一種基于狀態轉移的雙向DCDC系統的制作方法

本實用新型涉及雙向DCDC領域，具體涉及一種基于狀態轉移的雙向DCDC系統。

背景技術：

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

但是傳統的雙向DCDC在進行發生故障或功率方向變換時，基本都是簡單粗暴地把系統PWM波形關閉，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，嚴重時損壞開關管和磁性元件。

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

論文“大功率雙向DC_DC變換器拓撲結構及其分析理論研究”一文提出了狀態轉移的升降壓切換方法，但是在雙向DCDC怠機時，功率開關均關閉，未能解決上述問題。

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

技術實現要素：

為了克服現有技術存在的缺點與不足，本實用新型提供一種基于狀態轉移的雙向DCDC系統。

本實用新型采用如下技術方案：

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

所述狀態轉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異常輸入信號；所述狀態轉移模塊輸出電流設定值切換信號和驅動失能信號到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，在狀態轉移模塊的作用下實現升降壓切換；

所述控制環切換器包括電壓環和電流環。

所述狀態轉移模塊包括延遲恢復運行模塊、錯誤狀態模塊、系統狀態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模塊與系統狀態機連接，系統狀態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系統的狀態轉移方法，系統包括功率方向切換、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，具體工作狀態轉移方法如下：

系統開機后啟動前進入鎖定狀態，若電感零電流指示信號為高電平，則進入離線狀態；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；否則不轉移狀態；

進入待機狀態后，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，否則保持待機狀態；

進入運行狀態之后，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，否則保持運行狀態；

進入離線狀態之后，狀態切換模塊輸出電流設定值切換信號把電流環的給定切換到0給定，這時系統的電壓環被切除，系統工作在電流給定為0的電流單環模式，此時若電感零電流指示信號為高電平則進入待機狀態，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，則根據目前系統狀態輸出電流設定值切換信號，再快速進入運行狀態。

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工況下，系統都能根據狀態轉移模塊監測的信息進行判斷，并能夠在PWM模擬控制器的作用下快速響應；

(2)在系統有工況發生時，能夠通過設定電流給定，并根據系統狀態轉移實現系統輸出能量大于輸入能量，實現能量的有效管理；

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

(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，容易實現可編程硬件系統進行多線程控制，進一步提高可靠性。

(5)實現無異常時實現功率方向快速切換。

(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，在沒有外部狀態轉移模塊的控制下，系統一直處于鎖定狀態，保障了系統安全。

附圖說明

圖1是本實用新型的系統結構圖；

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轉移模塊的組成結構圖；

圖5是本實用新型的狀態轉移模塊中的各模塊連接圖；

圖6是本實用新型的狀態轉移模塊中的系統狀態機簡圖；

圖7是本實用新型的離線狀態的系統控制框圖；

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，一種基于狀態轉移的雙向DCDC系統，包括雙向全橋變換器、DCDC雙向控制器、狀態轉移模塊及過限與保護模塊，所述狀態轉移模塊輸入四種信號，分別是來自過限與保護模塊的系統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，所述狀態轉移模塊輸出電流設定值切換信號和驅動失能信號到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雙向控制器輸出驅動信號到雙向全橋變換器。

所述狀態轉移模塊負責系統的狀態切換，包括從穩態到暫態再到穩態的所有判斷和執行工作，實現了一個狀態轉移模塊對整個控制系統的控制，實現了對系統所有關鍵信號的判斷，合理修改控制給定和控制輸出，保障系統在功率方向切換、故障和啟停三種工況下系統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，在狀態轉移模塊的作用下實現升降壓切換；

所述控制環切換器包括電壓環和電流環。

這樣的設計方式使得雙向變換器可以單向設計，最后由狀態轉移模塊來實現狀態的轉移和功率方向的切換，最終實現雙向DCDC系統。而且，傳統的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，提高該系統的適用范圍。

如圖4及圖5及圖6所示，所述狀態轉移模塊包括延遲恢復運行模塊、錯誤狀態模塊、系統狀態機及輸出信號邏輯運算模塊。

為了保證可靠轉移，本實用新型在原有的系統狀態機的基礎上加入了延時恢復運行模塊、錯誤狀態模塊和輸出信號邏輯運算模塊，輔助系統狀態機的進行轉移狀態和保護DCDC雙向變換器。同時，狀態轉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，實現大壓差升壓啟動時在電感電流過限時實現關斷，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，分別是系統故障、功率方向切換和停機，為了實現這三個狀態的系統可狀態轉移，所述狀態包括鎖定、待機、運行及離線狀態，而四種狀態的狀態轉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多線程快速判斷。同時依賴于上述四種系統信號的監測，綜合考慮了系統使用出現故障、功率方向發生切換或者系統啟停等三種工況，系統的功能完善。

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

具體轉移方法為：

(1)系統開機后啟動前進入鎖定狀態，若電感零電流指示信號為高電平，則進入離線狀態；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；否則不轉移狀態；

(2)進入待機狀態后，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，否則保持待機狀態；

(3)進入運行狀態之后，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，否則保持運行狀態；

(4)進入離線狀態之后，狀態切換模塊輸出電流設定值切換信號把電流環的給定切換到0給定，這時系統的電壓環也被切除，工作在電流給定為0的電流單環模式，此時若電感零電流指示信號為高電平則進入待機狀態，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，則根據目前系統狀態輸出電流設定值切換信號，再快速進入運行狀態。

基于狀態轉移的雙向DCDC系統的關鍵在于離線模式，在離線模式下，系統并沒有鎖定系統的PWM輸出，而是通過狀態轉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切換到電流環的0給定，從而實現離線模式下保護運行，一方面，由于電流環設定為0，系統根據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引起系統故障，另一方面并沒像現有技術那樣直切PWM驅動或者直接封鎖PWM驅動，而是保持PWM驅動一直工作在正常模式下，直到系統的電感電流下降到0時再封鎖PWM驅動，為系統內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，系統進入離線模式，快速的控制系統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動信號切換，實現零電流功率方向切換，同時切換電流環給定開關，進入運行態，實現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個控制周期內讓電流下降到0，而且能夠在2個控制周期內讓電流上升到指定值。停留在待機態的時延可由系統內部自定義，此處設定為100us，這樣實現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。