CN104158411A - 一种对高压电容器充电限功率及充电保持控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对高压电容器充电限功率及充电保持控制方法，所述方法包括：(1)在电容器电压未达到设置电压V_set时，采用PFM控制方式，并逐级改变充电电流的大小，在满足大功率快速充电速率要求的前提下，减小对前级供电***的功率需求；(2)在电容器电压达到设置电压V_set时，切换到PWM控制方式，提供小功率充电保持，补偿电容器电压的泄漏。本发明方法在快速充电阶段，通过分阶段恒流充电满足了前级供电***功率限制的要求；在充电保持阶段，通过PWM硬开关方式，提供了窄脉冲充电电流，实现了高精度充电保持。

Description

一种对高压电容器充电限功率及充电保持控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，更具体地，涉及一种对高压电容器充电的限功率及充电保持控制方法。

背景技术

脉冲功率技术具有广泛的应用范围，已由最初的科研和军事领域扩展到教育、医疗、工业、民用等多个领域，而且随着各领域研究的深入，对脉冲功率设备的需求更大。脉冲功率领域最为常用的初级储能环节就是高压电容器储能，因此高压电容器充电电源是脉冲功率设备中的极其重要的组成部分。

有三种高压电容器充电技术目前比较成熟，即带限流电阻器的高压直流源充电，工频L-C谐振充电，高频变换器充电。前面两种充电技术由于效率低下、功率密度不高、充电精度差、无法工作在更新模式等诸多缺点而逐渐被采用高频变换器充电的技术所取代。

在高频变换器充电中，串联谐振变换器充电由于其拓扑结构相对简单，具有恒流、恒特征阻抗、恒谐振频率(即使负载电容在比较大的范围内变化)等优点而成为充电领域中最为常用的充电技术。当选择串联谐振变换器的工作模式为断续模式，即开关频率小于0.5倍的谐振频率时，变换器具有恒流源的输出特性。输出电流与开关频率成正比，开关管能够实现零电流关断，而且断续下变换器的相关参数也是非常容易设计的。虽然基本的串联谐振充电具有诸多的优点，但该充电方式仍然存在许多缺陷：

(1)对传统的恒流充电方式而言，其输入功率随着充电电压的升高而增加，不能适应前级供电***限制输出功率的要求。

(2)对整个脉冲功率***而言，充电完成到触发放电之间往往存在着一个时间间隔，由于储能电容器自身特性的影响，其存在着电压泄漏，在充电电压达到设定值之后，传统的恒流充电无法进行小功率的充电以补充电容器的漏电，因而无法保证在触发放电瞬间电容器的电压等于设置电压。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有串联谐振电容器充电技术中存在的缺陷，包括控制恒流充电时无法满足前级供电***的功率限制要求、无法进行小功率充电保持以补充电容器的漏电。为解决上述问题，本发明提供了一种同时具有满足前级限功率要求的大功率快速充电和微小功率充电保持功能的电容器充电方法。

按照本发明，为了满足前级限功率要求和实现微小功率充电保持，采用了脉冲频率调制(Pulse frequency modulation，PFM)软开关方式与脉冲宽度调制(Pulse width modulation，PWM)硬开关方式相结合的充电控制方案。具体的控制方法为：

(1)在电容器电压未达到设置电压V_set时，采用PFM制方式，并逐级改变充电电流的大小，在满足大功率快速充电速率要求的前提下，减小对前级供电***的功率需求；

(2)在电容器电压达到设置电压V_set时，切换到PWM控制方式，提供小功率充电保持，补偿电容器电压的泄漏。

本发明的一个实施例中，在上述步骤(1)中，由于充电电源的输出电流只与开关频率有关，而与充电电压无关，所以充电电源具有恒流输出特性，其输出功率和输入功率都随着充电电压的升高而增加。为限制输入功率，可将充电过程划分为多个阶段，采用分段恒流的方式，逐级减小充电电流，其中阶段的数量及各阶段的设定电流可根据充电时间的要求选取，且保证每个阶段末期的功率不超过最大限定功率。

具体地，所述充电时间满足其中，T_d为要求达到的充电时间，n为阶段数，C_o为负载电容的电容量，U_i为第i个充电阶段的最高电压，U₀＝0，U_n＝V_set，I_oi为第i个充电阶段的设定充电电流；各阶段末期的输入功率均满足其中P_max是应限制的最大输入功率，P_i为第i个充电阶段末期的输入功率，η_i为第i个充电阶段末期的充电效率。

本发明的一个实施例中，上述步骤(1)具体包括：

(11)在充电的第一阶段，即充电电压从0V上升到0.75V_set期间，通过调节开关频率，控制充电电流恒定为I_O1；

(12)在充电的第二阶段，即充电电压从0.75V_set上升到0.85V_set期间，通过调节开关频率，控制充电电流恒定为I_O2；

(13)在充电的第三阶段，即充电电压从0.85V_set上升到0.9V_set期间，通过调节开关频率，控制充电电流恒定为I_O3；

(14)在充电的第四阶段，即充电电压从0.9V_set上升到V_set期间，通过调节开关频率，控制充电电流恒定为I_O4；

上述充电电流的大小关系为：I_O1>I_O2>I_O3>I_O4。充电电流的具体数值和充电阶段的具体划分可以根据前级供电***的功率限制要求进行设计，实现分阶段恒流充电，随着充电电压的升高，控制相应充电阶段的恒定电流值不断下降。因此，可以满足前级限功率的要求。

本发明的一个实施例中，优选地，上述步骤(2)具体包括：在电容器电压达到设置电压时，切换到PWM控制方式，此时以电容器电压为控制对象，通过调整开关管驱动信号的脉宽使得串联谐振电路工作在单脉波输出模式，输出窄脉冲充电电流，从而补偿电容器的电压泄漏，实现高精度充电保持。

按照本发明所提供的充电控制方式，在快速充电阶段，通过分阶段恒流充电满足了前级供电***功率限制的要求；在充电保持阶段，通过PWM硬开关方式，提供了窄脉冲充电电流，实现了高精度充电保持。

附图说明

图1是本发明的串联谐振电容器充电电源结构原理图；

图2是本发明对高压电容器充电限功率及充电保持控制方法流程图；

图3是本发明的一个优选实施例中基于PFM方式限功率快速充电和PWM方式充电保持的充电控制方法具体流程图；

图4是本发明的PWM硬开关控制方式下的串联谐振变换器工作在单脉波输出模式下的工作波形；

图5是本发明的PWM硬开关控制方式下的串联谐振变换器工作在单脉波输出模式下的工作波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1所示为本发明的串联谐振电容器充电电源的结构原理图。主要包括三相全桥整流电路1，LC滤波电路2，全桥逆变器3，谐振槽4，高频高压变压器5，高压整流电路6，电压电流检测电路7，放电保护电路8，保护电路9，驱动电路10，控制电路11，控制面板12。三相输入电压经三相不控整流桥1的整流和LC滤波电路2滤波后变换为纹波很小的直流电压。滤波电路2与全桥逆变器3连接，滤波后的直流电压作为全桥逆变器3的输入。本发明中，逆变桥的开关频率小于谐振槽4的谐振频率的一半，充电电源工作在断续充电模式。

放电保护回路8是由两个保护电阻和一个保护二级管组成。电容器在放电过程中由于放电回路的阻尼设置或故障等原因可能在电容上产生反向电压，该反向电压流经整流硅堆6，易造成整流硅堆6和负载电容的损坏，采用保护电阻和二极管构成的T型回路限制反向电流的流经途径和电流大小，保护整流硅堆和电容器。电压电流检测电路7负责将由采样电阻和电阻分压得到充电电流、负载电容电压、母线电流、母线电压的值进行滤波、隔离、分压后送入控制电路11。控制电路11负责处理检测电路7的采样值，通过驱动电路10控制逆变桥3中开关器件的通断以及出现故障时通过驱动电路10和保护电路9对电源***进行软硬件保护。

如图2所示，本发明提供了一种对高压电容器充电限功率及充电保持控制方法，包括：

(1)快速充电阶段：在电容器电压未达到设置电压V_set时，采用PFM控制方式，并逐级改变充电电流的大小，在满足大功率快速充电速率要求的前提下，减小对前级供电***的功率需求；

在步骤(1)中，由于充电电源的输出电流只与开关频率有关，而与充电电压无关，所以充电电源具有恒流输出特性，其输出功率和输入功率都随着充电电压的升高而增加。为限制输入功率，可将充电过程划分为多个阶段，采用分段恒流的方式，逐级减小充电电流，其中阶段的数量及各阶段的设定电流可根据充电时间的要求选取，且保证每个阶段末期的功率不超过最大限定功率。

具体地，所述充电时间满足其中，T_d为要求达到的充电时间，n为阶段数，C_o为负载电容的电容量，U_i为第i个充电阶段的最高电压，U₀＝0，U_n＝V_set，I_oi为第i个充电阶段的设定充电电流；各阶段末期的输入功率均满足其中P_max是应限制的最大输入功率，P_i为第i个充电阶段末期的输入功率，η_i为第i个充电阶段末期的充电效率。

(2)充电保持阶段：在电容器电压达到设置电压V_set且等待触发放电时，切换到PWM控制方式，进行小功率充电保持，通过调节开关管驱动脉宽的大小，可以实现充电电源输出功率与电容器泄漏功率的平衡，补偿电容器电压的泄漏，这样在停止充电的时候，电容器电压始终等于设置电压V_set，进而提高整个脉冲功率***的触发放电精度。

在电容器电压达到设置电压时，切换到PWM控制方式，此时以电容器电压为控制对象，通过调整开关管驱动信号的脉宽使得串联谐振电路工作在单脉波输出模式，输出窄脉冲充电电流，从而补偿电容器的电压泄漏，实现高精度充电保持。

下面将以对30个1000μF电容器充电电压10kV为实施例，说明本发明的充电控制方式。本实施例中，电容器充电电源的充电速率应不小于16kJ/s，即对1.5MJ储能电容器充电的时间应在93.75s之内。为了在保证充电速率的前提下，降低电源的输入功率，本实施例将快速充电过程分为4个阶段，假设设置电压为V_set，图3为本实施例的控制流程图，具体的步骤包括：

(11)第一阶段：0V～0.75V_set，充电电流恒定为4A，此阶段充电时间为56.25s；

具体地，在步骤(1)中，控制恒流的方法为：图1所示的串联谐振电容器充电电源工作在电流断续导通模式下的充电电流为I_o＝8V_inC_rf_S，其中f_S是开关管的开关频率，C_r为谐振电容值，V_in为输入直流电压值。通过调节开关频率，即可控制充电电流的大小。后述的步骤中，控制恒流的方法均是采用PFM控制。

具体地，步骤(1)中充电时间的计算方法为：充电时间由充电电流I_O、充电电压U、充电电容C_O即可算得充电时间。

(12)第二阶段：0.75V_set～0.85V_set，充电电流恒定为3.5A，此阶段充电时间为8.57s；

(13)第三阶段：0.85V_set～0.9V_set，充电电流恒定为3A，此阶段充电时间为5s；

(14)第四阶段：0.9V_set～V_set，充电电流恒定为2.5A，此阶段充电时间为12s。

因此，可计算得总充电时间约为81.82s，折算成充电速率为18.33kJ/s，满足本实施例的技术指标要求。

(15)充电保持阶段：在充电电压达到设定值之后，进入充电保持阶段，通过PWM硬开关控制方式，控制串联谐振变换器工作在单脉波输出模式，输出窄脉冲充电电流，以提供微小功率补偿电容器电压泄漏，实现精确充电保持。

具体地，步骤(15)中所述的PWM方式下的单脉波输出模式为：在图1所示的串联谐振电容器充电电源中，若驱动脉充宽度满足如下条件：

$t_p<\frac{1}{\mathrm{\&omega;}}\arccos \left(\frac{{V_{\mathrm{in}}}^2-2V_{\mathrm{in}}{V}_o{V_o}^2}{2{V_{\mathrm{in}}}^2}\right)---\left(1\right)$

其中，t_p是驱动脉冲宽度，ω为串联谐振角频率且V_in是输入直流电压，V_o是充电电容的电压。则电路工作在单脉波输出模式，主电路工作波形如图4所示。

若驱动脉冲宽度满足如下条件：

$\frac{1}{\mathrm{\&omega;}}\arccos \left(\frac{{V_{\mathrm{in}}}^2-2V_{\mathrm{in}}{V}_o-{V_o}^2}{2{V_{\mathrm{in}}}^2}\right)<t_p<T---\left(2\right)$

其中，T为谐振周期且则电路工作在双脉波输出模式，主电路工作波形如图5所示。通过分析可知，单脉波输出模式下的特点是：

(A1)在开关频率和脉宽一定的情况，输出电压V_o越高，谐振电容的峰值电压就越小；

(A2)在开关频率和脉宽一定的情况，输出电压V_o越高，谐振电流的峰值就越小。

而对双脉波输出模式而言，它的特点正好相反：

(A1)在开关频率和脉宽一定的情况，输出电压V_o越高，谐振电容的峰值电压就越大；

(A2)在开关频率和脉宽一定的情况，输出电压V_o越高，谐振电流的峰值就越大。

由于本实施例的要求是在最高电压10kV时具有保持功能，又因为采用PWM控制方式时，电路工作在硬开关状态，因此，为保证***的安全，在实际电源的设计时，应选取较小的驱动脉宽，避免双脉冲输出模式的出现，避免由于大电流关断而损坏开关器件。

因此，当控制开关管驱动脉冲宽度满足公式(1)时，即可实现单脉波充电保持，提供小脉冲充电电流。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种对高压电容器充电限功率及充电保持控制方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)在电容器电压未达到设置电压V_set时，采用PFM控制方式，并逐级改变充电电流的大小，在满足大功率快速充电速率要求的前提下，减小对前级供电***的功率需求；

(2)在电容器电压达到设置电压V_set时，切换到PWM控制方式，提供小功率充电保持，补偿电容器电压的泄漏。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：

在电容器电压未达到设置电压V_set时，将充电过程划分为多个阶段，采用分段恒流的方式，逐级减小充电电流，其中阶段的数量及各阶段的设定电流可根据充电时间的要求选取，且保证每个阶段末期的功率不超过最大限定功率。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述充电时间需满足其中，T_d为要求达到的充电时间，n为阶段数，C_o为负载电容的电容量，U_i为第i个充电阶段的最高电压，U₀＝0，U_n＝V_set，I_oi为第i个充电阶段的设定充电电流；各阶段末期的输入功率均满足其中P_max是应限制的最大输入功率，P_i为第i个充电阶段末期的输入功率，η_i为第i个充电阶段末期的充电效率。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：

(11)在充电的第一阶段，即充电电压从0V上升到0.75V_set期间，通过调节开关频率，控制充电电流恒定为I_O1；

(12)在充电的第二阶段，即充电电压从0.75V_set上升到0.85V_set期间，通过调节开关频率，控制充电电流恒定为I_O2；

(13)在充电的第三阶段，即充电电压从0.85V_set上升到0.9V_set期间，通过调节开关频率，控制充电电流恒定为I_O3；

(14)在充电的第四阶段，即充电电压从0.9V_set上升到V_set期间，通过调节开关频率，控制充电电流恒定为I_O4；

上述充电电流的大小关系为：I_O1>I_O2>I_O3>I_O4。

5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：在电容器电压达到设置电压时，切换到PWM控制方式，此时以电容器电压为控制对象，通过调整开关管驱动信号的脉宽使得串联谐振电路工作在单脉波输出模式，输出窄脉冲充电电流，从而补偿电容器的电压泄漏，实现高精度充电保持。