CN107911039A - 一种混合型动态电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合型动态电源，该电源包括工频整流电路、PFC电路、随动电压源电路、电流输出电路、第一控制器和第二控制器，通过工频整流电路将输入交流电压整流成100Hz直流电压，PFC电路提高了电源功率因数，随动电压源电路为电流输出电路实时提供足够但又不会比需要高太多的电压，保证电流输出电路输出电流即负载电流的各项指标。本发明通过闭环调节能实现高速动态电流输出，输出电流能以极小误差快速跟踪给定信号波形，响应快速，能适用于粒子加速器的要求。

Description

一种混合型动态电源

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种混合型动态电源。

背景技术

近年来我国粒子加速器发展迅速，这类加速器需要大量的电源，其中一部分电源工作于脉冲运行模式，其输出电流需要跟踪中央控制室发出的给定信号，给定信号波形可以是不规则形状，输出电流须以极小的误差快速跟踪给定信号波形，需要电源具有快速的响应特性，电源处于动态工作状态。脉冲电源是现有电源的一小类，应用场合特殊却无可替代，现有常规电源方案不能用于脉冲运行模式。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的技术问题，提供一种输出电流能以极小误差快速跟踪给定信号波形，实现高速动态电流输出的混合型动态电源。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种混合型动态电源，包括工频整流电路、PFC电路、随动电压源电路、电流输出电路、第一控制器和第二控制器，所述工频整流电路与交流电源输入电路连接，所述工频整流电路的输出端与PFC电路连接，所述PFC电路分别与第一控制器和随动电压源电路连接，所述随动电压源电路与电流输出电路连接且随动电压源电路和电流输出电路均与第二控制器连接，所述电流输出电路的输出端作为电源输出的两极连接有负载。

进一步地，所述工频整流电路为整流桥。

进一步地，所述PFC电路包括第一电感、第一二极管、第一IGBT、第一电压传感器和第一电流传感器，所述第一电感的一端与整流桥的正极连接，所述第一电感的另一端分别与第一二极管的阳极和第一IGBT的C极连接，所述第一IGBT的E极与整流桥的负极连接，所述第一IGBT的门极与第一控制器的PWM输出端连接，所述第一二极管的阴极分别与第一电压传感器的一端和第一电流传感器的一端连接，所述第一电压传感器的另一端与第一IGBT的E极连接，所述第一电压传感器和第一电流传感器的输出端与第一控制器连接。

进一步地，所述随动电压源电路包括第二电感、第一电容、H桥电路、高频变压器、全波整流桥、第三电感、第二电容和第二电压传感器，所述第二电感的一端与第一电流传感器的另一端连接，所述第二电感的另一端分别与第一电容的一端和H桥电路的一端连接，所述第一电容的另一端和H桥电路的另一端连接后与第一IGBT的E极连接，所述H桥电路的输出端与高频变压器的原边连接，所述高频变压器的副边与全波整流桥的输入端连接，所述全波整流桥输出端的一端与第三电感的一端连接，所述第三电感的另一端分别与第二电压传感器和第二电容的一端连接，所述第二电压传感器和第二电容的另一端与全波整流桥输出端的另一端连接，所述第二电压传感器的输出端与第二控制器连接，第二控制器的PWM0输出端与H桥电路连接。

进一步地，所述电流输出电路包括双buck电路、第四电感和第二电流传感器，所述双buck电路的输入端与第二电容的两端连接，所述双buck电路输出端的一端与第四电感的一端连接，所述第四电感的另一端与第二电流传感器的一端连接，所述第二电流传感器的另一端作为电源输出的一极连接负载，所述双buck电路输出端的另一端作为电源输出的另一极连接负载，所述第二电流传感器的输出端与第二控制器连接，所述第二控制器的PWM输出端与双buck电路连接。

进一步地，所述H桥电路包括第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT和第五IGBT，所述第二IGBT的E极与第四IGBT的C极连接，所述第四IGBT的E极和第五IGBT的E极连接后与第一电容的另一端连接，所述第五IGBT的C极与第三IGBT的E极连接，所述第三IGBT的C极和第二IGBT的C极连接后与第一电容的一端连接，所述第二IGBT的E极和第五IGBT的C极与高频变压器的原边连接，所述第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第五IGBT的门极分别与第二控制器的PWM11端、PWM12端、PWM13端、PWM14端连接。

进一步地，所述全波整流桥包括第二二极管、第三二极管、第四二极管和第五二极管，所述第二二极管的阳极与第四二极管的阴极连接，所述第四二极管的阳极和第五二极管的阳极连接后与第二电容的另一端连接，所述第五二极管的阴极与第三二极管的阳极连接，所述第三二极管的阴极和第二二极管的阴极连接后与第三电感的一端连接，所述第五二极管的阴极和第二二极管的阳极与高频变压器的副边连接。

进一步地，所述双buck电路包括第六IGBT、第七IGBT、第八IGBT和第九IGBT，所述第六IGBT的E极分别与第八IGBT的C极和第四电感的一端连接，所述第八IGBT的E极和第九IGBT的E极连接后与第二电容的另一端连接，所述第九IGBT的C极分别与第七IGBT的E极和负载连接，所述第七IGBT的C极和第六IGBT的C极连接后与第二电容的一端连接，所述第六IGBT、第九IGBT的门极分别与第二控制器的PWM21端、PWM24端连接。

进一步地，所述交流电源输入电路包括断路器、软启动电路和输入电源，所述输入电源为单相或三相电源。

本发明相对现有技术具有以下有益效果：本发明的混合型动态电源包括工频整流电路、PFC电路、随动电压源电路、电流输出电路、第一控制器和第二控制器，通过工频整流电路将输入交流电压整流成100Hz直流电压，PFC电路提高了电源功率因数，随动电压源电路为电流输出电路实时提供足够但又不会比需要高太多的电压，保证电流输出电路输出电流即负载电流的各项指标。本发明通过闭环调节能实现高速动态电流输出，输出电流能以极小误差快速跟踪给定信号波形，响应快速，能适用于粒子加速器的要求。

附图说明

图1为本发明的电路结构示意图；

图2为给定信号波形图。

本发明附图标记含义如下：1、工频整流电路；2、PFC电路；3、随动电压源电路；4、电流输出电路；5、第一控制器；6、第二控制器；A1、整流桥；L1、第一电感；L2、第二电感；L3、第三电感；L4、第四电感；D1、第一二极管；D11、第二二极管；D12、第三二极管；D13、第四二极管；D14、第五二极管；Q1、第一IGBT；Q11、第二IGBT；Q12、第三IGBT ；Q13、第四IGBT ；Q14、第五IGBT；Q21、第六IGBT；Q22、第七IGBT ；Q23、第八IGBT ；Q24、第九IGBT；U1、第一电压传感器；U2、第一电流传感器；U3、第二电压传感器；U4、第二电流传感器；C1、第一电容；C2、第二电容；T1、高频变压器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种混合型动态电源，包括工频整流电路1、PFC电路2、随动电压源电路3、电流输出电路4、第一控制器5和第二控制器6，工频整流电路1与交流电源输入电路连接，交流电源输入电路包括断路器、软启动电路和输入电源，输入电源为单相或三相电源，工频整流电路1的输出端与PFC电路2连接， PFC电路2分别与第一控制器5和随动电压源电路3连接，随动电压源电路3与电流输出电路4连接且随动电压源电路3和电流输出电路4均与第二控制器6连接，电流输出电路4的输出端作为电源输出的两极连接有负载。

工频整流电路1为整流桥A1，整流桥A1接受交流电源输入，将输入交流电压整流成100Hz直流电压，PFC电路2包括第一电感L1、第一二极管D1、第一IGBT Q1、第一电压传感器U1和第一电流传感器U2，第一电感L1的一端与整流桥A1的正极连接，第一电感L1的另一端分别与第一二极管D1的阳极和第一IGBT Q1的C极连接，第一IGBT Q1的E极与整流桥A1的负极连接，第一IGBT Q1的门极与第一控制器5的PWM0输出端连接，第一二极管D1的阴极分别与第一电压传感器U1的一端和第一电流传感器U2的一端连接，第一电压传感器U1的另一端与第一IGBT Q1的E极连接，第一电压传感器U1和第一电流传感器U2的输出端与第一控制器5连接。工频整流电路1的工频脉动电压通过PFC电路2泵升到小电流高电压源，第一IGBT Q1的开关频率大于100kHz，因此整个电源的输入功率因数不低于0.95，第一控制器5接受第一电压传感器U1、第一电流传感器U2的输出信号，经过运算处理后输出脉冲PWM0，控制第一IGBT Q1。

随动电压源电路3包括第二电感L2、第一电容C1、H桥电路、高频变压器T1、全波整流桥、第三电感L3、第二电容C2和第二电压传感器U3，第二电感L2的一端与第一电流传感器U2的另一端连接，第二电感L2的另一端分别与第一电容C1的一端和H桥电路的一端连接，第一电容C1的另一端和H桥电路的另一端连接后与第一IGBT Q1的E极连接， H桥电路的输出端与高频变压器T1的原边连接，高频变压器T1的副边与全波整流桥的输入端连接，全波整流桥输出端的一端与第三电感L3的一端连接，第三电感L3的另一端分别与第二电压传感器U3和第二电容C2的一端连接，第二电压传感器U3和第二电容C2的另一端与全波整流桥输出端的另一端连接，第二电压传感器U3的输出端与第二控制器6连接，第二控制器6的PWM输出端与H桥电路连接。H桥电路包括第二IGBT Q11、第三IGBT Q12、第四IGBT Q13和第五IGBTQ14，第二IGBT Q11的E极与第四IGBT Q13的C极连接，第四IGBT Q13的E极和第五IGBT Q14的E极连接后与第一电容C1的另一端连接，第五IGBT Q14的C极与第三IGBT Q12的E极连接，第三IGBT Q12的C极和第二IGBT Q11的C极连接后与第一电容C1的一端连接，第二IGBT Q11的E极和第五IGBT Q14的C极与高频变压器T1的原边连接，第二IGBT Q11、第三IGBT Q12、第四IGBT Q13、第五IGBT Q14的门极分别与第二控制器6的PWM11端、PWM12端、PWM13端、PWM14端连接，第二控制器6还用于接受外部电压给定和电流给定。全波整流桥包括第二二极管D11、第三二极管D12、第四二极管D13和第五二极管D14，第二二极管D11的阳极与第四二极管D13的阴极连接，第四二极管D13的阳极和第五二极管D14的阳极连接后与第二电容C2的另一端连接，第五二极管D14的阴极与第三二极管D12的阳极连接，第三二极管D12的阴极和第二二极管D11的阴极连接后与第三电感L3的一端连接，第五二极管D14的阴极和第二二极管D11的阳极与高频变压器T1的副边连接。PFC电路2的高压小电流经过第二电感L2和第一电容C1组成的滤波器滤波后，调制成高压较高质量的直流稳压源提供给由第二IGBT Q11、第三IGBT Q12、第四IGBT Q13和第五IGBT Q14组成的H桥电路，经高频变压器T1转换成高频低压交流大电流，再由第二二极管D11、第三二极管D12、第四二极管D13和第五二极管D14组成的全波整流桥全波整流，经第三电感L3和第二电容C2滤波成低压大电流直流源。这一部分为电压控制，电压传感器U3对电压采样经调制后送入第二控制器6，作为这一部分的电压反馈信号参与电压调节，此部分的电压给定为外部给定，第二电容C2端电压会随外部给定信号随动，外部给定信号示意图见图2的曲线2，给定波形曲线数据由用户根据不同任务自行设计，远程送入第二控制器6，曲线1和2的时间和幅值由用户根据具体需要自行设计。这一部分的工作原理：外部给定（如图2的曲线2）送入第二控制器6,经过运算处理后控制第二IGBT Q11、第三IGBT Q12、第四IGBT Q13和第五IGBT Q14，第二电容C2端电压经采样（Vout）调制后作为反馈信号送入第二控制器6，与外部给定信号比较后参与调节，精确控制第二电容C2的端电压，使之快速精确跟随外部给定信号（如图2曲线2）随动。这一部分可以看做一个放大器，将外部给定信号（如图2曲线2）的微弱电压放大成第二电容C2的端电压，两个电压经归一化后波形重合。

电流输出电路4包括双buck电路、第四电感L4和第二电流传感器U4，双buck电路的输入端与第二电容C2的两端连接，双buck电路输出端的一端与第四电感L4的一端连接，第四电感L4的另一端与第二电流传感器U4的一端连接，第二电流传感器U4的另一端作为电源输出的一极连接负载，双buck电路输出端的另一端作为电源输出的另一极连接负载，第二电流传感器U4的输出端与第二控制器6连接，第二控制器6的PWM输出端与双buck电路连接。双buck电路包括第六IGBT Q21、第七IGBT Q22、第八IGBT Q23和第九IGBT Q24，第六IGBTQ21的E极分别与第八IGBT Q23的C极和第四电感L4的一端连接，第八IGBT Q23的E极和第九IGBT Q24的E极连接后与第二电容C2的另一端连接，第九IGBT Q24的C极分别与第七IGBTQ22的E极和负载连接，第七IGBT Q22的C极和第六IGBT Q21的C极连接后与第二电容C2的一端连接，第六IGBT Q21、第九IGBT Q24的门极分别与第二控制器6的PWM21端、PWM24端连接。这一部分的工作原理：电流外部给定（如图2的曲线1）送入第二控制器6，经过运算处理后控制第六IGBT Q21、第七IGBT Q22、第八IGBT Q23和第九IGBT Q24，负载电流经采样（Iout）调制后作为反馈信号送入第二控制器6，与给定信号比较后参与调节，精确控制负载电流，使之快速精确跟随外部给定信号（如图2曲线1）随动。这一部分也可以看做一个放大器，将外部给定信号（如图2曲线1）的微弱电压放大成同形状大电流，二者波形经归一化后高度重合。

电源工作方式说明：

工频整流电路1和PFC电路2电压基本恒定，为稳压源，随动电压源电路3为随动电压源，由图2曲线2控制，电流输出电路4为随动电流源，由图2曲线1控制。用户需要的是电流输出电路4的高精度跟随给定的电流，增加随动电压源电路3及其控制，是为了保证电流输出电路4输出电流的各项指标。

综述，因电源工作方式较特殊，输出量要求和测试指标严苛，故采用了一些特殊的电路形式。工频整流电路1是常规必须的，PFC电路2是为了提高电源功率因数，随动电压源电路3是为电流输出电路4实时提供足够但又不会比需要高太多的电压（实践证明随动电压源电路3电压如果太高会导致电流输出电路4输出电流的一些指标不易达标）。例如图2中，当曲线1工作在较低幅值时，曲线2也在较低幅值（此时随动电压源电路3输出电压即第二电容C2的端电压也较低，但足够电流输出电路4的工作需要）；当曲线1向上爬升，曲线2会提前爬升，给电流输出电路4实时提供足够（但不会高太多）的电压；当曲线1爬升到顶端保持稳定时，曲线2也会保持稳定，给电流输出电路4实时提供足够（但不会高太多）的电压；总之随动电压源电路3始终为电流输出电路4提供足够但不会比实际需要高太多的电压，保证电流输出电路4输出电流即负载电流的各项指标。

Claims (9)

1.一种混合型动态电源，其特征在于：包括工频整流电路（1）、PFC电路（2）、随动电压源电路（3）、电流输出电路（4）、第一控制器（5）和第二控制器（6），所述工频整流电路（1）与交流电源输入电路连接，所述工频整流电路（1）的输出端与PFC电路（2）连接，所述PFC电路（2）分别与第一控制器（5）和随动电压源电路（3）连接，所述随动电压源电路（3）与电流输出电路（4）连接且随动电压源电路（3）和电流输出电路（4）均与第二控制器（6）连接，所述电流输出电路（4）的输出端作为电源输出的两极连接有负载。

2.根据权利要求1所述的一种混合型动态电源，其特征在于：所述工频整流电路（1）为整流桥（A1）。

3.根据权利要求2所述的一种混合型动态电源，其特征在于：所述PFC电路（2）包括第一电感（L1）、第一二极管（D1）、第一IGBT（Q1）、第一电压传感器（U1）和第一电流传感器（U2），所述第一电感（L1）的一端与整流桥（A1）的正极连接，所述第一电感（L1）的另一端分别与第一二极管（D1）的阳极和第一IGBT（Q1）的C极连接，所述第一IGBT（Q1）的E极与整流桥（A1）的负极连接，所述第一IGBT（Q1）的门极与第一控制器（5）的PWM0输出端连接，所述第一二极管（D1）的阴极分别与第一电压传感器（U1）的一端和第一电流传感器（U2）的一端连接，所述第一电压传感器（U1）的另一端与第一IGBT（Q1）的E极连接，所述第一电压传感器（U1）和第一电流传感器（U2）的输出端与第一控制器（5）连接。

4.根据权利要求3所述的一种混合型动态电源，其特征在于：所述随动电压源电路（3）包括第二电感（L2）、第一电容（C1）、H桥电路、高频变压器（T1）、全波整流桥、第三电感（L3）、第二电容（C2）和第二电压传感器（U3），所述第二电感（L2）的一端与第一电流传感器（U2）的另一端连接，所述第二电感（L2）的另一端分别与第一电容（C1）的一端和H桥电路的一端连接，所述第一电容（C1）的另一端和H桥电路的另一端连接后与第一IGBT（Q1）的E极连接，所述H桥电路的输出端与高频变压器（T1）的原边连接，所述高频变压器（T1）的副边与全波整流桥的输入端连接，所述全波整流桥输出端的一端与第三电感（L3）的一端连接，所述第三电感（L3）的另一端分别与第二电压传感器（U3）和第二电容（C2）的一端连接，所述第二电压传感器（U3）和第二电容（C2）的另一端与全波整流桥输出端的另一端连接，所述第二电压传感器（U3）的输出端与第二控制器（6）连接，第二控制器（6）的PWM输出端与H桥电路连接。

5.根据权利要求4所述的一种混合型动态电源，其特征在于：所述电流输出电路（4）包括双buck电路、第四电感（L4）和第二电流传感器（U4），所述双buck电路的输入端与第二电容（C2）的两端连接，所述双buck电路输出端的一端与第四电感（L4）的一端连接，所述第四电感（L4）的另一端与第二电流传感器（U4）的一端连接，所述第二电流传感器（U4）的另一端作为电源输出的一极连接负载，所述双buck电路输出端的另一端作为电源输出的另一极连接负载，所述第二电流传感器（U4）的输出端与第二控制器（6）连接，所述第二控制器（6）的PWM输出端与双buck电路连接。

6.根据权利要求4所述的一种混合型动态电源，其特征在于：所述H桥电路包括第二IGBT（Q11）、第三IGBT（Q12）、第四IGBT（Q13）和第五IGBT（Q14），所述第二IGBT（Q11）的E极与第四IGBT（Q13）的C极连接，所述第四IGBT（Q13）的E极和第五IGBT（Q14）的E极连接后与第一电容（C1）的另一端连接，所述第五IGBT（Q14）的C极与第三IGBT（Q12）的E极连接，所述第三IGBT（Q12）的C极和第二IGBT（Q11）的C极连接后与第一电容（C1）的一端连接，所述第二IGBT（Q11）的E极和第五IGBT（Q14）的C极与高频变压器（T1）的原边连接，所述第二IGBT（Q11）、第三IGBT（Q12）、第四IGBT（Q13）、第五IGBT（Q14）的门极分别与第二控制器（6）的PWM11端、PWM12端、PWM13端、PWM14端连接。

7.根据权利要求4所述的一种混合型动态电源，其特征在于：所述全波整流桥包括第二二极管（D11）、第三二极管（D12）、第四二极管（D13）和第五二极管（D14），所述第二二极管（D11）的阳极与第四二极管（D13）的阴极连接，所述第四二极管（D13）的阳极和第五二极管（D14）的阳极连接后与第二电容（C2）的另一端连接，所述第五二极管（D14）的阴极与第三二极管（D12）的阳极连接，所述第三二极管（D12）的阴极和第二二极管（D11）的阴极连接后与第三电感（L3）的一端连接，所述第五二极管（D14）的阴极和第二二极管（D11）的阳极与高频变压器（T1）的副边连接。

8.根据权利要求5所述的一种混合型动态电源，其特征在于：所述双buck电路包括第六IGBT（Q21）、第七IGBT（Q22）、第八IGBT（Q23）和第九IGBT（Q24），所述第六IGBT（Q21）的E极分别与第八IGBT（Q23）的C极和第四电感（L4）的一端连接，所述第八IGBT（Q23）的E极和第九IGBT（Q24）的E极连接后与第二电容（C2）的另一端连接，所述第九IGBT（Q24）的C极分别与第七IGBT（Q22）的E极和负载连接，所述第七IGBT（Q22）的C极和第六IGBT（Q21）的C极连接后与第二电容（C2）的一端连接，所述第六IGBT（Q21）、第九IGBT（Q24）的门极分别与第二控制器（6）的PWM21端、PWM24端连接。

9.根据权利要求1所述的一种混合型动态电源，其特征在于：所述交流电源输入电路包括断路器、软启动电路和输入电源，所述输入电源为单相或三相电源。