本實(shí)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(lái)，電力電子技術(shù)隨著功率半導(dǎo)體的飛速發(fā)展得到重視，在需要進(jìn)行升降壓的能量雙向流動(dòng)場(chǎng)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(jìn)行發(fā)生故障或功率方向變換時(shí)，基本都是簡(jiǎn)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(dāng)時(shí)會(huì)讓磁性元件兩端電壓驟升，嚴(yán)重時(shí)損壞開(kāi)關(guān)管和磁性元件。

目前有針對(duì)雙向DCDC進(jìn)行多模式控制的技術(shù)，但都需要在切換過(guò)程中關(guān)閉功率管，未能解決上述問(wèn)題。

論文“大功率雙向DC_DC變換器拓?fù)浣Y(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(jī)時(shí)，功率開(kāi)關(guān)均關(guān)閉，未能解決上述問(wèn)題。

論文“雙向DC_DC變換器的數(shù)字控制研究與設(shè)計(jì)”一文提出的一種基于延時(shí)的切換方法，在這種切換方法中，無(wú)法根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確切換，實(shí)際上也未解決上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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

本實(shí)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(guò)限與保護(hù)模塊，所述DCDC雙向控制器輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)到雙向全橋變換器；

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

所述過(guò)限與保護(hù)模塊輸入雙向全橋變換器的電壓及電流信號(hào)。

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

所述操作臺(tái)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(shí)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(fù)運(yùn)行模塊、錯(cuò)誤狀態(tài)模塊、系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)及輸出信號(hào)邏輯運(yùn)算模塊，所述延遲恢復(fù)運(yùn)行模塊及錯(cuò)誤狀態(tài)模塊與系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)連接，系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)與輸出邏輯運(yùn)算連接。

所述雙向全橋變換器包括大壓差啟動(dòng)保護(hù)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(jī)和運(yùn)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(kāi)機(jī)后啟動(dòng)前進(jìn)入鎖定狀態(tài)，若電感零電流指示信號(hào)為高電平，則進(jìn)入離線狀態(tài)；若電感零電流指示信號(hào)為高電平且異常信號(hào)是否為低電平，則進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；否則不轉(zhuǎn)移狀態(tài)；

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

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

進(jìn)入離線狀態(tài)之后，狀態(tài)切換模塊輸出電流設(shè)定值切換信號(hào)把電流環(huán)的給定切換到0給定，這時(shí)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(shí)若電感零電流指示信號(hào)為高電平則進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，否則運(yùn)行延遲恢復(fù)運(yùn)行模塊，100us之后再判斷DCDC雙向控制器使能信號(hào)、DCDC雙向控制器模式變更信號(hào)及過(guò)限與保護(hù)模塊的異常信號(hào)，若DCDC雙向控制器使能信號(hào)為高電平，且模式變更信號(hào)為高電平和異常信號(hào)為低電平，則根據(jù)目前系統(tǒng)狀態(tài)輸出電流設(shè)定值切換信號(hào)，再快速進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

所述異常信號(hào)包括過(guò)壓異常、過(guò)流異常及工作模式異常。

本實(shí)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(cè)的信息進(jìn)行判斷，并能夠在PWM模擬控制器的作用下快速響應(yīng)；

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

(3)在系統(tǒng)中磁性元件儲(chǔ)存的能量完之后，系統(tǒng)的故障工況仍然沒(méi)法得到恢復(fù)時(shí)鎖定系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的安全，在系統(tǒng)恢復(fù)正常之后在手動(dòng)啟動(dòng)，保障系統(tǒng)的可靠；

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

(5)實(shí)現(xiàn)無(wú)異常時(shí)實(shí)現(xiàn)功率方向快速切換。

(6)DCDC雙向變換器的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化并提高了控制的快速性和可靠地，降低了設(shè)備的成本，并且，在沒(méi)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(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本實(shí)用新型的模塊組成與連接圖；

圖3是本實(shí)用新型的過(guò)限與保護(hù)模塊主要模擬電路圖；

圖4是本實(shí)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(shí)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(shí)用新型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊中的系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)簡(jiǎn)圖；

圖7是本實(shí)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(shí)用新型進(jìn)行兩個(gè)功率方向切換的實(shí)驗(yàn)波形圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)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(guò)限與保護(hù)模塊，所述狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊輸入四種信號(hào)，分別是來(lái)自過(guò)限與保護(hù)模塊的系統(tǒng)異常輸入信號(hào)及來(lái)自DCDC雙向控制器的使能信號(hào)、模式變更信號(hào)及電感零電流指示信號(hào)，所述狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊輸出電流設(shè)定值切換信號(hào)和驅(qū)動(dòng)失能信號(hào)到DCDC雙向控制器。

所述過(guò)限與保護(hù)模塊輸入雙向全橋變換器的電壓及電流信號(hào)。

所述DCDC雙向控制器輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)到雙向全橋變換器。

所述狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊負(fù)責(zé)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(shí)現(xiàn)了一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)所有關(guān)鍵信號(hào)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(yīng)。

所述DCDC雙向控制器包括操作臺(tái)、PWM模擬控制器及控制環(huán)切換器，其中操作臺(tái)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(shí)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(shè)計(jì)方式使得雙向變換器可以單向設(shè)計(jì)，最后由狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移和功率方向的切換，最終實(shí)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(fù)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(chǔ)。

所述雙向全橋變換器包括大壓差啟動(dòng)保護(hù)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(fù)運(yùn)行模塊、錯(cuò)誤狀態(tài)模塊、系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)及輸出信號(hào)邏輯運(yùn)算模塊。

為了保證可靠轉(zhuǎn)移，本實(shí)用新型在原有的系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)的基礎(chǔ)上加入了延時(shí)恢復(fù)運(yùn)行模塊、錯(cuò)誤狀態(tài)模塊和輸出信號(hào)邏輯運(yùn)算模塊，輔助系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)的進(jìn)行轉(zhuǎn)移狀態(tài)和保護(hù)DCDC雙向變換器。同時(shí)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊的異常輸入信號(hào)包括過(guò)壓異常、過(guò)流異常及工作模式異常。

同時(shí)，通過(guò)加入大壓差啟動(dòng)保護(hù)雙向IGBT修改主電路拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)大壓差升壓?jiǎn)?dòng)時(shí)在電感電流過(guò)限時(shí)實(shí)現(xiàn)關(guān)斷，切斷升壓的能量來(lái)源，等待電感電流恢復(fù)到正常電流值30A以下再次接通該雙向IGBT，繼續(xù)為后級(jí)提供能量。若無(wú)過(guò)流信號(hào)，則一直接通該雙向IGBT。

如圖7所示，本實(shí)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(jī)，為了實(shí)現(xiàn)這三個(gè)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(jī)、運(yùn)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(hào)、DCDC雙向控制器模式變更信號(hào)和過(guò)限與保護(hù)模塊的異常信號(hào)。這樣的設(shè)計(jì)方案中，所有的信號(hào)都是電平信號(hào)，抗擾性強(qiáng)，傳輸時(shí)延小，有益于利用可編程硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)多線程快速判斷。同時(shí)依賴于上述四種系統(tǒng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)，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(shí)，若馬上封鎖一側(cè)IGBT組的PWM信號(hào)，然后開(kāi)啟另一側(cè)的PWM信號(hào)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中的電流沒(méi)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(kāi)機(jī)后啟動(dòng)前進(jìn)入鎖定狀態(tài)，若電感零電流指示信號(hào)為高電平，則進(jìn)入離線狀態(tài)；若電感零電流指示信號(hào)為高電平且異常信號(hào)是否為低電平，則進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；否則不轉(zhuǎn)移狀態(tài)；

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

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

(4)進(jìn)入離線狀態(tài)之后，狀態(tài)切換模塊輸出電流設(shè)定值切換信號(hào)把電流環(huán)的給定切換到0給定，這時(shí)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(shí)若電感零電流指示信號(hào)為高電平則進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，否則運(yùn)行延遲恢復(fù)運(yùn)行模塊，100us之后再判斷DCDC雙向控制器使能信號(hào)、DCDC雙向控制器模式變更信號(hào)及過(guò)限與保護(hù)模塊的異常信號(hào)，若DCDC雙向控制器使能信號(hào)為高電平，且模式變更信號(hào)為高電平和異常信號(hào)為低電平，則根據(jù)目前系統(tǒng)狀態(tài)輸出電流設(shè)定值切換信號(hào)，再快速進(jìn)入運(yùn)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(méi)有鎖定系統(tǒng)的PWM輸出，而是通過(guò)狀態(tài)轉(zhuǎn)移模塊輸出電流設(shè)定值切換信號(hào)把圖中粗黑框所示的給定切換開(kāi)關(guān)切換到電流環(huán)的0給定，從而實(shí)現(xiàn)離線模式下保護(hù)運(yùn)行，一方面，由于電流環(huán)設(shè)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(jìn)一步輸送進(jìn)系統(tǒng)引起系統(tǒng)故障，另一方面并沒(méi)像現(xiàn)有技術(shù)那樣直切PWM驅(qū)動(dòng)或者直接封鎖PWM驅(qū)動(dòng)，而是保持PWM驅(qū)動(dòng)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(shí)再封鎖PWM驅(qū)動(dòng)，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(jìn)行過(guò)限與保護(hù)模塊無(wú)異常的功率方向切換時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)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(shí)進(jìn)入待機(jī)模式并進(jìn)行升降壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)切換，實(shí)現(xiàn)零電流功率方向切換，同時(shí)切換電流環(huán)給定開(kāi)關(guān)，進(jìn)入運(yùn)行態(tài)，實(shí)現(xiàn)新功率方向的快速啟動(dòng)。實(shí)驗(yàn)證明這種快速切換的方法在電流模式下能夠在2個(gè)控制周期內(nèi)讓電流下降到0，而且能夠在2個(gè)控制周期內(nèi)讓電流上升到指定值。停留在待機(jī)態(tài)的時(shí)延可由系統(tǒng)內(nèi)部自定義，此處設(shè)定為100us，這樣實(shí)現(xiàn)了功率方向快速可控切換。

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