CN106059376A - 一种适用于高重复频率脉冲负载的供电*** - Google Patents

一种适用于高重复频率脉冲负载的供电*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于高重复频率脉冲负载的供电***。使用本发明能够为负载提供高功率密度、高重复频率的脉冲功率输出。本发明包括多相交错并联全桥DC/DC变换器、超级电容、输出电感Lo、放电开关、DC/DC变换器控制电路和放电开关控制电路。采用多相交错并联全桥DC/DC变换器实现了输入电源与负载之间的隔离，并将不稳定的输入电源电压转化为稳定的输出电压向负载供电，并利用DC/DC变换器控制电路控制多相交错并联全桥DC/DC变换器以平均功率输出。利用超级电容功率密度大的特点，将其作为储能单元，用于对脉冲负载供电，并采用放电开关及其控制电路实现高重复频率的脉冲功率输出。

Description

一种适用于高重复频率脉冲负载的供电***
技术领域
本发明涉及电气工程技术领域，具体涉及一种适用于高重复频率脉冲负载的供电***。
背景技术
脉冲功率技术是把相对长时间内存储的具有较高密度的能量，以单次脉冲或重复频率的短脉冲方式释放到负载上的物理技术，在核***模拟、受控核聚变试验、强流粒子束加速器、脉冲激光器、高功率微波、定向高能武器、电磁发射、电磁推进等国防军工领域以及脱硫脱硝、工业辐射加工、材料表面处理、食物消毒、保鲜、医药生物等民用领域得到了广泛应用。为了减小***体积和重量，实现高功率密度(峰值功率≥500W/kg)、高重复频率(频率≥2kHz)脉冲功率电源***至关重要。
当前的脉冲功率电源***主要由脉冲发电机或大功率电感或电容阵通过机械开关或晶闸管等半控型器件来实现，输出电压较高，体积庞大，难以同时满足脉冲功率电源***对高功率密度和高重复频率的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种适用于高重复频率脉冲负载的供电***，能够为负载提供高功率密度、高重复频率的脉冲功率输出。
本发明的适用于高重复频率脉冲负载的供电***，包括多相交错并联全桥DC/DC变换器、电流互感器、电压互感器、超级电容、输出电感Lo、放电开关、DC/DC变换器控制电路和放电开关控制电路；
其中，多相交错并联全桥DC/DC变换器由N个全桥DC/DC变换器输入和输出并联组成，N个全桥DC/DC变换器的PWM控制时序互差360°/N，N≥2；多相交错并联全桥DC/DC变换器的输入端接输入电源，输出正端依次通过电流互感器和输出电感LO接超级电容的正端；
超级电容与负载并联，放电开关串联在超级电容的正端与负载之间；电压互感器并联在超级电容的两端；
DC/DC变换器控制电路以设定的参考电压Vref、电压互感器采集的超级电容输出电压和电流互感器采集的DC/DC变换器的输出电流为输入，对多相交错并联全桥DC/DC变换器进行控制，使得多相交错并联全桥DC/DC变换器以平均功率输出；
放电开关控制电路用于控制放电开关的开通与关断，获得高重复频率的脉冲功率输出。
较优的，所述超级电容由多个超级电容单体经串联和并联构成。
较优的，所述放电开关由多个IGBT或功率MOSFET并联构成。
较优的，所述DC/DC变换器控制电路包括低通滤波器、PI控制器I、PI控制器II、PWM发生器和MOS驱动；其中，PI控制器I以参考电压Vref和电压互感器采集的超级电容输出电压为输入，通过PI控制，获得内环电流环参考电压；低通滤波器对电流互感器采集的DC/DC变压器的输出电流进行低通滤波；PI控制器II以低通滤波器输出结果和PI控制器I输出的内环电流环参考电压为输入，通过PI控制，获得PWM输入控制电压；PWM发生器以PI控制器II输出的PWM输入控制电压为输入，生成占空比可调的PWM控制信号；MOS驱动依据PWM控制信号对多相交错并联全桥DC/DC变换器的功率MOSFET进行控制，使得多相交错并联全桥DC/DC变换器以平均功率输出。
较优的，所述放电开关控制电路由方波信号发生器和放电开关驱动构成；其中，放电开关驱动单元将方波信号发生器产生的方波信号转化为高频率的脉冲信号，并利用该高频率脉冲信号实现对放电开关的高重复频率控制。
有益效果：
本发明利用超级电容功率密度大的特点，将其作为储能单元，用于对脉冲负载供电；利用工作于平均电流工作模式的多相交错并联全桥DC/DC变换器对脉冲负载提供平均功率；利用多个并联的IGBT或MOSFET作为放电开关用于提供脉冲功率输出，进而实现了同时满足脉冲功率电源***对高功率密度和高重复频率的要求。
附图说明
图1为本发明供电***电路图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种适用于高重复频率脉冲负载的供电***，如图1所示，由两相交错并联全桥DC/DC变换器、电流互感器、电压互感器、超级电容模组、并联放电开关以及控制电路组成。其中，两相交错并联全桥DC/DC变换器由两个全桥DC/DC变换器输入和输出并联组成，两个全桥DC/DC变换器的PWM控制时序互差180°。其中，一个全桥DC/DC变换器由变压器T1、功率MOSFET(S1、S2、S5和S6)和二极管(D1、D2、D5和D6)组成，输入电源与功率MOSFET(S1、S2、S5和S6)组成的全桥电路相连，全桥电路两个半桥中点与变压器T1输入端相连，变压器T1输出端与二极管(D1、D2、D5和D6)组成的全桥整流电路中的两个半桥中点相连。另一个全桥DC/DC变换器由变压器T2、功率MOSFET(S3、S4、S7和S8)和二极管(D3、D4、D7和D8)组成，输入电源与功率MOSFET(S3、S4、S7和S8)组成的全桥电路相连，全桥电路两个半桥中点与变压器T2输入端相连，变压器T2输出端与二极管(D3、D4、D7和D8)组成的全桥整流电路中的两个半桥相连。两个全桥整流电路输出并联后通过电流互感器和输出电感LO与脉冲功率母线的正端相连。输出电感LO用于对输出电流进行滤波，电流互感器用于对输出电流进行检测。通过两相交错并联全桥DC/DC变换器实现了输入电源与负载之间的隔离，并将不稳定的输入电源电压转化为稳定的输出电压向负载供电。多相交错并联的形式可以降低输入、输出电流纹波和输出电压纹波，减小输出电感Lo的体积，从而有助于提高功率密度。
其中，还可以采用N相交错并联全桥DC/DC变换器，N>2，N个全桥DC/DC变换器的PWM控制时序互差360°/N；例如三相交错并联，将S1-S8扩展成S1-S12结构，输出D1-D8扩展成D1-D12，变压器T3输入连接S9-S12组成的全桥结构，变压器T3输出连接D9-D12组成的全桥结构，依次类推。
超级电容的正端与脉冲功率母线的正端相连，为负载提供脉冲功率所需的能源；超级电容可由多个超级电容单体经串联和并联构成超级电容模组，提高电容储能。
并联放电开关串联在超级电容模组的正极输出端(即脉冲功率母线正端)与负载之间，通过控制并联放电开关的开通与关断状态，将稳定的脉冲功率母线电压转化为高频次的脉冲电压。并联放电开关可由N个IGBT或功率MOSFET并联构成，提高脉冲功率输入能力。
电流互感器串联在DC/DC变换器的正极输出端，采集DC/DC变换器的输出电流；电压互感器并联在超级电容的两端，采集超级电容的输出电压。
控制电路包括DC/DC变换器控制电路和放电开关控制电路。
DC/DC变换器控制电路主要由低通滤波器、PI控制器I、PI控制器II、PWM发生器、MOS驱动构成。其中，PI控制器I以脉冲功率母线电压参考电压Vref和电压互感器采集的超级电容输出电压为输入，通过PI控制，获得内环电流环参考电压；PI控制器II以电流互感器采集的DC/DC变压器的输出电流的低通滤波结果和PI控制器I输出的内环电流环参考电压为输入，通过PI控制，获得PWM输入控制电压；PWM发生器以PI控制器II输出的PWM输入控制电压为输入，通过比较器与高频三角波进行比较，获得占空比可调的PWM控制信号；MOS驱动依据PWM控制信号对DC/DC变压器的功率MOSFET(S1-S8)进行控制，进而实现两相交错并联全桥DC/DC变换器的输出以平均功率对脉冲功率母线的超级电容模组充电。以平均功率输出较以最大功率输出而言，能够降低对一次母线的功率需求，并且能够降低供电***的输入电流纹波。
放电开关电路主要由方波信号发生器和放电开关驱动构成。放电开关驱动单元将方波信号发生器产生的方波信号转化为高频率的脉冲信号，并且采用该脉冲信号实现对放电开关的高重复频率控制，从而实现高重复频率的脉冲功率输出。
通过本发明所提出的方案，实现了高功率密度的高重复频率脉冲功率电源。前级两相交错并联全桥DC/DC变换器由于工作于平均电流工作模式而向负载提供平均功率输出，超级电容模组直接向负载提供脉冲功率，充分利用了超级电容高功率密度的优点，从而减少了一次母线的纹波电流，进而减小了脉冲功率电源***对其他设备的干扰。放电开关采用N个IGBT或功率MOSFET构成，易于实现高脉冲电流输出。
本发明提出的脉冲功率电源结构峰值功率密度可达500W/kg，远高于当前的200W/kg；并且由于放电开关采用IGBT或MOSFET等全控型功率半导体器件，其重复频率可达到kHz以上，远高于其他技术方案的几百Hz。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适用于高重复频率脉冲负载的供电***，其特征在于，包括多相交错并联全桥DC/DC变换器、电流互感器、电压互感器、超级电容、输出电感Lo、放电开关、DC/DC变换器控制电路和放电开关控制电路；
其中，多相交错并联全桥DC/DC变换器由N个全桥DC/DC变换器输入和输出并联组成，N个全桥DC/DC变换器的PWM控制时序互差360°/N，N≥2；多相交错并联全桥DC/DC变换器的输入端接输入电源，输出正端依次通过电流互感器和输出电感LO接超级电容的正端；
超级电容与负载并联，放电开关串联在超级电容的正端与负载之间；电压互感器并联在超级电容的两端；
DC/DC变换器控制电路以设定的参考电压Vref、电压互感器采集的超级电容输出电压和电流互感器采集的DC/DC变换器的输出电流为输入，对多相交错并联全桥DC/DC变换器进行控制，使得多相交错并联全桥DC/DC变换器以平均功率输出；
放电开关控制电路用于控制放电开关的开通与关断，获得高重复频率的脉冲功率输出。
2.如权利要求1所述的适用于高重复频率脉冲负载的供电***，其特征在于，所述超级电容由多个超级电容单体经串联和并联构成。
3.如权利要求1所述的适用于高重复频率脉冲负载的供电***，其特征在于，所述放电开关由多个IGBT或功率MOSFET并联构成。
4.如权利要求1所述的适用于高重复频率脉冲负载的供电***，其特征在于，所述DC/DC变换器控制电路包括低通滤波器、PI控制器I、PI控制器II、PWM发生器和MOS驱动；其中，PI控制器I以参考电压Vref和电压互感器采集的超级电容输出电压为输入，通过PI控制，获得内环电流环参考电压；低通滤波器对电流互感器采集的DC/DC变换器的输出电流进行低通滤波；PI控制器II以低通滤波器输出结果和PI控制器I输出的内环电流环参考电压为输入，通过PI控制，获得PWM输入控制电压；PWM发生器以PI控制器II输出的PWM输入控制电压为输入，生成占空比可调的PWM控制信号；MOS驱动依据PWM控制信号对多相交错并联全桥DC/DC变换器的功率MOSFET进行控制，使得多相交错并联全桥DC/DC变换器以平均功率输出。
5.如权利要求1所述的适用于高重复频率脉冲负载的供电***，其特征在于，所述放电开关控制电路由方波信号发生器和放电开关驱动构成；其中，放电开关驱动单元将方波信号发生器产生的方波信号转化为高频率的脉冲信号，并利用该高频率脉冲信号实现对放电开关的高重复频率控制。
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