本實用新型涉及雙向DCDC領(lǐng)域，具體涉及一種基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移的雙向DCDC系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來，電力電子技術(shù)隨著功率半導體的飛速發(fā)展得到重視，在需要進行升降壓的能量雙向流動場合，雙向DCDC變換器是直流領(lǐng)域的不二選擇。

但是傳統(tǒng)的雙向DCDC在進行發(fā)生故障或功率方向變換時，基本都是簡單粗暴地把系統(tǒng)PWM波形關(guān)閉，由于雙向DCDC都有磁性元件，這種粗暴的方法在處理不當時會讓磁性元件兩端電壓驟升，嚴重時損壞開關(guān)管和磁性元件。

目前有針對雙向DCDC進行多模式控制的技術(shù)，但都需要在切換過程中關(guān)閉功率管，未能解決上述問題。

論文“大功率雙向DC_DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)及其分析理論研究”一文提出了狀態(tài)轉(zhuǎn)移的升降壓切換方法，但是在雙向DCDC怠機時，功率開關(guān)均關(guān)閉，未能解決上述問題。

論文“雙向DC_DC變換器的數(shù)字控制研究與設計”一文提出的一種基于延時的切換方法，在這種切換方法中，無法根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)進行準確切換，實際上也未解決上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點與不足，本實用新型提供一種基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移的雙向DCDC系統(tǒng)。

本實用新型采用如下技術(shù)方案：

一種基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移的雙向DCDC系統(tǒng)，包括雙向全橋變換器、DCDC雙向控制器、用于工作狀態(tài)切換的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊及過限與保護模塊，所述DCDC雙向控制器輸出驅(qū)動信號到雙向全橋變換器；

所述狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊輸入四種信號，分別為DCDC雙向控制器使能信號、DCDC雙向控制器模式變更信號、DCDC雙向控制器的電感零電流指示信號及過限與保護模塊的系統(tǒng)異常輸入信號；所述狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊輸出電流設定值切換信號和驅(qū)動失能信號到DCDC雙向控制器；

所述過限與保護模塊輸入雙向全橋變換器的電壓及電流信號。

所述DCDC雙向控制器包括操作臺、PWM模擬控制器及控制環(huán)切換器；

所述操作臺包括DCDC雙向控制器使能模塊、模式變更模塊及電感零電流指示模塊；

所述PWM模擬控制器包括升壓和降壓控制器，在狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊的作用下實現(xiàn)升降壓切換；

所述控制環(huán)切換器包括電壓環(huán)和電流環(huán)。

所述狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊包括延遲恢復運行模塊、錯誤狀態(tài)模塊、系統(tǒng)狀態(tài)機及輸出信號邏輯運算模塊，所述延遲恢復運行模塊及錯誤狀態(tài)模塊與系統(tǒng)狀態(tài)機連接，系統(tǒng)狀態(tài)機與輸出邏輯運算連接。

所述雙向全橋變換器包括大壓差啟動保護雙向IGBT、電壓傳感器、電流傳感器、降壓全橋IGBT組及升壓全橋IGBT組。

一種雙向DCDC系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方法，系統(tǒng)包括功率方向切換、故障和啟停三種工況，且包括鎖定、離線、待機和運行共四種工作狀態(tài)，具體工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移方法如下：

系統(tǒng)開機后啟動前進入鎖定狀態(tài)，若電感零電流指示信號為高電平，則進入離線狀態(tài)；若電感零電流指示信號為高電平且異常信號是否為低電平，則進入待機狀態(tài)；否則不轉(zhuǎn)移狀態(tài)；

進入待機狀態(tài)后，若DCDC雙向控制器使能信號為高電平，且模式變更信號為高電平和異常信號是否為低電平，則進入運行狀態(tài)，否則保持待機狀態(tài)；

進入運行狀態(tài)之后，判斷DCDC雙向控制器使能信號是否為低電平、DCDC雙向控制器模式變更信號是否為低電平及過限與保護模塊的異常信號是否為高電平，若有一個條件成立，則進入離線狀態(tài)，否則保持運行狀態(tài)；

進入離線狀態(tài)之后，狀態(tài)切換模塊輸出電流設定值切換信號把電流環(huán)的給定切換到0給定，這時系統(tǒng)的電壓環(huán)被切除，系統(tǒng)工作在電流給定為0的電流單環(huán)模式，此時若電感零電流指示信號為高電平則進入待機狀態(tài)，否則運行延遲恢復運行模塊，100us之后再判斷DCDC雙向控制器使能信號、DCDC雙向控制器模式變更信號及過限與保護模塊的異常信號，若DCDC雙向控制器使能信號為高電平，且模式變更信號為高電平和異常信號為低電平，則根據(jù)目前系統(tǒng)狀態(tài)輸出電流設定值切換信號，再快速進入運行狀態(tài)。

所述異常信號包括過壓異常、過流異常及工作模式異常。

本實用新型的有益效果：

(1)在功率方向切換、故障和啟停三種系統(tǒng)工況下，系統(tǒng)都能根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊監(jiān)測的信息進行判斷，并能夠在PWM模擬控制器的作用下快速響應；

(2)在系統(tǒng)有工況發(fā)生時，能夠通過設定電流給定，并根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移實現(xiàn)系統(tǒng)輸出能量大于輸入能量，實現(xiàn)能量的有效管理；

(3)在系統(tǒng)中磁性元件儲存的能量完之后，系統(tǒng)的故障工況仍然沒法得到恢復時鎖定系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的安全，在系統(tǒng)恢復正常之后在手動啟動，保障系統(tǒng)的可靠；

(4)所有用于判斷的信號都是邏輯信號，抗擾性強，傳輸時延小，可靠性高，容易實現(xiàn)可編程硬件系統(tǒng)進行多線程控制，進一步提高可靠性。

(5)實現(xiàn)無異常時實現(xiàn)功率方向快速切換。

(6)DCDC雙向變換器的設計大大簡化并提高了控制的快速性和可靠地，降低了設備的成本，并且，在沒有外部狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊的控制下，系統(tǒng)一直處于鎖定狀態(tài)，保障了系統(tǒng)安全。

附圖說明

圖1是本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本實用新型的模塊組成與連接圖；

圖3是本實用新型的過限與保護模塊主要模擬電路圖；

圖4是本實用新型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊的組成結(jié)構(gòu)圖；

圖5是本實用新型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊中的各模塊連接圖；

圖6是本實用新型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊中的系統(tǒng)狀態(tài)機簡圖；

圖7是本實用新型的離線狀態(tài)的系統(tǒng)控制框圖；

圖8(a)及圖8(b)是本實用新型進行兩個功率方向切換的實驗波形圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖，對本實用新型作進一步地詳細說明，但本實用新型的實施方式不限于此。

實施例

如圖1及圖2及圖3所示，一種基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移的雙向DCDC系統(tǒng)，包括雙向全橋變換器、DCDC雙向控制器、狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊及過限與保護模塊，所述狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊輸入四種信號，分別是來自過限與保護模塊的系統(tǒng)異常輸入信號及來自DCDC雙向控制器的使能信號、模式變更信號及電感零電流指示信號，所述狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊輸出電流設定值切換信號和驅(qū)動失能信號到DCDC雙向控制器。

所述過限與保護模塊輸入雙向全橋變換器的電壓及電流信號。

所述DCDC雙向控制器輸出驅(qū)動信號到雙向全橋變換器。

所述狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊負責系統(tǒng)的狀態(tài)切換，包括從穩(wěn)態(tài)到暫態(tài)再到穩(wěn)態(tài)的所有判斷和執(zhí)行工作，實現(xiàn)了一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊對整個控制系統(tǒng)的控制，實現(xiàn)了對系統(tǒng)所有關(guān)鍵信號的判斷，合理修改控制給定和控制輸出，保障系統(tǒng)在功率方向切換、故障和啟停三種工況下系統(tǒng)仍能快速可靠地響應。

所述DCDC雙向控制器包括操作臺、PWM模擬控制器及控制環(huán)切換器，其中操作臺包括DCDC雙向控制器使能模塊、模式變更模塊及電感零電流指示模塊；

所述PWM模擬控制器包括升壓和降壓控制器，在狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊的作用下實現(xiàn)升降壓切換；

所述控制環(huán)切換器包括電壓環(huán)和電流環(huán)。

這樣的設計方式使得雙向變換器可以單向設計，最后由狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊來實現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移和功率方向的切換，最終實現(xiàn)雙向DCDC系統(tǒng)。而且，傳統(tǒng)的PWM模擬控制器是純硬件控制，復雜度低，成本低，可靠性高，控制效果好，是雙向DCDC系統(tǒng)快速切換功率方向的基礎。

所述雙向全橋變換器包括大壓差啟動保護雙向IGBT、電壓傳感器、電流傳感器、降壓全橋IGBT組及升壓全橋IGBT組，提高該系統(tǒng)的適用范圍。

如圖4及圖5及圖6所示，所述狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊包括延遲恢復運行模塊、錯誤狀態(tài)模塊、系統(tǒng)狀態(tài)機及輸出信號邏輯運算模塊。

為了保證可靠轉(zhuǎn)移，本實用新型在原有的系統(tǒng)狀態(tài)機的基礎上加入了延時恢復運行模塊、錯誤狀態(tài)模塊和輸出信號邏輯運算模塊，輔助系統(tǒng)狀態(tài)機的進行轉(zhuǎn)移狀態(tài)和保護DCDC雙向變換器。同時，狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊的異常輸入信號包括過壓異常、過流異常及工作模式異常。

同時，通過加入大壓差啟動保護雙向IGBT修改主電路拓撲，實現(xiàn)大壓差升壓啟動時在電感電流過限時實現(xiàn)關(guān)斷，切斷升壓的能量來源，等待電感電流恢復到正常電流值30A以下再次接通該雙向IGBT，繼續(xù)為后級提供能量。若無過流信號，則一直接通該雙向IGBT。

如圖7所示，本實用新型包括三種工況，分別是系統(tǒng)故障、功率方向切換和停機，為了實現(xiàn)這三個狀態(tài)的系統(tǒng)可狀態(tài)轉(zhuǎn)移，所述狀態(tài)包括鎖定、待機、運行及離線狀態(tài)，而四種狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移依賴于電感零電流指示、DCDC雙向控制器使能信號、DCDC雙向控制器模式變更信號和過限與保護模塊的異常信號。這樣的設計方案中，所有的信號都是電平信號，抗擾性強，傳輸時延小，有益于利用可編程硬件電路來實現(xiàn)多線程快速判斷。同時依賴于上述四種系統(tǒng)信號的監(jiān)測，綜合考慮了系統(tǒng)使用出現(xiàn)故障、功率方向發(fā)生切換或者系統(tǒng)啟停等三種工況，系統(tǒng)的功能完善。

由于雙向DCDC系統(tǒng)都包括升壓和降壓模式，發(fā)生功率方向變化或者是故障時，若馬上封鎖一側(cè)IGBT組的PWM信號，然后開啟另一側(cè)的PWM信號會導致系統(tǒng)中的電流沒法正常換向，從而炸毀IGBT組，損壞系統(tǒng)。

具體轉(zhuǎn)移方法為：

(1)系統(tǒng)開機后啟動前進入鎖定狀態(tài)，若電感零電流指示信號為高電平，則進入離線狀態(tài)；若電感零電流指示信號為高電平且異常信號是否為低電平，則進入待機狀態(tài)；否則不轉(zhuǎn)移狀態(tài)；

(2)進入待機狀態(tài)后，若DCDC雙向控制器使能信號為高電平，且模式變更信號為高電平和異常信號是否為低電平，則進入運行狀態(tài)，否則保持待機狀態(tài)；

(3)進入運行狀態(tài)之后，判斷DCDC雙向控制器使能信號是否為低電平、DCDC雙向控制器模式變更信號是否為低電平及過限與保護模塊的異常信號是否為高電平，若有一個條件成立，則進入離線狀態(tài)，否則保持運行狀態(tài)；

(4)進入離線狀態(tài)之后，狀態(tài)切換模塊輸出電流設定值切換信號把電流環(huán)的給定切換到0給定，這時系統(tǒng)的電壓環(huán)也被切除，工作在電流給定為0的電流單環(huán)模式，此時若電感零電流指示信號為高電平則進入待機狀態(tài)，否則運行延遲恢復運行模塊，100us之后再判斷DCDC雙向控制器使能信號、DCDC雙向控制器模式變更信號及過限與保護模塊的異常信號，若DCDC雙向控制器使能信號為高電平，且模式變更信號為高電平和異常信號為低電平，則根據(jù)目前系統(tǒng)狀態(tài)輸出電流設定值切換信號，再快速進入運行狀態(tài)。

基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移的雙向DCDC系統(tǒng)的關(guān)鍵在于離線模式，在離線模式下，系統(tǒng)并沒有鎖定系統(tǒng)的PWM輸出，而是通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊輸出電流設定值切換信號把圖中粗黑框所示的給定切換開關(guān)切換到電流環(huán)的0給定，從而實現(xiàn)離線模式下保護運行，一方面，由于電流環(huán)設定為0，系統(tǒng)根據(jù)DCDC控制算法快速下降到0電流輸出，防止能量進一步輸送進系統(tǒng)引起系統(tǒng)故障，另一方面并沒像現(xiàn)有技術(shù)那樣直切PWM驅(qū)動或者直接封鎖PWM驅(qū)動，而是保持PWM驅(qū)動一直工作在正常模式下，直到系統(tǒng)的電感電流下降到0時再封鎖PWM驅(qū)動，為系統(tǒng)內(nèi)部的能量提供了合理的釋放途徑。

如圖8(a)及圖8(b)所示，在進行過限與保護模塊無異常的功率方向切換時，系統(tǒng)進入離線模式，快速的控制系統(tǒng)讓電感電流快速下降到0，在此時進入待機模式并進行升降壓驅(qū)動信號切換，實現(xiàn)零電流功率方向切換，同時切換電流環(huán)給定開關(guān)，進入運行態(tài)，實現(xiàn)新功率方向的快速啟動。實驗證明這種快速切換的方法在電流模式下能夠在2個控制周期內(nèi)讓電流下降到0，而且能夠在2個控制周期內(nèi)讓電流上升到指定值。停留在待機態(tài)的時延可由系統(tǒng)內(nèi)部自定義，此處設定為100us，這樣實現(xiàn)了功率方向快速可控切換。

上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。