一種適用于高重復(fù)頻率脈沖負(fù)載的供電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于高重復(fù)頻率脈沖負(fù)載的供電系統(tǒng)。使用本發(fā)明能夠?yàn)樨?fù)載提供高功率密度、高重復(fù)頻率的脈沖功率輸出。本發(fā)明包括多相交錯(cuò)并聯(lián)全橋DC/DC變換器、超級(jí)電容、輸出電感Lo、放電開關(guān)、DC/DC變換器控制電路和放電開關(guān)控制電路。采用多相交錯(cuò)并聯(lián)全橋DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)了輸入電源與負(fù)載之間的隔離，并將不穩(wěn)定的輸入電源電壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的輸出電壓向負(fù)載供電，并利用DC/DC變換器控制電路控制多相交錯(cuò)并聯(lián)全橋DC/DC變換器以平均功率輸出。利用超級(jí)電容功率密度大的特點(diǎn)，將其作為儲(chǔ)能單元，用于對(duì)脈沖負(fù)載供電，并采用放電開關(guān)及其控制電路實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率的脈沖功率輸出。
【專利說明】
一種適用于高重復(fù)頻率脈沖負(fù)載的供電系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電氣工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于高重復(fù)頻率脈沖負(fù)載的供電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]脈沖功率技術(shù)是把相對(duì)長時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)的具有較高密度的能量，以單次脈沖或重復(fù)頻率的短脈沖方式釋放到負(fù)載上的物理技術(shù)，在核爆炸模擬、受控核聚變?cè)囼?yàn)、強(qiáng)流粒子束加速器、脈沖激光器、高功率微波、定向高能武器、電磁發(fā)射、電磁推進(jìn)等國防軍工領(lǐng)域以及脫硫脫硝、工業(yè)輻射加工、材料表面處理、食物消毒、保鮮、醫(yī)藥生物等民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為了減小系統(tǒng)體積和重量，實(shí)現(xiàn)高功率密度(峰值功率多500W/kg)、高重復(fù)頻率(頻率彡2kHz)脈沖功率電源系統(tǒng)至關(guān)重要。
[0003 ]當(dāng)前的脈沖功率電源系統(tǒng)主要由脈沖發(fā)電機(jī)或大功率電感或電容陣通過機(jī)械開關(guān)或晶閘管等半控型器件來實(shí)現(xiàn)，輸出電壓較高，體積龐大，難以同時(shí)滿足脈沖功率電源系統(tǒng)對(duì)高功率密度和高重復(fù)頻率的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種適用于高重復(fù)頻率脈沖負(fù)載的供電系統(tǒng)，能夠?yàn)樨?fù)載提供高功率密度、高重復(fù)頻率的脈沖功率輸出。
[0005]本發(fā)明的適用于高重復(fù)頻率脈沖負(fù)載的供電系統(tǒng)，包括多相交錯(cuò)并聯(lián)全橋DC/DC變換器、電流互感器、電壓互感器、超級(jí)電容、輸出電感Lo、放電開關(guān)、DC/DC變換器控制電路和放電開關(guān)控制電路；
[0006]其中，多相交錯(cuò)并聯(lián)全橋DC/DC變換器由N個(gè)全橋DC/DC變換器輸入和輸出并聯(lián)組成，N個(gè)全橋DC/DC變換器的PffM控制時(shí)序互差360°/N，N彡2;多相交錯(cuò)并聯(lián)全橋DC/DC變換器的輸入端接輸入電源，輸出正端依次通過電流互感器和輸出電感Lo接超級(jí)電容的正端；
[0007]超級(jí)電容與負(fù)載并聯(lián)，放電開關(guān)串聯(lián)在超級(jí)電容的正端與負(fù)載之間；電壓互感器并聯(lián)在超級(jí)電容的兩端；
[0008]DC/DC變換器控制電路以設(shè)定的參考電壓Vref、電壓互感器采集的超級(jí)電容輸出電壓和電流互感器采集的DC/DC變換器的輸出電流為輸入，對(duì)多相交錯(cuò)并聯(lián)全橋DC/DC變換器進(jìn)行控制，使得多相交錯(cuò)并聯(lián)全橋DC/DC變換器以平均功率輸出；
[0009]放電開關(guān)控制電路用于控制放電開關(guān)的開通與關(guān)斷，獲得高重復(fù)頻率的脈沖功率輸出。
[0010]較優(yōu)的，所述超級(jí)電容由多個(gè)超級(jí)電容單體經(jīng)串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)成。
[0011 ]較優(yōu)的，所述放電開關(guān)由多個(gè)IGBT或功率MOSFET并聯(lián)構(gòu)成。
[0012]較優(yōu)的，所述DC/DC變換器控制電路包括低通濾波器、PI控制器1、？1控制器11、卩麗發(fā)生器和MOS驅(qū)動(dòng);其中，PI控制器I以參考電壓Vref和電壓互感器采集的超級(jí)電容輸出電壓為輸入，通過PI控制，獲得內(nèi)環(huán)電流環(huán)參考電壓;低通濾波器對(duì)電流互感器采集的DC/DC變壓器的輸出電流進(jìn)行低通濾波;PI控制器II以低通濾波器輸出結(jié)果和PI控制器I輸出的內(nèi)環(huán)電流環(huán)參考電壓為輸入，通過PI控制，獲得PffM輸入控制電壓;PffM發(fā)生器以PI控制器II輸出的HVM輸入控制電壓為輸入，生成占空比可調(diào)的Pmi控制信號(hào);MOS驅(qū)動(dòng)依據(jù)HVM控制信號(hào)對(duì)多相交錯(cuò)并聯(lián)全橋DC/DC變換器的功率MOSFET進(jìn)行控制，使得多相交錯(cuò)并聯(lián)全橋DC/DC變換器以平均功率輸出。
[0013]較優(yōu)的，所述放電開關(guān)控制電路由方波信號(hào)發(fā)生器和放電開關(guān)驅(qū)動(dòng)構(gòu)成;其中，放電開關(guān)驅(qū)動(dòng)單元將方波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的方波信號(hào)轉(zhuǎn)化為高頻率的脈沖信號(hào)，并利用該高頻率脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)放電開關(guān)的高重復(fù)頻率控制。
[0014]有益效果:
[0015]本發(fā)明利用超級(jí)電容功率密度大的特點(diǎn)，將其作為儲(chǔ)能單元，用于對(duì)脈沖負(fù)載供電；利用工作于平均電流工作模式的多相交錯(cuò)并聯(lián)全橋DC/DC變換器對(duì)脈沖負(fù)載提供平均功率;利用多個(gè)并聯(lián)的IGBT或MOSFET作為放電開關(guān)用于提供脈沖功率輸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了同時(shí)滿足脈沖功率電源系統(tǒng)對(duì)高功率密度和高重復(fù)頻率的要求。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明供電系統(tǒng)電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0018]本發(fā)明提供了一種適用于高重復(fù)頻率脈沖負(fù)載的供電系統(tǒng)，如圖1所示，由兩相交錯(cuò)并聯(lián)全橋DC/DC變換器、電流互感器、電壓互感器、超級(jí)電容模組、并聯(lián)放電開關(guān)以及控制電路組成。其中，兩相交錯(cuò)并聯(lián)全橋DC/DC變換器由兩個(gè)全橋DC/DC變換器輸入和輸出并聯(lián)組成，兩個(gè)全橋DC/DC變換器的PWM控制時(shí)序互差180°。其中，一個(gè)全橋DC/DC變換器由變壓器!^、功率M0SFET(S1、S2、S5和S6)和二極管(D1、D2、D5和D6)組成，輸入電源與功率MOSFET(S1、S2、S5和S6)組成的全橋電路相連，全橋電路兩個(gè)半橋中點(diǎn)與變壓器Tl輸入端相連，變壓器Tl輸出端與二極管(D1、D2、D5和D6)組成的全橋整流電路中的兩個(gè)半橋中點(diǎn)相連。另一個(gè)全橋DC/DC變換器由變壓器T2、功率M0SFET(S3、S4、S7和S8)和二極管(D3、D4、D7和D8)組成，輸入電源與功率MOSFET (S3、S4、S7和S8)組成的全橋電路相連，全橋電路兩個(gè)半橋中點(diǎn)與變壓器T2輸入端相連，變壓器T2輸出端與二極管(D3、D4、D7和D8)組成的全橋整流電路中的兩個(gè)半橋相連。兩個(gè)全橋整流電路輸出并聯(lián)后通過電流互感器和輸出電感Lo與脈沖功率母線的正端相連。輸出電感Lo用于對(duì)輸出電流進(jìn)行濾波，電流互感器用于對(duì)輸出電流進(jìn)行檢測(cè)。通過兩相交錯(cuò)并聯(lián)全橋DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)了輸入電源與負(fù)載之間的隔離，并將不穩(wěn)定的輸入電源電壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的輸出電壓向負(fù)載供電。多相交錯(cuò)并聯(lián)的形式可以降低輸入、輸出電流紋波和輸出電壓紋波，減小輸出電感Lo的體積，從而有助于提高功率密度。
[0019]其中，還可以采用N相交錯(cuò)并聯(lián)全橋DC/DC變換器，N>2，N個(gè)全橋DC/DC變換器的PWM控制時(shí)序互差360°/N;例如三相交錯(cuò)并聯(lián)，將S1-S8擴(kuò)展成S1-S12結(jié)構(gòu)，輸出D1-D8擴(kuò)展成D1-D12，變壓器T3輸入連接S9-S12組成的全橋結(jié)構(gòu)，變壓器T3輸出連接D9-D12組成的全橋結(jié)構(gòu)，依次類推。
[0020]超級(jí)電容的正端與脈沖功率母線的正端相連，為負(fù)載提供脈沖功率所需的能源；超級(jí)電容可由多個(gè)超級(jí)電容單體經(jīng)串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)成超級(jí)電容模組，提高電容儲(chǔ)能。
[0021]并聯(lián)放電開關(guān)串聯(lián)在超級(jí)電容模組的正極輸出端(即脈沖功率母線正端)與負(fù)載之間，通過控制并聯(lián)放電開關(guān)的開通與關(guān)斷狀態(tài)，將穩(wěn)定的脈沖功率母線電壓轉(zhuǎn)化為高頻次的脈沖電壓。并聯(lián)放電開關(guān)可由N個(gè)IGBT或功率MOSFET并聯(lián)構(gòu)成，提高脈沖功率輸入能力。
[0022]電流互感器串聯(lián)在DC/DC變換器的正極輸出端，采集DC/DC變換器的輸出電流；電壓互感器并聯(lián)在超級(jí)電容的兩端，采集超級(jí)電容的輸出電壓。
[0023 ] 控制電路包括DC/DC變換器控制電路和放電開關(guān)控制電路。
[0024]DC/DC變換器控制電路主要由低通濾波器、PI控制器1、PI控制器I1、P麗發(fā)生器、MOS驅(qū)動(dòng)構(gòu)成。其中，PI控制器I以脈沖功率母線電壓參考電壓Vref和電壓互感器采集的超級(jí)電容輸出電壓為輸入，通過PI控制，獲得內(nèi)環(huán)電流環(huán)參考電壓;PI控制器II以電流互感器采集的DC/DC變壓器的輸出電流的低通濾波結(jié)果和PI控制器I輸出的內(nèi)環(huán)電流環(huán)參考電壓為輸入，通過PI控制，獲得nvM輸入控制電壓;Pmi發(fā)生器以PI控制器II輸出的Pmi輸入控制電壓為輸入，通過比較器與高頻三角波進(jìn)行比較，獲得占空比可調(diào)的PWM控制信號(hào);MOS驅(qū)動(dòng)依據(jù)PffM控制信號(hào)對(duì)DC/DC變壓器的功率MOSFET(S1-S8)進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩相交錯(cuò)并聯(lián)全橋DC/DC變換器的輸出以平均功率對(duì)脈沖功率母線的超級(jí)電容模組充電。以平均功率輸出較以最大功率輸出而言，能夠降低對(duì)一次母線的功率需求，并且能夠降低供電系統(tǒng)的輸入電流紋波。
[0025]放電開關(guān)電路主要由方波信號(hào)發(fā)生器和放電開關(guān)驅(qū)動(dòng)構(gòu)成。放電開關(guān)驅(qū)動(dòng)單元將方波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的方波信號(hào)轉(zhuǎn)化為高頻率的脈沖信號(hào)，并且采用該脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)放電開關(guān)的高重復(fù)頻率控制，從而實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率的脈沖功率輸出。
[0026]通過本發(fā)明所提出的方案，實(shí)現(xiàn)了高功率密度的高重復(fù)頻率脈沖功率電源。前級(jí)兩相交錯(cuò)并聯(lián)全橋DC/DC變換器由于工作于平均電流工作模式而向負(fù)載提供平均功率輸出，超級(jí)電容模組直接向負(fù)載提供脈沖功率，充分利用了超級(jí)電容高功率密度的優(yōu)點(diǎn)，從而減少了一次母線的紋波電流，進(jìn)而減小了脈沖功率電源系統(tǒng)對(duì)其他設(shè)備的干擾。放電開關(guān)采用N個(gè)IGBT或功率MOSFET構(gòu)成，易于實(shí)現(xiàn)高脈沖電流輸出。
[0027]本發(fā)明提出的脈沖功率電源結(jié)構(gòu)峰值功率密度可達(dá)500W/kg，遠(yuǎn)高于當(dāng)前的200W/kg;并且由于放電開關(guān)采用IGBT或MOSFET等全控型功率半導(dǎo)體器件，其重復(fù)頻率可達(dá)到kHz以上，遠(yuǎn)高于其他技術(shù)方案的幾百Hz。
[0028]綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種適用于高重復(fù)頻率脈沖負(fù)載的供電系統(tǒng)，其特征在于，包括多相交錯(cuò)并聯(lián)全橋DC/DC變換器、電流互感器、電壓互感器、超級(jí)電容、輸出電感Lo、放電開關(guān)、DC/DC變換器控制電路和放電開關(guān)控制電路； 其中，多相交錯(cuò)并聯(lián)全橋DC/DC變換器由N個(gè)全橋DC/DC變換器輸入和輸出并聯(lián)組成，N個(gè)全橋DC/DC變換器的PffM控制時(shí)序互差360°作4彡2;多相交錯(cuò)并聯(lián)全橋0(:/1)(:變換器的輸入端接輸入電源，輸出正端依次通過電流互感器和輸出電感Lo接超級(jí)電容的正端； 超級(jí)電容與負(fù)載并聯(lián)，放電開關(guān)串聯(lián)在超級(jí)電容的正端與負(fù)載之間；電壓互感器并聯(lián)在超級(jí)電容的兩端； DC/DC變換器控制電路以設(shè)定的參考電壓Vref、電壓互感器采集的超級(jí)電容輸出電壓和電流互感器采集的DC/DC變換器的輸出電流為輸入，對(duì)多相交錯(cuò)并聯(lián)全橋DC/DC變換器進(jìn)行控制，使得多相交錯(cuò)并聯(lián)全橋DC/DC變換器以平均功率輸出； 放電開關(guān)控制電路用于控制放電開關(guān)的開通與關(guān)斷，獲得高重復(fù)頻率的脈沖功率輸出。2.如權(quán)利要求1所述的適用于高重復(fù)頻率脈沖負(fù)載的供電系統(tǒng)，其特征在于，所述超級(jí)電容由多個(gè)超級(jí)電容單體經(jīng)串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)成。3.如權(quán)利要求1所述的適用于高重復(fù)頻率脈沖負(fù)載的供電系統(tǒng)，其特征在于，所述放電開關(guān)由多個(gè)IGBT或功率MOSFET并聯(lián)構(gòu)成。4.如權(quán)利要求1所述的適用于高重復(fù)頻率脈沖負(fù)載的供電系統(tǒng)，其特征在于，所述DC/DC變換器控制電路包括低通濾波器、PI控制器1、PI控制器I1、P麗發(fā)生器和MOS驅(qū)動(dòng)；其中，PI控制器I以參考電壓Vref和電壓互感器采集的超級(jí)電容輸出電壓為輸入，通過PI控制，獲得內(nèi)環(huán)電流環(huán)參考電壓;低通濾波器對(duì)電流互感器采集的DC/DC變換器的輸出電流進(jìn)行低通濾波;PI控制器II以低通濾波器輸出結(jié)果和PI控制器I輸出的內(nèi)環(huán)電流環(huán)參考電壓為輸入，通過PI控制，獲得HVM輸入控制電壓;Pmi發(fā)生器以PI控制器II輸出的HVM輸入控制電壓為輸入，生成占空比可調(diào)的PffM控制信號(hào);MOS驅(qū)動(dòng)依據(jù)HVM控制信號(hào)對(duì)多相交錯(cuò)并聯(lián)全橋DC/DC變換器的功率MOSFET進(jìn)行控制，使得多相交錯(cuò)并聯(lián)全橋DC/DC變換器以平均功率輸出。5.如權(quán)利要求1所述的適用于高重復(fù)頻率脈沖負(fù)載的供電系統(tǒng)，其特征在于，所述放電開關(guān)控制電路由方波信號(hào)發(fā)生器和放電開關(guān)驅(qū)動(dòng)構(gòu)成;其中，放電開關(guān)驅(qū)動(dòng)單元將方波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的方波信號(hào)轉(zhuǎn)化為高頻率的脈沖信號(hào)，并利用該高頻率脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)放電開關(guān)的高重復(fù)頻率控制。
【文檔編號(hào)】H02J7/34GK106059376SQ201610397715
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月3日
【發(fā)明人】張龍龍, 崔戰(zhàn)國, 王磊, 王本東, 趙建偉, 李文曉, 張振宇
【申請(qǐng)人】山東航天電子技術(shù)研究所