占空比模式。

从以上工作模式可知，本发明发明有以下明显的优点：

1)电路损耗低，能量经由桥臂，在正负母线及超级电容之间搬运，而非硬件热损耗。

2)低载时平衡能力充足，在小载时，利用单相电感电流纹波的瞬时值进行能量传输，不仅克服了小载平衡难的问题，同时减小了系统损耗。

3)大载时系统稳定，在系统工作在高负载时，系统利用电流的平均值进行均压控制，减小各相之间的相互干扰，保证系统的稳定可靠。

当系统工作不同负载率时，切换不同的控制方式及工作桥臂。

在小载时，只允许一相桥臂工作，同时进行均压，均压采用占空比不对称控制的方式。

在大载时，三相同时工作，同时进行均压控制，均压采用占空比对称控制的方式。

请参照图2，一种双向DCDC电线母线平衡方法，所述方法包括:

S100：通过DSP的AD模块对母线电压进行检测，计算母线差，建立母线差调节器；

S200：检测电感电流，判断电流方向，将结果传递给母线差调节器；

S300：判断系统负载率，当系统电流大于第一阈值时，系统启动三相工作模式，增加系统带载能力；

S400：占空比调节器根据工作方式选择器、母线差控制器及电流控制器输出结果拟合最终占空比，进行PWM发波操作。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：

通过模糊控制方式，根据母线差对电流方向结果进行切换，防止系统正反馈。

在其中一个实施例中，所述在判断系统负载率，当系统电流大于第一阈值时，系统启动三相工作模式，增加系统带载能力的同时，所述方法还包括：

告知占空比调节器，启用对称调节占空比模式，对母线差进行控制。

在其中一个实施例中，所述在判断系统负载率，当系统电流大于第一阈值时，系统启动三相工作模式，增加系统带载能力的同时，所述方法还包括：

启用负载率第二阈值，当系统电流小于第二阈值时，系统启动工作模式。

在其中一个实施例中，所述在判断系统负载率，当系统电流大于第一阈值时，系统启动三相工作模式，增加系统带载能力的同时，所述方法还包括：

告知占空比调节器，启用单边调节占空比模式。

本发明提供了一种双向DCDC电路，所述电路包括：超级电容；与所述超级电容两端连接的第一负载单元和第二负载单元；与所述第一负载单元和第二负载单元连接的DCDC变流器，所述DCDC变流器包括多组并联的IGBT桥臂，所述DCDC变流器用于对电路系统的功率进行转换；与所述DCDC变流器连接的母线电容，所述母线电容的中点用于对所述IGBT桥臂进行钳位。电路损耗低，能量经由桥臂，在正负母线及超级电容之间搬运，而非硬件热损耗。低载时平衡能力充足，在小载时，利用单相电感电流纹波的瞬时值进行能量传输，不仅克服了小载平衡难的问题，同时减小了系统损耗。大载时系统稳定，在系统工作在高负载时，系统利用电流的平均值进行均压控制，减小各相之间的相互干扰，保证系统的稳定可靠。

以上对本发明运行原理进行了详细介绍，上述运行原理的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。