CN108695829B - 谐振电路的保护方法、保护装置、电气***及充电器*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种谐振电路的保护方法、保护装置、电气***及充电器***。直流‑直流电压转换器谐振电路具有控制频率且包括至少一个电感及两个谐振电容器所述谐振电容器之间具有中点，所述方法保护包括，对于预定义极限谐振电流：基于在所述直流‑直流电压转换器谐振电路的输入处递送的输入电压、所述控制频率、所述谐振电容器的值及预定义极限谐振电流来确定中点极限电压，确定谐振电容器的中点电压，将中点电压与所述所确定极限电压进行比较，基于所述中点电压与所述所确定极限电压的所述比较，将直流‑直流电压转换器谐振电路置于故障状态。

Description

谐振电路的保护方法、保护装置、电气***及充电器***
技术领域
大体来说，本发明涉及电力电子学中针对过负荷进行保护的领域。
具体来说，本发明属于包括直流-直流电压转换器谐振电路(例如，谐振电路)的转换器领域。已知在这种直流-直流电压转换器谐振电路中所含有的电力组件(即，电容器及尤其是电感及变压器)必须受到保护以免受过大电流，否则过大电流会损坏所述电力组件。根据本发明的方法旨在保护直流-直流电压转换器谐振电路不遭受这些过负荷电流。
背景技术
为了保护电路，尤其是在其中必须保护电力组件(电感、电容器)免受可能的过负荷电流的以上所述环境中，使用被称为“钳位(clamp)”二极管(换句话说，“保护二极管”)的特殊二极管是已知的。
参照图1，在其中在图1中由字母H表示的H半桥(H half-bridge)控制频率受控隔离谐振电路LLC的环境中，所述谐振电路包括串联连接的谐振电感Lr、磁性电感Lm，谐振电感Lr、磁性电感Lm一方面连接在H半桥的中点处、另一方面连接在分别连接至H半桥的高连接端子及低连接端子的两个谐振电容器Cr/2的中点处。由一次绕组在图1所示实施例中与磁性电感Lm并联放置的变压器Trf将一次侧与二次侧隔离。
因此，钳位二极管CL1、CL2与谐振电容器Cr/2并联连接，即，也分别连接于所述电容器的中点与H半桥的高连接端子之间及所述电容器的中点与H半桥的低连接端子之间。钳位二极管的用途是通过在谐振电容器Cr/2的端子处的电压大于阈值时进行短路来限制所述电压。
在实践中，通过所述电力组件的电流因此而受到限制。
这种使用钳位二极管来保护直流-直流电压转换器谐振电路的电力组件不遭受过负荷电流的现有技术的优点在于其使用的简便性。
缺点在于，通过钳位二极管进行的这种类型的保护显然是电子性的。一旦已经选择了所述钳位二极管使谐振电容器短路的电压阈值，便不可能改变这一阈值，除非改变这些组件本身。此外，不能反馈关于导致钳位二极管的激活的确切原因。
另一个缺点在于钳位二极管的高成本，这是因为它们在相关应用方面必须能够耐受高电压并且非常快。
因此，需要一种用于保护直流-直流电压转换器谐振电路免受过负荷电流的方法及装置，从而能够有效地管理直流-直流电压转换器谐振电路的功率限制。
在此上下文中，本发明提出一种能够根据实时计算的极限电压来保护直流-直流电压转换器谐振电路的方法及相关联的电路，从而基于实际需要来调节对直流-直流电压转化器谐振电路的保护进行激活的电压。
发明内容
更确切来说，本发明涉及一种保护直流-直流电压转换器谐振电路不遭受过负荷电流的方法，所述直流-直流电压转换器谐振电路具有控制频率且包括至少一个电感及两个谐振电容器，这些所述谐振电容器之间具有中点，所述方法包括，对于预定义极限谐振电流：
基于在所述直流-直流电压转换器谐振电路的输入处递送的输入电压、所述控制频率、所述谐振电容器的值及所述预定义极限谐振电流来确定中点极限电压，
确定所述谐振电容器的中点电压，
将所述中点电压与所述所确定极限电压进行比较，
基于所述中点电压与所述所确定极限电压的所述比较将所述直流-直流电压转换器谐振电路置于故障状态。
在现有技术中，钳位二极管的阈值仅取决于在所述直流-直流电压转换器谐振电路的输入处递送的电压(图1中的Vin)且无法进行修改，而要不要限制Cr/2谐振电容器的电压实际上取决于其他参数，例如取决于直流-直流电压转换器谐振电路(图1中的谐振电路LLC)的输出电压及电流的控制频率。
根据本发明的用于保护直流-直流电压转换器谐振电路不遭受过负荷电流的方法及装置使得能够实时调整用于限制所述谐振电容器的电压的阈值。
得益于根据本发明的方法，对直流-直流电压转换器谐振电路的过负荷电流保护会更安全且更好地受到控制。此外，本发明不再需要昂贵的钳位二极管，这表现出经济优势。
根据实施例，所述极限电压Vlim是通过以下公式确定：
Figure BDA0001285003500000031
其中Vin是在所述直流-直流电压转换器谐振电路的所述输入处递送的所述输入电压，Cr/2是所述直流-直流电压转换器谐振电路的每一所述谐振电容器的所述值，所述谐振电容具有相同的值，f是所述直流-直流电压转换器谐振电路的所述控制频率，且Irlim是所述预定义极限谐振电流。
根据实施例，所述中点电压具体来说是通过用于在中点处检测电压峰值的装置来确定的电压。
有利地是，所述将所述在中点处测量的电压与所述所确定极限电压进行比较的步骤以及所述基于所述比较将所述直流-直流电压转换器谐振电路置于故障状态的步骤包括：
如果所述中点电压变得高于所述所确定极限电压，则发出报警，
如果所述报警保持存在达预定周期，例如达5秒及10秒以内，则将所述直流-直流电压转换器谐振电路置于故障状态，
如果所述中点电压变得低于所述所确定极限电压乘以小于或等于1、优选地介于0.8与0.9之间的系数，则删除所述报警。
根据实施例，如果在所述中点处测量的电压高于所述所确定的极限电压，则将所述直流-直流电压转换器谐振电路置于故障状态。
根据实施例，将所述直流-直流电压转换器谐振电路置于故障状态涉及到关闭所述直流-直流电压转换器谐振电路。
本发明也设想一种针对直流-直流电压转换器谐振电路的过负荷电流进行保护的装置，所述直流-直流电压转换器谐振电路具有控制频率且包括至少一个电感及两个谐振电容器，这些所述谐振电容器具有相同的值且这些所述谐振电容器之间具有中点，所述保护装置包括：
用于测量被递送至所述直流-直流电压转换器谐振电路的输入电压Vin的电路，
用于测量所述谐振电容器的中点电压的电路，
用于基于以下公式来确定中点极限电压Vlim的电路：
Figure BDA0001285003500000041
其中Vin是在所述直流-直流电压转换器谐振电路的所述输入处递送的所述输入电压，Cr/2是所述直流-直流电压转换器谐振电路的每一所述谐振电容器的所述值，f是所述直流-直流电压转换器谐振电路的所述控制频率，且Irlim是所述预定义极限谐振电流，
用于将所述中点电压与所述所确定极限电压进行比较的电路，
用于基于所述比较将所述直流-直流电压转换器谐振电路置于故障状态的电路。
有利地是，所述用于测量所述谐振电容器的中点电压的电路包括用于检测峰值的电路，所述用于检测峰值的电路包括用于降低来自所述中点的电压的电阻性分压桥，所述电阻性分压桥在二极管的阳极与包括并联的电容器与电阻器的分支的一端之间递送电压，所述分支的另一端连接至所述二极管的阴极。
本发明也设想一种包括谐振电路及用于保护所述谐振电路的装置的电气***，所述保护装置如上简要所述。
有利地是，在这种电气***中，所述谐振电容器分别连接于所述中点与所述谐振电路的高连接端子之间、以及所述中点与所述谐振电路的低连接端子之间。
本发明也设想一种被设计用于对电池、尤其是车辆的电池进行充电的充电器***，所述充电器***包括如上简要所述的电气***。
附图说明
通过阅读仅作为实例给出的以下说明并参照附图，将更好地理解本发明，在附图中：
图1是根据现有技术的用于通过钳位二极管来保护谐振电路的装置的实例的图。
图2是根据本发明进行保护的方法及装置的操作图。
图3是在本发明的范围内使用的峰值检测器的实例的电子图。
[符号的说明]
C2：电容器；
CL1、CL2：钳位二极管；
Clink：电容器；
COMP：比较电路；
Cr/2：谐振电容器；
C_Vlim：电路；
C_Vmp：计算模块；
D1：二极管；
DCDC：直流-直流电压转换器谐振电路；
DEF：用于置于故障状态的电路；
f：切换频率；
H：H半桥；
Ir：电流；
Irlim：预定义极限谐振电流；
LLC：频率受控隔离谐振电路/谐振电路；
Lm：磁性电感；
Lr：谐振电感；
M2、M3、Q1、Q2：开关；
PD：峰值检测电路；
R：电阻性分压桥；
R3、R19、R20：电阻器；
S：传感器/电压传感器；
Trf：变压器；
V0_d、Vmp：电压；
Vin：输入电压/电压。
具体实施方式
应注意，以下借助不同的非限制性实施例对本发明加以阐述且本发明能够以各种变型来实作，所述各种变型处于所属领域中的技术人员所知的范围内且也是由本发明所设想的。
参照图2，本发明提出一种用于保护直流-直流电压转换器谐振电路不遭受过负荷电流的方法及装置。根据图2中的实施例，直流-直流电压转换器谐振电路包括谐振电路及整流器，在谐振电路与整流器之间具有变压器Trf。
直流-直流谐振电路具有包括高输入端子及低输入端子的输入、连接于所述高输入端子与所述低输入端子之间的电容器Clink，输入电压Vin在高输入端子与低输入端子之间递送。在例如为充电器的上下文中，所述输入电压Vin具体来说可由交流-直流转换器(例如，功率因数校正转换器)递送。
具体来说，直流-直流谐振电路包括开关M2、M3，开关M2、M3被配置成用于对所述控制频率进行切换以控制在谐振电路中循环的能量。所述开关M2、M3例如为隔离栅极双极晶体管(Isolated Gate Bipolar Transistor，IGBT)或金属氧化物半导体场效晶体管(MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistors，MOSFET)。
开关M2、M3形成H半桥，以使得开关M2、M3预期能够以反相方式运行。换句话说，当开关M2断开时，开关M3闭合，连接至电路的低输入端子的电容器Cr/2与谐振电感Lr并联连接；连接至电路的高输入端子的另一谐振电容器Cr/2在此种情形中与所述谐振电感Lr及连接至电路的低输入端子的所述电容器Cr/2串联连接。相反，当开关M3断开时，开关M2闭合，连接至电路的高输入端子的电容器Cr/2与谐振电感Lr并联连接；连接至电路的低输入端子的另一谐振电容器Cr/2在此种情形中与所述谐振电感Lr及连接至电路的高输入端子的所述电容器Cr/2串联连接。
本发明的目标之一在于保护这种直流-直流谐振电路不遭受过负荷电流。
应理解，“过负荷电流”在例如谐振电路等电路中意指超过预定义阈值的谐振电流。这种预定义阈值在车辆充电器的上下文中通常为约35A。
这些过负荷电流(换句话说，其值超过这些组件的最大操作电流的这些谐振电流)对相关组件施加应力，且可导致相关组件过早用坏或甚至相关组件的毁坏。
在确定谐振电容器Cr/2的中点极限电压Vlim的基础上，谐振电感Lr及谐振电容器Cr/2、以及任意其他电力组件(例如(举例来说)磁性电感(图中未示出))均根据本发明而受到保护。所述极限电压Vlim对应于谐振电容器Cr/2的最大许可中点电压。这一极限电压Vlim被界定成确保对直流-直流谐振电路的电力组件的保护。
所述极限电压Vlim具体来说取决于在直流-直流谐振电路的输入端子处递送的输入电压Vin。根据本发明，极限电压Vlim也取决于转换器电路的切换频率f及各谐振电容器Cr/2的值，后者明显为相等的。
此外，仍根据本发明，极限电压Vlim取决于预定义极限谐振电流Irlim。这一预定义极限谐振电流Irlim对应于最大所选值，即，通过直流-直流谐振电路的电力组件的电流必须不超过的值。实际上，一般来说，谐振电流被理解为通过直流-直流谐振电路的电力组件的电流Ir，即，在图2中通过谐振电感Lr的电流Ir。
根据实施例，极限电压Vlim是由电路C_Vlim通过以下公式计算来确定极限电压Vlim：
Figure BDA0001285003500000071
其中Vin是在谐振电路的输入处递送的输入电压，Cr/2是谐振电路的每一谐振电容器的值，所述各谐振电容器具有相同的值，f是谐振电路的操作频率，且Irlim是预定义极限谐振电流。
根据实施例，电压Vin是通过输入电压测量电路来测量。
根据实施例，谐振电容器的中点电压是通过谐振电容器的中点电压的测量电路来确定。根据一种变型，所述中点电压的测量电路包括：传感器S，适用于测量中点电压；峰值检测电路PD；峰值检测电路PD，由传感器S所测量的电压被递送至峰值检测电路PD；以及用于确定将与极限电压Vlim进行比较的中点电压峰值Vmp_pk的电路。
峰值检测电路PD确定由传感器S在可参数化的预定义时间周期内测量的电压Vmp的波形的最大值Vmp_pk。
通过比较电路COMP将中点电压峰值Vmp_pk与极限电压Vlim进行比较。
根据此比较的结果，如果在中点处测量的电压峰值Vmp_pk涉及到过负荷电流将通过电力组件的风险，则通过用于置于故障状态的电路DEF将直流-直流谐振电路置于故障状态。根据实施例，将直流-直流谐振电路置于故障状态具体来说包括关闭所述电路。
具体来说，如果中点电压峰值的检测器示出电压超过Vlim，则将电路置于故障状态。具体来说，所述置于故障状态涉及到关闭直流-直流谐振电路。
根据优选实施例，此外，将谐振电路置于故障状态仅当在中点处测量的电压峰值Vmp_pk保持高于极限电压Vlim达预定时间时进行。
根据实施例，一旦在中点处测量的电压峰值Vmp_pk超过极限电压Vlim便将谐振电路置于故障状态仅当在中点处测量的电压Vmp保持高于接近极限电压Vlim的值(例如，对应于所述极限电压Vlim的80％或90％的值)达预定时间时进行。在此种情形中，应用迟滞法则(law of hysteresis)。
为了应用这一迟滞法则，将在中点处测量的电压峰值Vmp_pk与极限电压Vlim进行比较以及基于所述比较将直流-直流谐振电路置于故障状态涉及到例如：
如果在中点处测量的电压峰值Vmp_pk变得高于极限电压Vlim，则发出报警，
如果所述报警保持存在达预定义时间，例如5秒与10秒之间，则将直流-直流谐振电路置于故障状态，
如果在中点处测量的电压峰值Vmp_pk降至低于极限电压Vlim乘以小于或等于1、优选地介于0.8与0.9之间的系数，则取消所述报警。
图3示出一种能够确定谐振电容器Cr/2的中点电压峰值Vmp_pk的峰值检测电路的实作方式的实例。
用于测量谐振电容器Cr/2的中点电压的所述电路在此种情形中由峰值检测电路构成，所述峰值检测电路包括用于降低来自中点的电压Vmp的电阻性分压桥R，所述电阻性分压桥R在二极管D1的阳极与包括并联的电容器C2与电阻器R3的分支的一端之间递送电压，所述分支的另一端连接至二极管D1的阴极。所述二极管D1与电容器C2及电阻器R3一起形成峰值检测电路的峰值检测模块。
在图3所示实施例中，电阻性分压桥R包括两个电阻器R19及R20，所述两个电阻器R19及R20被配置成对电路中由图2所示意性表示的电压传感器S测量的电压Vmp进行分压。在应用的实例中，R19被选择成400kΩ且R20被选择成2.2kΩ。在此一实例中，电容器C2被选择成1nF且R3被选择成200kΩ。
根据前面阐述的方法，在这种峰值检测电路的输出处，将电压V0_d递送至计算模块C_Vmp以确定中点电压的最大值，从而能够将电压的这一最大值Vmp_pk与极限电压Vlim进行比较。

Claims (11)

1.一种直流-直流电压转换器谐振电路不遭受过负荷电流的保护方法，所述直流-直流电压转换器谐振电路具有控制频率且包括至少一个电感及两个谐振电容器，这些所述谐振电容器之间具有中点，其特征在于，所述保护方法包括，对于预定义极限谐振电流：
基于在所述直流-直流电压转换器谐振电路的输入处递送的输入电压、所述控制频率、所述谐振电容器的值及所述预定义极限谐振电流来确定中点极限电压，
确定所述谐振电容器的中点电压，
将所述中点电压与所述中点极限电压进行比较，
基于所述中点电压与所述中点极限电压的所述比较，将所述直流-直流电压转换器谐振电路置于故障状态。
2.根据权利要求1所述的直流-直流电压转换器谐振电路不遭受过负荷电流的保护方法，其特征在于，所述中点极限电压Vlim是通过以下公式确定：
Figure FDA0003414062750000011
其中Vin是在所述直流-直流电压转换器谐振电路的所述输入处递送的所述输入电压，Cr/2是所述直流-直流电压转换器谐振电路的每一所述谐振电容器的所述值，所述振电容器的谐振电容具有相同的值，f是所述直流-直流电压转换器谐振电路的所述控制频率，且Irlim是所述预定义极限谐振电流。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的直流-直流电压转换器谐振电路不遭受过负荷电流的保护方法，其特征在于，所述中点电压具体来说是通过中点电压峰值检测装置来确定的电压。
4.根据权利要求1所述的直流-直流电压转换器谐振电路不遭受过负荷电流的保护方法，其特征在于，所述将所述中点电压与所述中点极限电压进行比较的步骤以及所述基于所述比较将所述直流-直流电压转换器谐振电路置于故障状态的步骤包括：
如果所述中点电压变得高于所述中点极限电压，则发出报警，
如果所述报警保持存在达预定周期，所述预定周期介于5秒及10秒之间，则将所述直流-直流电压转换器谐振电路置于故障状态，
如果所述中点电压变得低于所述中点极限电压乘以系数，则删除所述报警，所述系数介于0.8与0.9之间。
5.根据权利要求1所述的直流-直流电压转换器谐振电路不遭受过负荷电流的保护方法，其特征在于，将所述直流-直流电压转换器谐振电路置于故障状态仅在所述中点电压高于所述中点极限电压时进行。
6.根据权利要求1所述的直流-直流电压转换器谐振电路不遭受过负荷电流的保护方法，其特征在于，将所述直流-直流电压转换器谐振电路置于故障状态包含关闭所述直流-直流电压转换器谐振电路。
7.一种针对直流-直流电压转换器谐振电路的过负荷电流的保护装置，所述直流-直流电压转换器谐振电路具有控制频率且包括至少一个电感及两个谐振电容器，这些所述谐振电容器具有相同的值且这些所述谐振电容器之间具有中点，其特征在于，所述保护装置包括：
用于测量被递送至所述直流-直流电压转换器谐振电路的输入电压的电路，
用于测量所述谐振电容器的中点电压的电路，
用于基于以下公式来确定中点极限电压Vlim的电路：
Figure FDA0003414062750000021
其中Vin是在所述直流-直流电压转换器谐振电路的输入处递送的所述输入电压，Cr/2是所述直流-直流电压转换器谐振电路的每一所述谐振电容器的所述值，f是所述直流-直流电压转换器谐振电路的所述控制频率，且Irlim是预定义极限谐振电流，
用于将所述中点电压与所述所确定中点极限电压进行比较的电路，
用于基于所述比较将所述直流-直流电压转换器谐振电路置于故障状态的电路。
8.根据权利要求7所述的针对直流-直流电压转换器谐振电路的过负荷电流的保护装置，其特征在于，所述用于测量所述谐振电容器的所述中点电压的电路包括用于检测峰值的电路，所述用于检测峰值的电路包括用于降低来自所述中点的电压的电阻性分压桥，所述电阻性分压桥在二极管的阳极与包括并联的电容器与电阻器的分支的一端之间递送电压，所述分支的另一端连接至所述二极管的阴极。
9.一种包括谐振电路及用于保护所述谐振电路的装置的电气***，其特征在于，所述用于保护所述谐振电路的装置是根据权利要求7或8中的任一项所述的保护装置。
10.根据权利要求9所述的电气***，其特征在于，所述谐振电容器分别连接于所述中点与所述谐振电路的高连接端子之间、以及所述中点与所述谐振电路的低连接端子之间。
11.一种被设计用于对电池进行充电的充电器***，其特征在于，包括根据权利要求9或10中任一项所述的电气***。
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