一种多级单元通讯同步的电力电子变压器的制作方法

1.本发明涉及电力电子变压器领域，特别是一种能够实现多级单元通讯同步的电力电子变压器。


背景技术：

2.随着分布式电源在全国的铺设搭建，对电网在接入分布式能源的端口多样性、能量流向可控性等方面提出了更高要求。
3.电力电子变压器是一种利用全控型变换器和高频变压器构成，能实现电压变换、电气隔离、能量流向控制，并提供多端口方便分布式能源、储能装置等接入。目前电力电子变压器常在中、高压大功率的应用场合，因此一般需要多级dc/dc模块级联满足大电压、大功率的需求。其中dc/dc模块的主要构型包括：dab变换器、boost dab变换器、llc谐振变换器等。
4.如图1所示，为一种基于boost dab单元搭建而成的电力电子变压器。为了应用于中、高压场合(10kv以上)，而开关器件的耐压能力有限，其输入端需要多级单元级联，同时输出端依靠多级单元并联保证输出大功率。即该电力电子变压器由多个dc/dc单元(dc/dc单元1、dc/dc单元2、dc/dc单元3、dc/dc单元4
……
)构成，每个dc/dc单元包括boost电路、原边变换器、高频变压器和副边变换器，原边变换器和副边变换器均采用h桥结构。各boost电路输入端级联，而副边变换器输出端并联。
5.从整体控制需求上看，多级单元之间需要保证收发信息的同步，以及驱动同步生成控制，从单元组成上看，由于boost dab单元内，高频变压器的原边承担较大电压，副边承担较小电压，而采样量需要对原边boost母线电压和boost输入电流进行采样，副边需要对dab输出电压、电流进行采样，为了保证原副边隔离采样，通常需要配置原边、副边控制器分别完成采样和驱动控制，保证变压器的绝缘和信号隔离。
6.因此，为了控制、均衡等要求，需要保证多级单元之间、单元内部的通讯同步。现有技术一般采用主从结构，包括主控制器和从控制器，利用光纤实现通讯、隔离。但是现有技术存在的缺陷包括光纤接口较多，占用主控制器资源多，成本较高。


技术实现要素：

7.本技术的目的在于提供一种多级单元通讯同步的电力电子变压器，用以解决现有技术光纤接口多，占用资源多的问题。
8.为实现上述目的，本发明提出了一种多级单元通讯同步的电力电子变压器，每个单元具有高频变压器，以及高频变压器的原边电路和副边电路，以及：
9.一个主控制器、n个原边控制器和n个副边控制器；
10.每个单元对应一个原边控制器和一个副边控制器，原边控制器用于与原边电路进行交互和控制，副边控制器用于与副边电路进行交互和控制；
11.所述主控制器与原边控制器之间设有串行通讯通道，原边控制器与副边控制器之
间也设有串行通讯通道；所述串行通讯通道为光纤通道。
12.进一步的，通过曼彻斯特编码对串行通讯的数据进行编码。
13.进一步的，原边控制器开始接收到主控制器的控制数据后，置位其同步信号，并且直接转发所述控制数据到副边控制器；原边控制器接收完毕后，拉低其同步信号；
14.副边控制器开始接收到原边控制转发的控制数据时，置位其同步信号；副边控制器接收完毕后，拉低其同步信号。
15.进一步的，原边控制器以其同步信号的下降沿为基准，进行pwm控制；副边控制器以其同步信号的下降沿为基准，进行pwm控制。
16.进一步的，对于原边/副边控制，开始接收数据时，接收标志位flag_rx置“1”，接收完毕后，接收标志位flag_rx置“0”，设置接收寄存器reg1存储读取标志位，以reg1＝“10”作为接收完毕的标志；开始发送数据时，发送标志位flag_tx置“1”，接收完毕后，读取标志位flag_tx置“0”，设置接收寄存器reg2存储发送标志位，以reg2＝“10”作为发送完毕的标志。
17.本发明还提供了一种多级单元通讯同步的电力电子变压器，每个单元具有高频变压器，以及高频变压器的原边电路和副边电路，以及：
18.主控制器、n个原边控制器和n个副边控制器；
19.每个单元对应一个原边控制器和一个副边控制器，原边控制器用于与原边电路进行交互和控制，副边控制器用于与副边电路进行交互和控制；
20.所述主控制器与副边控制器之间设有串行通讯通道，原边控制器与副边控制器之间也设有串行通讯通道；所述串行通讯通道为光纤通道。
21.进一步的，通过曼彻斯特编码对串行通讯的数据进行编码。
22.进一步的，副边控制器开始接收到主控制器的控制数据时，置位其同步信号，并且直接转发所述控制数据到原边控制器；副边控制器接收完毕后，拉低其同步信号；
23.原边控制器开始接收到副边控制转发的控制数据后，置位其同步信号；原边控制器接收完毕后，拉低其同步信号。
24.进一步的，原边控制器以其同步信号的下降沿为基准，进行pwm控制；副边控制器以其同步信号的下降沿为基准，进行pwm控制。
25.进一步的，对于原边/副边控制，开始接收数据时，接收标志位flag_rx置“1”，接收完毕后，接收标志位flag_rx置“0”，设置接收寄存器reg1存储读取标志位，以reg1＝“10”作为接收完毕的标志；开始发送数据时，发送标志位flag_tx置“1”，接收完毕后，读取标志位flag_tx置“0”，设置接收寄存器reg2存储发送标志位，以reg2＝“10”作为发送完毕的标志。
26.本发明的的有益效果是：首先，通过主控制器、原边/副边控制器的通讯布局方式，减少了光纤和接口，以及主控制器的资源消耗，降低了成本。
27.再者，采用曼彻斯特编码方式，能够包含时钟信息，进一步减少光纤接口数量。
28.进一步的，由于原边/副边控制器直接转发来自于主控制器的数据，通过各自的同步信号可以同步各自单元的数据收发，因此也就方便的实现各级单元之间的数据收发的同步。
29.而且，同步信号还能够用于实现原副边控制器pwm信号的同步。
附图说明
30.图1是多级单元拓扑；
31.图2是本发明的通讯结构图；
32.图3是曼彻斯特编码示意图；
33.图4是数据收发同步示意图。
具体实施方式
34.本实施例以boost dab结构的电力电子变压器为例进行介绍，需要说明的是，本发明的技术方案可以应用于其他类型的电力电子变换器。
35.如图2所示为本实施例的电路原理图。其中，电力电子变压器的结构与图1相同，不再赘述。图2中展示了相关控制部件，包括主控制器、原边控制器和副边控制器。每个dc/dc单元设置一个原边控制器和一个副边控制器；原边控制器用于控制boost电路和原边变换器，采集输入电压电流；副边控制器用于控制副边控制器，采用输出电压电流；原边控制器与副边控制器光纤通讯连接。主控制器与各个单元的原边控制器光纤通讯连接。从图2中可以看出，主控制器的tx11、rx11对应dc/dc单元1，txn1、rxn1对应dc/dc单元n。
36.主控制器仅通过一对光纤和原边控制器通讯，副边控制器仅通过一对光纤(2路)和原边控制器相连，因此每个单元对主控制器的数据资源量和通讯接口需求较少，大大增加了常规主控制器平台可控单元组数量，而且用于通讯同步控制的光纤数量较少，通讯方面的成本较低。且原边控制器对应生成boost半桥和dab原边h桥共6个开关驱动，并负责采样输入电压电流，副边控制器生成dab副边h桥的4个开关驱动，负责采样输出电压电流，因此在实际电路设计中，原边控制器和副边控制器可采用相同的电路原理图和pcb板设计，简化控制平台开发流程和时间。
37.如图2，以dc/dc单元1为例，主控制器同步下发的数据(通过tx11光纤口)传到原边控制器rx12光纤口，同时通过原边控制器编写代码，令原边控制器输出输入端口tx13＝rx12，即以原边控制器为中介，对副边控制数据直接转发，由于原副边控制器的光纤较短，且传输速率高，转发造成的延时完全可忽略不计，因此原边控制器光纤口rx12和副边控制器光纤口rx14接收数据同步。另外，副边控制器将采集到的信息通过光纤口tx14发送到原边的光纤口rx13，原边控制器将采集到的信息以及从副边控制器接收到的信息通过tx12光纤口发送到主控制器的rx11光纤口。
38.本实施例中，主控制器为单片机，原边控制器、副边控制器采用fpga实现。
39.如图3所示，由于曼彻斯特编码能够包含时钟信息，因此本实施例中，为了减少光纤接口，通过曼彻斯特编码对串行的光纤通道进行编码。以主控制器的时钟clk为准，通过在每个时钟周期中心(即clk的下降沿)，确认将要发送的数据值，若数据为“1”，则曼彻斯特编码产生下降沿(即1到0的跳变)，若数据为“0”，则曼彻斯特编码产生上升沿(即0到1的跳变)，最终得到转化为曼彻斯特形式的数据码，可以看出数据码中既包含了数据信息，还包含了发送主体的内部时钟clk，能传递数据和主控制器时钟两种信息。该时钟信息可作为接受对象的同步校正信号。
40.在没有专门的时钟数据通道的情况下，必须考虑如何通讯、控制的同步。具体的，本实施例如图4所示，原边控制器rx12光纤口接收到数据后，接收标志位flag_rx置“1”，数
据读取完毕后flag_rx置“0”，设置寄存器reg1存储二进制的2位数，令reg1＝reg1(1)&flag_rx(将flag_rx前后2个时钟下的对应数据存储)，只有在reg1＝“10”(即flag_rx出现下降沿后延迟一个clk周期)，同步校正信号sync出现下降沿，该下降沿使能原边控制器发出数据。在光纤口tx13开始发数据时，flag_tx作为发送标志位被置“1”，数据发送完毕后flag_tx被置“0”，设置寄存器reg2存储二进制的两位数，令reg2＝reg2(1)&flag_tx(将flag_tx前后2个时钟下的对应数据存储)，只有在reg2＝“10”(即flag_tx出现下降沿后延迟一个clk周期)，同步校正信号sync出现上升沿，数据收发同步过程结束。同理，rx13，tx12也可以采用这种方式进行控制。
41.同理，副边控制器rx14、tx14光纤口收发数据，也设置相应的标志位、寄存器和同步信号sync，采用与上述方式相同的控制方式。也就是说，原边控制器、副边控制器均有它们各自的同步信号、寄存器、标志位等，为了方便表示，本文中不再对信号的标注进行区分。
42.其中，同步信号sync起到同步数据收发作用。而且还利用sync的下降沿作为原边控制器和副边控制器的基准信号，即在原边控制器和副边控制器pwm生成环节中，sync的下降沿作为载波计数值的校正使能信号。sync出现下降沿表示数据接收完毕，原、副边控制器均得到各自的移相、占比等信息，移相值决定了载波计数初始值，即以sync下降沿为标志，将收到的移相值赋值给载波计数初始值，保证原副边控制器pwm生成中采用的载波能同步计数，保证pwm生成的驱动控制同步。
43.本实施例中，实现通讯同步控制不仅依赖于主控制器、原边控制器与副边控制器的硬件连接结构，还依赖于软件设计——原边控制器、副边控制器中均设置了同步信号sync，通过同步信号sync方便的实现了数据收发的同步，以及原副边控制器pwm信号的同步。需要说明的是，在采用本实施例的硬件连接方式时，还可以采用现有的软件设计，例如通过串行通道在主控制器、原边控制器和副边控制器之间传递同步标签，从而实现通讯同步；但现有的软件设计方式相较于本实施例的方式，实现较为复杂。
44.本实施例中，接收数据时，sync为高，结束接收后产生下降沿。那么显然，也可以设置为接收数据时，sync为低，结束接收后产生上升沿；这些技术手段是本领域等同的技术手段。
45.本实施例中，主控制器与原边控制器连接，而原边控制器再与副边控制器连接；从通讯控制的角度来看，原边控制器与副边控制器实际上等价的，因此作为其他实施方式，也可以采用主控制器连接副边控制器，副边控制器再连接原边控制器。