一種Boost全橋電路啟動沖擊電流抑制方法
【專利摘要】一種Boost全橋電路啟動沖擊電流抑制方法，其特征在于通過增加有源箝位電路，同時控制Boost全橋電路工作與Buck狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到抑制起動電流到系統(tǒng)正常工作電流范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)啟動沖擊電流過流的問題，保護(hù)系統(tǒng)元件的安全。本發(fā)明利用有源箝位電路和Boost全橋電路工作于Buck狀態(tài)，實現(xiàn)對輸出電容的充電過程，避免了直接工作于Boost模式時對輸出電容充電過程的充電電流過流問題，相對于利用輔助電路實現(xiàn)對輸出電容充電的方法，本方法簡化了電路硬件結(jié)構(gòu)，降低了電路的設(shè)計難度，提高了系統(tǒng)的可靠性。本發(fā)明可以實現(xiàn)將起動電流抑制在系統(tǒng)正常工作電流范圍內(nèi)，可有效控制充電時間，準(zhǔn)確控制輸出電容的充電終止電壓。
【專利說明】一種Boost全橋電路啟動沖擊電流抑制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種Boost全橋電路的控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著直流輸電網(wǎng)建設(shè)的快速推進(jìn)，不同電壓等級的直流電網(wǎng)研究逐漸推向深入，為了實現(xiàn)直流電網(wǎng)之間的互聯(lián)互通，必須利用大功率的DC/DC變換器進(jìn)行電網(wǎng)間的電壓變換和能量傳遞。通過電容實現(xiàn)DC/DC變換器輸入、輸出端的電壓穩(wěn)定支撐仍然是目前直流穩(wěn)壓的重要手段，在電路的啟動和故障恢復(fù)過程中，電容的充電、放電過程都是一個重要的暫態(tài)過程，對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要的意義。
[0003]在光伏應(yīng)用中，光伏組件本身的輸出特性具有限流特性，可以抑制輸出電流的變化。在實際應(yīng)用中，由于光伏組件輸出端為了實現(xiàn)穩(wěn)壓和儲能，并接了大容量的電容，存儲了大量的電荷，在系統(tǒng)的啟動瞬間，仍然會造成瞬時沖擊電流過流，導(dǎo)致輸入電感、變壓器飽和。當(dāng)DC/DC變換器多模塊輸入端并聯(lián)連接時，光伏組件容量根據(jù)系統(tǒng)總體功率設(shè)計，當(dāng)各個模塊分別啟動時，光伏組件的最大輸出電流仍然可能超過單個模塊的設(shè)計額定電流，從而不能抑制啟動沖擊電流，造成電感和變壓器的飽和。
[0004]傳統(tǒng)的啟動方式采用外加啟動繞組的方式實現(xiàn)對輸出電容的充電過程。這種方式增加了額外的電路，使得電路更加復(fù)雜，外加啟動繞組與輸入電感耦合，增加了輸入電感的設(shè)計難度，降低了系統(tǒng)的可靠性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中電容充電電路復(fù)雜、系統(tǒng)可靠性降低、總體成本增加的缺點，提出一種新的Boost全橋隔離電路啟動沖擊電流的抑制方法。
[0006]本發(fā)明不需要增加額外的啟動繞組，利用已有源箝位電路，通過改變控制方法，SP可實現(xiàn)對啟動沖擊電流的抑制，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和設(shè)計難度。
[0007]本發(fā)明可應(yīng)用于光伏直流并網(wǎng)變流器，不同電壓等級的直流電網(wǎng)間的DC/DC變壓器中。本發(fā)明基于Boost全橋變壓器拓?fù)洌ㄟ^控制Boost全橋隔離電路有源箝位電路工作于Buck狀態(tài)，結(jié)合對有源箝位開關(guān)管的控制，實現(xiàn)啟動過程對輸出電容的充電。在這個過程通過調(diào)整Boost全橋電路占空比和變壓器的變比，抑制啟動電流的幅值，將啟動沖擊電流限制在系統(tǒng)的工作電流范圍內(nèi)，實現(xiàn)對不同電壓等級的直流電網(wǎng)的電壓變換和電流控制。隨著直流電網(wǎng)的普及，此類設(shè)備將不斷增多，具有較高的應(yīng)用價值。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]1、Buck啟動階段=Buck啟動階段的工作過程可以分為三個階段，分別為:Buck對管初始導(dǎo)通階段、Buck對管導(dǎo)通階段和Buck開關(guān)管截止階段。Buck對管初始導(dǎo)通階段中，此時輸入電源通過全橋電路開關(guān)管向輸出電容饋電，有源箝位電路的箝位電容也通過此回路向輸出電容饋電，很快箝位電容放電過程結(jié)束，有源箝位電路的箝位開關(guān)管關(guān)閉，Buck對管初始導(dǎo)通階段結(jié)束。隨后進(jìn)入Buck對管導(dǎo)通階段，輸入電源繼續(xù)通過全橋電路對管向輸出電容充電，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時間結(jié)束時，Buck的對管導(dǎo)通過程結(jié)束。之后進(jìn)入Buck開關(guān)管截止階段，此時橋電路開關(guān)管導(dǎo)通截止，電感電流通過箝位電容釋放能量。至此完成Buck的半個周期的工作過程。當(dāng)輸出電容充電至N*Uin時，其電壓反射到變壓器一次側(cè)為Uin,與輸入電壓和箝位電容電壓相同，Boost全橋電路將無法向輸出電容充電，輸出電容電壓將不再上升，Buck工作階段結(jié)束。
[0010]2、Boost階段:從輸出電容電壓達(dá)到N*Uin開始，Boost全橋電路轉(zhuǎn)入Boost工作階段，此階段為電感短路儲能隨后向輸出側(cè)輸出能量的過程。該階段的最終目標(biāo)是將輸出電容電壓充電至與直流電網(wǎng)電壓相同?？刹捎秒妷洪]環(huán)控制完成輸電過程。此時可閉合并網(wǎng)接觸器，實現(xiàn)電容接入電網(wǎng)，設(shè)備具備并網(wǎng)條件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明所應(yīng)用的Boost全橋隔離電路結(jié)構(gòu)框圖；
[0012]圖2為本發(fā)明Buck模式等效電路圖，其中圖2a為Buck對管導(dǎo)通階段初始狀態(tài)，圖2b為Buck的對管導(dǎo)通階段，圖2c為Buck開關(guān)管截止?fàn)顟B(tài)。

【具體實施方式】
[0013]圖1為本發(fā)明所應(yīng)用的Boost全橋隔離電路結(jié)構(gòu)框圖。如圖1所示，該Boost全橋隔離電路主要由輸入電源10、輸入電容IUBoost啟動電感12、有源箝位電路13、全橋電路14、變壓器15、整流電路16，以及輸出電容17等組成。有源箝位電路13與全橋電路14并聯(lián)連接。本發(fā)明通過對有源箝位電路13中開關(guān)管和全橋電路14中開關(guān)管的控制，實現(xiàn)對輸出電容17的充電過程中抑制Boost啟動電感12、變壓器15中可能存在的沖擊電流過流現(xiàn)象。
[0014]本發(fā)明具體的控制過程如下:
[0015]l、Buck啟動階段=Buck啟動階段的工作過程可以分為三個階段=Buck對管初始導(dǎo)通階段、Buck對管導(dǎo)通階段和Buck開關(guān)管截止階段，圖2為Buck模式下的等效電路圖。圖2a為Buck對管初始導(dǎo)通階段，此時輸入電源10通過全橋電路14的開關(guān)管向輸出電容17饋電，有源箝位電路13中的箝位電容也通過全橋電路14向輸出電容11饋電，很快有源箝位電路13中的箝位電容放電過程結(jié)束，箝位開關(guān)管關(guān)閉，此過程結(jié)束。Boost啟動電感12電流iJh)、輸出電容17電壓Ujt1)、有源箝位電路13中的箝位電容電壓Uc^t1)分別表示為:
,^I CDeT ,
i1.(,1) = 11.) + ~ Jn —",、山
[0016]< 1/,,(/,) = 4/ (/,,) + —[ (^- + ―~U".^ )dt
010 ' Cu Jo N NLlt
/ 、 / 、 I Cd^t/ u —u IN 7
?,,,(/? ) = ?,(/?) +—Ju (- ~)dl
[0017]上式中，h為Buck對管初始導(dǎo)通階段開始時刻，為Buck對管初始導(dǎo)通階段結(jié)束時刻，Kt1)為h時刻電感電流，Ktci)為h時刻電感電流，L為電感感值，De為箝位開關(guān)管等效占空比，T為控制周期，Uin為輸入側(cè)電源電壓，Uc為箝位電容平均電壓，Ujt1)為&時刻輸出電壓，U0(t0)為h時刻輸出電壓，C。為輸出電容容值，N為變壓器變比，ucq(t0)為to時刻箝位電容電壓，UcqU1)為時刻箝位電容電壓，Llk為變壓器漏感。
[0018]圖2b所示的過程仍然為Buck的對管導(dǎo)通階段，電源繼續(xù)通過Buck的對管向輸出電容17充電。當(dāng)導(dǎo)通時間結(jié)束，Buck的對管關(guān)閉，圖2b所示的Buck的對管導(dǎo)通過程結(jié)束。Boost啟動電感12電流IJt1)、輸出電容17電壓UtjU1)、有源箝位電路13中的箝位電容電
UcqU1)分別表示為:
h(h) = h(A)+ y ° Γ-ιιο! Ν、?


I (.(/),+D) T i
[0019].；= ?ιΛ?\) + ~^τ/)Τ ~clt
licq(h) = licq(h)
[0020]上式中，& SBuck對管導(dǎo)通階段開始時刻，t2 SBuck對管導(dǎo)通階段結(jié)束時刻，iL(t2)為t2時刻電感電流，LU1)為時刻電感電流，L為電感感值，隊為箝位開關(guān)管等效占空比，D為橋電路開關(guān)管占空比，T為控制周期，Uin為輸入側(cè)電源電壓，U。為箝位電容平均電壓，U0 (t2)為t2時刻輸出電壓，Ujt1)為h時刻輸出電壓，C。為輸出電容容值，N為變壓器變比，Uc^t2)為t2時刻箝位電容電壓，Uc^t1)為時刻箝位電容電壓，Llk為變壓器漏感。
[0021]圖2c所示的過程中橋電路開關(guān)管斷開，電感電流通過箝位電容釋放能量。Boost啟動電感12電流iJt1)、輸出電容17電壓Ujt1)、有源箝位電路13中的箝位電容電壓ucq (ti)分別表示為:
iL (h ) = h 仏)+ Z Ifβ +D-) T— u"丨 N )dr
[0022]^ uo(t3) = uo(t2)
+ Thdt
[0023]上式中，t2為Buck開關(guān)管截止階段開始時刻，t3為Buck開關(guān)管截止階段結(jié)束時亥|J，iLa3)為t3時刻電感電流，ijt2)為t2時刻電感電流，L為電感感值，De為箝位開關(guān)管等效占空比，T為控制周期，Uin為輸入側(cè)電源電壓，Uc為箝位電容平均電壓，U0(t3)為t3時亥IJ輸出電壓，Ut^t2)為t2時刻輸出電壓，C。為輸出電容容值，N為變壓器變比，Uc^t3)為t3時刻箝位電容電壓，ucq(t2)為t2時刻箝位電容電壓，Llk為變壓器漏感。
[0024]至此完成Buck的半個周期的工作過程，另外對管的工作過程與此類似，不再詳述。當(dāng)輸出電容充電至N*Uin時，其電壓反射到變壓器一次側(cè)為Uin，與輸入電壓和箝位電容電壓相同，Boost全橋電路將無法向輸出電容充電，輸出電容電壓將不再上升，Buck工作階段結(jié)束。
[0025]Boost階段:從輸出電容電壓達(dá)到N*Uin開始，Boost全橋電路轉(zhuǎn)入Boost工作階段，此階段為電感短路儲能隨后向輸出側(cè)輸出能量的過程。該階段的最終目標(biāo)是將輸出電容電壓充電至與直流電網(wǎng)電壓相同?？刹捎秒妷洪]環(huán)控制完成輸電過程。
[0026]此時可閉合并網(wǎng)接觸器，實現(xiàn)電容接入電網(wǎng)，設(shè)備具備并網(wǎng)條件或正常工作條件。
【權(quán)利要求】
1.一種Boost全橋電路啟動沖擊電流抑制方法，其特征在于:所述控制方法基于Boost全橋變壓器拓?fù)?，通過控制Boost全橋隔離電路有源箝位電路工作于Buck狀態(tài),結(jié)合對有源箝位開關(guān)管的控制，實現(xiàn)啟動過程對輸出電容的充電；在這個過程通過調(diào)整Boost全橋電路占空比和變壓器的變比，抑制啟動電流的幅值，將啟動沖擊電流限制在系統(tǒng)的工作電流范圍內(nèi)，實現(xiàn)對不同電壓等級的直流電網(wǎng)的電壓變換和電流控制。
2.按照權(quán)利要求1所述的Boost全橋電路啟動沖擊電流抑制方法，其特征在于:所述控制方法包括以下步驟: (1)Buck啟動階段=Buck啟動階段的工作過程分為三個階段，分別為=Buck對管初始導(dǎo)通階段、Buck對管導(dǎo)通階段和Buck開關(guān)管截止階段；Buck對管初始導(dǎo)通階段中，此時輸入電源通過全橋電路開關(guān)管向輸出電容饋電，有源箝位電路的箝位電容也通過此回路向輸出電容饋電，很快箝位電容放電過程結(jié)束，有源箝位電路的箝位開關(guān)管關(guān)閉，Buck對管初始導(dǎo)通階段結(jié)束；隨后進(jìn)入Buck對管導(dǎo)通階段，輸入電源繼續(xù)通過全橋電路對管向輸出電容充電，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時間結(jié)束時，Buck的對管導(dǎo)通過程結(jié)束；之后進(jìn)入Buck開關(guān)管截止階段，此時橋電路開關(guān)管導(dǎo)通截止，電感電流通過箝位電容釋放能量；至此完成Buck的半個周期的工作過程；當(dāng)輸出電容充電至N*Uin時，其電壓反射到變壓器一次側(cè)為Uin，與輸入電壓和箝位電容電壓相同，Boost全橋電路將無法向輸出電容充電，輸出電容電壓將不再上升，Buck工作階段結(jié)束； (2)Boost階段:從輸出電容電壓達(dá)到N*Uin開始，Boost全橋電路轉(zhuǎn)入Boost工作階段，此階段為電感短路儲能隨后向輸出側(cè)輸出能量的過程，該階段的最終目標(biāo)是將輸出電容電壓充電至與直流電網(wǎng)電壓相同；采用電壓閉環(huán)控制完成輸電過程；此時閉合并網(wǎng)接觸器，實現(xiàn)電容接入電網(wǎng)，設(shè)備具備并網(wǎng)條件或正常工作條件。
【文檔編號】H02M1/36GK104242624SQ201410454185
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月5日
【發(fā)明者】鞠昌斌, 王環(huán), 王一波, 許洪華 申請人:中國科學(xué)院電工研究所