一种蓄电池供电的脉冲电容充电电源及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种蓄电池供电的脉冲电容充电电源。主电路采用两级升压结构，前级为交错并联双Boost变换器，后级采用LCC谐振变换器。其中交错并联双Boost变换器能够实现比较高的升压比，减小输出电压纹波；LCC谐振变换器能够充分利用变压器的寄生参数，实现开关管的软开关，同时以小脉冲的形式对负载电容进行充电，能实现较高的充电精度。本发明专利技术首次提出交错并联双Boost变换器和LCC谐振变换器组成的两级脉冲电容充电电源结构，前级通过电压电流双闭环控制实现了稳定升压，提高了响应速度，后级通过临界断续恒流控制实现了全范围软开关和恒流充电，提高了充电速度、充电效率以及充电线性度，提升了脉冲电容充电电源的充电性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种蓄电池供电的脉冲电容充电电源及其控制方法


[0001]本专利技术属于电力电子变换器领域，特别涉及一种蓄电池供电的脉冲电容充电电源及其控制方法。

技术介绍

[0002]传统的直流电源一般向固定负载提供稳定高效的直流电压或电流，电源大多数时间工作在稳定状态，而在有一些应用领域，如强激光、粒子加速器、雷达、电磁发生等，则需要系统在短暂的时间内提供可重复、高密度、高功率的能量输出，称之为高能脉冲系统。这些能量一般由脉冲电容储能，然后在短时内释放提供，而脉冲电容充电电源的质量关系到脉冲电容能否在额定的时间内稳定的充到额定电压并保持至放电。
[0003]高频变换器具有较高的开关频率，可以减小电路中磁性元件的体积，提高充电电源的功率密度，并降低电源的设计成本；同时，它是以小脉冲的充电方式对电容进行充电，输出电压缓慢上升，充电精度高，因此高频变换器在电容充电电源中应用比较广泛。理想的LC串联谐振变换器工作在电流断续模式时输出电流恒定，可以实现恒流充电，但是受高频高压变压器寄生参数的影响，LC串联谐振变换器实质上是LCC串并联谐振变换器。目前对于工作在断续模式下的LCC谐振变换器的主流控制方式为定频控制，不仅控制简单，还能实现全范围零电流软开关，提高电路效率和可靠性。但是定频控制下的LCC谐振变换器随着充电电压的上升，电流衰减速度很快，严重影响了充电速度和充电线性度。
[0004]脉冲电容充电电源大多数使用三相交流电整流后为电源供电，而在某些低压源供电的场合，如电磁武器，激光武器移动作战等，则需要使用蓄电池或超级电容作为初级储能为系统供电，这个时候要求电源能将几十伏的电压升到数千伏甚至十千伏以上。若直接使用一级结构升压，会造成变压器线圈匝数过多，体积庞大，效率降低，且由于低压端电流大，电流变化过快，会造成大的电磁干扰。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提出了一种蓄电池供电的脉冲电容充电电源及其控制方法，以提高脉冲电容充电电源的性能，通过采用临界断续恒流控制，在提升充电效率的同时提升充电速度和充电线性度，针对蓄电池供电的应用场合，通过两级升压结构，在LCC谐振变换器前加交错并联双Boost变换器，使变压器体积减小，提高充电效率，减小电磁干扰。
[0006]实现本专利技术的技术解决方案为：一种蓄电池供电的脉冲电容充电电源，通过交错并联双Boost变换器、电压电流双闭环控制、LCC谐振变换器和临界断续恒流控制实现。其中：
[0007]交错并联双Boost变换器为前级升压电路，由两个Boost变换器并联组成，上下支路180
°
移相控制，用于提升后级LCC谐振变换器的输入电压等级。
[0008]电压电流双闭环控制为前级交错并联双Boost变换器的控制方式，用于稳定前级输出电压、实现支路电流均衡。
[0009]LCC谐振变换器为后级升压电路，由全桥逆变电路、LCC谐振腔、变压器和全桥整流电路组成，用于对脉冲电容充电。
[0010]临界断续恒流控制为后级LCC谐振变换器的控制方式，用于提升脉冲电容充电电源的性能。
[0011]本专利技术所提出的一种蓄电池供电的脉冲电容充电电源的控制方法，实现步骤如下：
[0012]步骤1：交错并联双Boost变换器实现电压等级的提升，为前级升压电路。单条支路的工作原理是：当开关管Q
i
导通时，输入电源V
in
向升压电感L
i
充电，输出电容C
i
维持输出电压恒定；当开关管Q
i
关断时，输入电源V
in
和升压电感L
i
同时向负载端供电。上下支路采用180
°
移相控制，即第二开关管Q
i2
的驱动信号滞后第一开关管Q
i1
的驱动信号180
°
，可以减小输出电压纹波。
[0013]步骤2：电压电流双闭环控制为前级交错并联双Boost变换器的控制方式，电压外环稳定输出电压，电流内环提高响应速度，实现支路电流均衡。采集输出电压与电压参考值进行比较，将误差量送入PI控制器计算出电流参考值，再将电流参考值与采样到的电感电流值进行作差，结果送入PI控制器，再经过PWM模块输出Q
i1
的驱动信号，同时将Q
i1
的驱动信号延迟半周期作为Q
i2
的驱动信号，实现交错并联。
[0014]步骤3：前级交错并联双Boost变换器的输出电压作为后级LCC谐振变换器的输入电压，LCC谐振变换器对负载电容进行充电。当第一开关管Q1和第四开关管Q4导通时，首先输入电源经过第一开关管Q1、第四开关管Q4、串联谐振电感L
r
、串联谐振电容C
s
和变压器原边侧向变压器副边传送能量，变压器副边侧通过第一二极管V
o1
和第四二极管V
o4
向负载电容C
o
进行充电；然后当谐振电流谐振到零并开始反向时，输入电源经过第一开关管反并联二极管VD1、第四开关管反并联二极管VD4、串联谐振电感L
r
、串联谐振电容C
s
向并联谐振电容C
p
反向充电；当并联谐振电容C
p
电压达到钳位电压时，输入电源经过第一开关管反并联二极管VD1、第四开关管反并联二极管VD4、串联谐振电感L
r
、串联谐振电容C
s
和变压器原边侧向变压器副边传送能量，变压器副边侧通过第二二极管V
o2
和第三二极管V
o3
向负载电容C
o
进行充电。当第二开关管Q2和第三开关管Q3导通时情况一样。
[0015]步骤4：临界断续恒流控制为后级LCC谐振变换器的控制方式，通过电压采样电路采集输出电容电压送到数字处理芯片(DSP)的ADC模块，同时ePWM模块中的事件触发(ET)子模块产生ADC启动信号，每启动一次进行一次ADC采样，然后在中断中进行数据运算，计算出临界断续频率。考虑到临界断续频率计算的复杂性以及DSP处理的速度，事先对临界断续频率的表达式进行分段线性化，然后在中断程序中对采集到的输出电压进行判断，接着计算出临界断续频率作为平均输出电流闭环控制PI调节的频率上限。通过采样电阻将输出电流转化为电阻电压，然后通过LC滤波电路，此时滤波电容电压即为平均输出电流。通过电压采样电路采集滤波电容电压作为平均输出电流送到DSP的ADC模块，在中断中进行增量式PI调节来实现恒流输出，参考电流为采用临界断续控制时充电过程中最小输出电流。
[0016]本专利技术与现有脉冲电容充电电源技术相比，其显著优点是：一方面采用两级升压结构，在LCC谐振变换器前加一级升压结构可以提高输入母线电压，减小变压器变比，进而减小变压器体积，提高效率，并且前级交错并联Boost变换器具有输入分流输出串联升压的特点，适合前级低压大电流的特性，同时上下支路本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种蓄电池供电的脉冲电容充电电源，其特征在于：通过交错并联双Boost变换器、电压电流双闭环控制、LCC谐振变换器和临界断续恒流控制实现，其中：交错并联双Boost变换器作为前级升压电路，由两个Boost变换器并联组成，上下支路180
°
移相控制，能减小输出电压纹波，提高后级LCC谐振变换器的输入电压等级；电压电流双闭环控制作为前级交错并联双Boost变换器的控制方式，电压外环能够稳定输出电压，电流内环能够提高响应速度，双环控制的动态响应快，调节性能好，输出电压的调节过冲小，同时还能实现支路电流的均衡；LCC谐振变换器作为后级升压电路，包括全桥逆变电路、LCC谐振腔、变压器和全桥整流电路，其中变压器的漏感和寄生电容分别被折算到变压器原边的串联谐振电感和并联谐振电容中，通过调节全桥逆变电路中四个开关管的驱动信号来控制LCC谐振变换器的输出特性；临界断续恒流控制作为后级LCC谐振变换器的控制方式，当LCC谐振变换器工作在断续模式时能实现全范围ZCS软开关，提升电路的能量传递效率和可靠性，而变换器工作在临界断续模式时对应的电流输出能力是LCC谐振变换器在断续模式下的最大电流输出能力，因此采用临界断续控制，即实时采集输出电压并据此计算出临界断续频率来控制全桥逆变电路的开关管，能提高能量利用率，进而提高充电速度；同时为了实现恒流充电，需要采用平均输出电流闭环控制，最终采用临界断续恒流控制，来提高充电速度和充电线性度。2.根据权利要求1所述的蓄电池供电的脉冲电容充电电源，其特征在于：所述交错并联双Boost变换器由两个Boost变换器并联组成，其中每个Boost变换器包括升压电感L
i
、开关管Q
i
、二极管VD
i
和输出电容C
i
，通过控制第一开关管Q
i1
和第二开关管Q
i2
实现输出电压的调节，上下支路180
°
移相控制，能够减小输出电压纹波。3.根据权利要求2所述的蓄电池供电的脉冲电容充电电源，其特征在于：所述电压电流双闭环控制由电压外环和电流内环组成，电压外环稳定交错并联双Boost变换器的输出电压，电流内环提高系统的响应速度，实现支路电流的均衡。4.根据权利要求3所述的蓄电池供电的脉冲电容充电电源，其特征在于：所述LCC谐振变换器包括全桥逆变电路、LCC谐振腔、变压器和全桥整流电路，其中LCC谐振腔包括串联谐振电感L
r
、串联谐振电容C
s
和并联谐振电容C
p
，通过控制开关管Q1到Q4实现输出端电压电流的调节。5.根据权利要求4所述的蓄电池供电的脉冲电容充电电源，其特征在于：所述临界断续恒流控制由临界断续控制和平均输出电流闭环控制组成，当LCC谐振变换器工作在断续模式时能实现全范围ZCS软开关，提升电路的能量传递效率和可靠性，而变换器工作在临界断续模式时对应的电流输出能力是LCC谐振变换器在断续模式下的最大电流输出能力，因此，使电路处于临界断续模式时，能够提升能量转换效率和充电速度；临界断续控制是通过实时采集输出电压并计算临界断续频率作为开关管Q1到Q4的开关频率，使得LCC谐振变换器一直工作在临界断续模式；同时，为了提升充电线性度，使电容电压线性上升，又加了平均输出电流闭环控制，采用PI控制算法进行频率调节；临界断续恒流控制是将临界断续控制和平均输出电流闭环控制相结合，将计算出的临界断续开关频率作为PI频率调节的上限，提升了脉冲电容充电电源的充电速度和充电线性度。6.一种如权利要求1~5中任意一项所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李磊，孙磊，张善路，夏友烨，王臻，焦龙腾，汪诚，曾志勇，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：