CN117639494A - 一种低损耗多路四象限线性电源及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
四象限电源通过开关器件常规电路很难实现高频输出，线性器件是实现高频的最好方法，但是，线性电源最大的困扰是其工作在线性状态、损耗大。这一缺点很大程度上限值了线性器件的应用，使得线性器件优异的高频特性很难施展。本发明提出了一种可以有效降低线性器件损耗的技术方案，包括四象限线性输出部分、多路输出单元、变压器、变压器原边侧电路，实现线性四象限运行，且通过线性输出部分的电压反馈跨电路控制时变母线电压，降低mos管的发热量，实现了线性四象限电源高频低损耗的优异特性。
Description
技术领域
本发明涉及燃料和汽车电子电性能测试技术领域，具体涉及一种低损耗多路四象限线性电源及其控制方法。
背景技术
当前新兴的燃料电池、动力电池、超级电容，在进行电性能分析、电化学阻抗谱测试、脉冲测试时都离不开双极性电源作为测试设备。高频四象限电源常作为双极性电源用于电化学工作站，为燃料电池、动力电池、铅蓄电池、超级电容等电池，进行电性能分析、电化学阻抗谱测试、软包高频脉冲测试等。
汽车电子电性能测试标准要求电源电压满足：ISO16750-2、ISO7637-2变动测试（脉冲2b、脉冲4等）、GB28046.2标准测试，并可满足各汽车制造商相关标准：LV124、LV148、SMTC3800 001、VW80300、GS95024-2，及其越趋复杂的波形变动测试之高速响应速度要求。这就要求电源可以通过四象限动作，实现了既能提供功率（source），又能吸收功率（sink），实现低纹波低噪声、高速响应和可到500kHz的高频频率。还可内置函数信号发生器，可以自由地产生任意波形和设置时序控制。开关电源受器件自身开关频率限制很难做到高速响应和500kHz高频输出，同时开关器件的开通关断过程也带来了我们不想要的高频干扰。开关电源频率难做高，输出干扰大是主要问题。现有线性电源多为单极性电源无法满足复杂的测试要求。
发明内容
本发明目的是提供一种低损耗多路四象限线性电源及其控制方法，不仅能够合理利用线性器件优异的高频特性，而且可以有效降低线性器件的损耗。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种低损耗多路四象限线性电源，包括四象限线性输出部分、多路输出单元、三相变压器和变压器原边侧电路；
三相变压器每一相的原边设置一个原边绕组，与变压器原边侧电路连接，副边设置多个副边绕组，分别与多路输出单元一一连接，每相的每路输出单元均包含一路四象限线性输出部分；
四象限线性输出部分包括：充放电模块，四个线性mos管Q1、Q2、Q3、Q4，正输出端子、负输出端子和被测对象DUT；充放电模块包括第一充放电单元、第二充放电单元，第一充放电单元和第二充放电单元串联在Udc+和Udc-之间，第一充放电单元的一端连接Udc+，第二充放电单元的一端连接Udc-；四个线性mos管串联在Udc+和Udc-之间，具体为Q1的漏极与Udc+连接，源极与Q2漏极连接，Q2源极与Q3漏极连接，Q3源极与Q4漏极连接，Q4源极与Udc-连接； Q1源极与Q2漏极的连接点、Q3源极与Q4漏极的连接点均与正输出端子连接，正输出端子另一端与被测对象DUT连接；两个充放电单元的连接点、Q2源极与Q3漏极的连接点与负输出端子连接，负输出端子另一端与被测对象DUT另一端连接。
进一步的，第一充放电单元、第二充放电单元为上母线电容、下母线电容，所述三相变压器的每一相原边设置一个绕组，副边设置四个绕组，原边绕组的上端为同名端，副边的第一绕组上端连接整流二极管DR1阳极，下端与第二绕组上端相接，第二绕组下端连接整流二极管DR2阳极，整流二极管DR1、DR2的阴极与滤波电感Lo1一端连接，Lo1另一端与Udc+连接，第一绕组与第二绕组的连接点与上母线电容、下母线电容的连接点连接；副边第三绕组上端连接整流二极管DR3阳极，下端与第四绕组上端相接，第四绕组下端连接整流二极管DR4阳极，整流二极管DR3、DR4的阴极与滤波电感Lo2一端连接，Lo2另一端与上母线电容、下母线电容的连接点连接，第三绕组和第四绕组的连接段与Udc-连接，副边四个绕组的上端分别为各自同名端。
第一充放电单元、第二充放电单元也可以为三电平整流器的上母线电容、下母线电容，或第一充放电单元、第二充放电单元均为DCDC模块，来实现多路输出。
进一步的，原边侧电路包括三相全桥电路单元、母线电容和全桥逆变网络单元，所述三相全桥电路单元包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和电感La、电感Lb、电感Lc，电感La、电感Lb、电感Lc的一端分别与第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的中点连接，另一端分别连接市电a、b、c三相，母线电容并联跨接在三相全桥电路单元两端，母线电容两端电压为第一级整流级母线电压DC，全桥逆变网络单元并联跨接在母线电容两端，全桥逆变网络单元包括第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂、电感Lr1、电感Lr2、电感Lr3、电容Cr1、电容Cr2和电容Cr3，第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂的中点分别与电感Lr1、电感Lr2、电感Lr3的一端连接，电感Lr1、电感Lr2、电感Lr3的另一端分别与电容Cr1、电容Cr2和电容Cr3的一端连接，电容Cr1、电容Cr2和电容Cr3的另一端分别连接变压器A、B、C三相的原边上端，变压器A、B、C三相的原边下端均与零线相连。
本发明还提出一种低损耗多路四象限线性电源控制方法，采用跨电路时变母线控制方法，利用时变母线电压外环的反馈值和时变母线电压外环的给定值，跨电路控制第一级整流电路的母线电压DC。
时变母线电压外环的给定值Udc_SET= Udrop+maxout()，Udrop为线性输出部分与母线之间的压降，maxout()为每相、每路中所有四象限线性输出部分的正输出端子与负输出端子输出电压的最大值，时变母线电压外环的反馈值Udc_back=f<maxout()>，映射函数f()的输出结果为最大输出电压对应的母线电压DC1或者DC2，定义第一充放电单元两端电压为DC1，第二充放电单元两端电压为DC2。
具体的，包括时变母线电压外环、时变母线电压内环和有功电流内环三部分控制；
时变母线电压外环控制包括：Udc_SET与Udc_back的静差经PI控制器PI1调整，输出作为时变母线电压内环的给定值；
时变母线电压内环控制包括：时变母线电压内环的给定值、DC_ref与DC_back的静差经过PI控制器PI2调节，输出作为有功电流内环的给定值；其中，DC_ref为整流级母线电压DC的外环固定给定值，DC_back为时变母线电压内环的反馈值；
有功电流内环控制包括：有功电流内环的给定值与有功电流内环反馈值id的静差经过PI控制器PI3调节后，输出第一集整流电路母线DC的控制量；其中，id为有功电流。
进一步的，控制线性mos管Q1、Q2、Q3、Q4的导通，以实现四象限线性输出部分的正极性源、负极性源、正极性载、负极性载四种工作模式：
线性mos管Q2、Q3、Q4关断，Q1受控线性导通，作为正极性源工作；
线性mos管Q1、Q2、Q3关断，Q4受控线性导通，作为负极性源工作；
线性mos管Q1、Q3、Q4关断，Q2受控线性导通，作为正极性载工作；
线性mos管Q1、Q2、Q4关断，Q3受控线性导通，作为负极性载工作。
DC_ref为整流级母线电压DC的外环固定给定值，此值固定不变，DC_ref设定为多路输出都不启动时母线工作电压，多路输出都不启动时控制器PI1初始化为0。
对于一百伏特及以上***电压的电压***，Udrop取50V，对于低于一百伏特伏的电压***，Udrop取5-10V。
本发明的优点在于：首先提供了一种简洁高效的四象限线性电源电路拓扑，简洁的电路实现了线性四象限运行。其次提出一种四象限线性电源多路输出的方案，实现了多路输出，最后提出了一种跨电路时变母线控制方法，实现了线性输出与其母线电压动态保持固定压差Udrop，大幅度的减小了线性mos的发热量。整体方案为燃料电池和汽车电子测试提供了一种多路、高频、低损耗、四象限线性运行的测试电源技术方案
附图说明
图1为本发明四象限线性输出部分电路图；
图2为本发明作为正极性源工作时线性输出部分的模态图和等效电路；
图3为本发明作为负极性源工作时线性输出部分的模态图和等效电路；
图4为本发明作为正极性载工作时线性输出部分的模态图和等效电路；
图5为本发明作为负极性源工作时线性输出部分的模态图和等效电路；
图6为本发明多路输出单元电路图；
图7变压器结构图；
图8变压器原边侧电路图；
图9为本发明跨电路时变母线控制方法图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
本实施例公开了一种低损耗多路四象限线性电源，包括四象限线性输出部分、多路输出单元、三相变压器和变压器原边侧电路。
四象限线性输出部分请参照图1，以A相第1路电路为例，包括：上母线电容Co1、下母线电容Co2，四个线性mos管Q1、Q2、Q3、Q4，输出端子OUTA1+、OUTA1-和被测对象DUT。上母线电容Co1和下母线电容Co2串联在Udc+和Udc-之间，上母线电容Co1上端连接Udc+，下母线电容Co2下端连接Udc-，上下母线电容中点为o1a端。四个线性mos管串联在Udc+和Udc-之间，具体为：Q1的漏极与Udc+连接，源极与Q2漏极连接，Q2源极与Q3漏极连接，Q3源极与Q4漏极连接，Q4源极与Udc-连接；Q1源极与Q2漏极的连接点，Q3源极与Q4漏极的连接点均与正输出端子连接，正输出端子另一端与被测对象DUT连接；两个充放电单元的连接点、Q2源极与Q3漏极的连接点与负输出端子连接，负输出端子另一端与被测对象DUT另一端连接。
作为正极性源工作时线性输出部分的模态图和等效电路如图2所示，线性mos管Q2、Q3、Q4关断，Q1受控线性导通，上电容Co1上端提供功率，经Q1调节后到输出端子OUTA1+，流经被测物DUT后，由输出端子OUTA1-流回上电容Co1下端。等效电路为Co1经线性mos管Q1后输出，输出的正极性电压加到被测物DUT上，实现正极性源输出，工作在第一象限。
作为负极性源工作时线性输出部分的模态图和等效电路如图3所示，线性mos管Q1、Q2、Q3关断，Q4受控线性导通，下电容Co2上端提供功率，到输出端子OUTA1-，流经被测物DUT后，由输出端子OUTA1+流经线性mos管Q4，回到下电容Co2下端。等效电路为Co2经线性mos管Q4后输出，输出的负极性电压加到被测物DUT上，实现负极性源输出，工作在第三象限。
作为正极性载工作时线性输出部分的模态图和等效电路如图4所示，线性mos管Q1、Q3、Q4关断，Q2受控线性导通，被测物DUT提供功率，经输出端子OUTA1+，流经线性mos管Q2后，由输出端子OUTA1-流回被测物DUT。等效电路为被测物DUT经输出端子OUTA1+流过线性mos管Q2后经输出端子UOUTA-流回被测物DUT。被测物DUT提供的能量由OUTA1+流入四象限线性电源，由UOUTA-流回被测物DUT。线性mos管Q2线性导通发热，实现正极性载功能，工作在第二象限。
作为负极性载工作时线性输出部分的模态图和等效电路如图5所示，线性mos管Q1、Q2、Q4关断，Q3受控线性导通，被测物DUT提供功率，经输出端子OUTA1-，流经线性mos管Q3后，由输出端子OUTA1+流回被测物DUT。等效电路为被测物DUT经输出端子OUTA1-流过线性mos管Q3后经输出端子UOUTA+流回被测物DUT。被测物DUT提供的能量由OUTA1-流入四象限线性电源，由UOUTA+流回被测物DUT。线性mos管Q4线性导通发热，实现负极性载功能，工作在第四象限。
线性mos管Q1、Q2、Q3、Q4线性导通控制是通过模拟PI控制器输出电压控制线性mos导通，PI控制器输出电压越高线性mos导通线性程度越大，线性mos管上的压降越小，输出电压越高；反之，PI控制器输出电压越低线性mos导通线性程度越小，线性mos管上的压降越大，输出电压越低。
三相变压器以A相绕组设置为例，请参照图6，A相设置一个原边绕组A1~A2，副边设置n个副边绕组，对应A相第1~n路电路，每个副边绕组有四个绕组，分别是a1~o1a_1、o1a_1~a2、a3~o2a_1，o2a_1~a4，同名端为A1、a1、a3、o1a_1、o2a_1，第一副边绕组a1端连接整流二极管DR1阳极，a2端连接整流二极管DR2阳极，整流二极管DR1和DR2阴极与滤波电感Lo1连接，Lo1另一端与电容Co1上端连接，第一副边绕组o1a_1端与电容Co1下端相连。第一副边绕组a3端连接整流二极管DR3阳极，a4端连接整流二极管DR4阳极，整流二极管DR3和DR4阴极与滤波电感Lo2连接，Lo2另一端与电容Co2上端连接，第一副边绕组o2a_1端与电容Co2下端相连。
此部分电路连接第一路四象限线性输出部分，输出OUTA1+/OUTA1-，形成第A1路。依此类推A相第n副边绕组，输出OUTAn+/OUTAn-，形成第An路。B、C相与A相结构相同，如图7所示，形成第B1路到Bn路和第C1路到Cn路输出。共输出3n路双极性线性电源。
原边侧电路包括三相全桥电路单元、母线电容和全桥逆变网络单元，请参照图8，三相全桥电路单元包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和电感La、电感Lb、电感Lc，电感La、电感Lb、电感Lc的一端分别与第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的中点连接，另一端分别连接市电a、b、c三相，母线电容并联跨接在三相全桥电路单元两端，母线电容两端电压为第一级整流级母线电压DC，全桥逆变网络单元并联跨接在母线电容两端，全桥逆变网络单元包括第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂、电感Lr1、电感Lr2、电感Lr3、电容Cr1、电容Cr2和电容Cr3，第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂的中点分别与电感Lr1、电感Lr2、电感Lr3的一端连接，电感Lr1、电感Lr2、电感Lr3的另一端分别与电容Cr1、电容Cr2和电容Cr3的一端连接，电容Cr1、电容Cr2和电容Cr3的另一端分别连接变压器A、B、C三相的原边上端，变压器A、B、C三相的原边下端均与零线相连。
实施例2
本实施例将上母线电容Co1、Co2替换为三电平整流器的上下母线电容，或两个DCDC串联，可以实现相同功能。
实施例3
为降低线性mos管的发热量，实现多路输出电源处于高效率高可靠性的工作状态，设计了跨电路时变母线控制方法，请参照图9，跨电路时变母线控制方法包括了时变母线电压外环，时变母线电压内环，有功电流内环。
时变母线电压外环：将线性部分的母线Udc+与o1a之间的电压定义为DC1, o1a 与Udc-之间的电压定义为DC2，将线性部分的母线DC1和DC2作为控制目标。搜索所有输出电压UOUTXn+、|UOUTXn-|（X=A、B、C），取出其中最大值maxout()=MAX（UOUTA1+，|UOUTA1-|，...，UOUTAn+，|UOUTAn-|，UOUTB1+，|UOUTB1-|，...，UOUTBn+，|UOUTBn-|，UOUTC1+，|UOUTC1-|，...，UOUTCn+，|UOUTCn-|），在这一最大值上加上预设压降值Udrop之后作为时变母线电压外环的给定值Udc_SET，即Udc_SET=Udrop+maxout()，此***电压在几百伏特，本设计中Udrop取50V，对于十几伏或者几十伏的电压***可以取5-10V，能够将线性输出部分的压降进行了智能主动控制，大大减小了线性损耗。
Udc_back=f<maxout()>，映射函数f()的输出结果为最大输出电压对应的母线电压DC1或者DC2，例如maxout()==|UOUTB1-|，则Udc_back=f<maxout()>=DC2；再例如maxout()=UOUTC1+，则Udc_back=f<maxout()>=DC1。
Udc_SET与Udc_back的静差经PI调节器调整后作为时变母线电压内环的给定值，跨电路去控制第一级整流电路的母线电压DC，使得第一级整流级的母线电压DC去自动适应多路输出线性部分。
时变母线电压内环：第一级整流级母线电压DC的采样值DC_back作为时变母线电压内环的反馈值，DC_ref为整流级母线电压DC的外环固定给定值，此值固定不变，DC_ref设定为多路输出都不启动时母线工作电压，多路输出都不启动时控制器PI1初始化为0，静差经过PI控制器PI2作为有功电流内环的给定值。
有功电流内环：有功电流id作为有用电流内环的反馈值，静差经过PI3调节后输出第一级整流电路母线DC的控制量。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种低损耗多路四象限线性电源，其特征在于，包括四象限线性输出部分、多路输出单元、三相变压器和变压器原边侧电路；
三相变压器每一相的原边设置一个原边绕组，与变压器原边侧电路连接，副边设置多个副边绕组，分别与多路输出单元一一连接，每相的每路输出单元均包含一路四象限线性输出部分；
所述四象限线性输出部分包括：充放电模块，四个线性mos管Q1、Q2、Q3、Q4，正输出端子、负输出端子和被测对象DUT；充放电模块包括第一充放电单元、第二充放电单元，第一充放电单元和第二充放电单元串联在Udc+和Udc-之间，第一充放电单元的一端连接Udc+，第二充放电单元的一端连接Udc-；四个线性mos管串联在Udc+和Udc-之间，具体为Q1的漏极与Udc+连接，源极与Q2漏极连接，Q2源极与Q3漏极连接，Q3源极与Q4漏极连接，Q4源极与Udc-连接；Q1源极与Q2漏极的连接点、Q3源极与Q4漏极的连接点均与正输出端子连接，正输出端子另一端与被测对象DUT连接；两个充放电单元的连接点、Q2源极与Q3漏极的连接点与负输出端子连接，负输出端子另一端与被测对象DUT另一端连接。
2.根据权利要求1所述低损耗多路四象限线性电源，其特征在于，所述第一充放电单元、第二充放电单元为上母线电容、下母线电容，所述三相变压器的每一相原边设置一个绕组，副边设置四个绕组，原边绕组的上端为同名端，副边的第一绕组上端连接整流二极管DR1阳极，下端与第二绕组上端相接，第二绕组下端连接整流二极管DR2阳极，整流二极管DR1、DR2的阴极与滤波电感Lo1一端连接，Lo1另一端与Udc+连接，第一绕组与第二绕组的连接点与上母线电容、下母线电容的连接点连接；副边第三绕组上端连接整流二极管DR3阳极，下端与第四绕组上端相接，第四绕组下端连接整流二极管DR4阳极，整流二极管DR3、DR4的阴极与滤波电感Lo2一端连接，Lo2另一端与上母线电容、下母线电容的连接点连接，第三绕组和第四绕组的连接段与Udc-连接，副边四个绕组的上端分别为各自同名端。
3.根据权利要求1所述低损耗多路四象限线性电源，其特征在于，所述第一充放电单元、第二充放电单元为三电平整流器的上母线电容、下母线电容，或第一充放电单元、第二充放电单元均为DCDC模块。
4.根据权利要求1所述低损耗多路四象限线性电源，其特征在于，所述原边侧电路包括三相全桥电路单元、母线电容和全桥逆变网络单元，所述三相全桥电路单元包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和电感La、电感Lb、电感Lc，电感La、电感Lb、电感Lc的一端分别与第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的中点连接，另一端分别连接市电a、b、c三相，母线电容并联跨接在三相全桥电路单元两端，母线电容两端电压为第一级整流级母线电压DC，全桥逆变网络单元并联跨接在母线电容两端，全桥逆变网络单元包括第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂、电感Lr1、电感Lr2、电感Lr3、电容Cr1、电容Cr2和电容Cr3，第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂的中点分别与电感Lr1、电感Lr2、电感Lr3的一端连接，电感Lr1、电感Lr2、电感Lr3的另一端分别与电容Cr1、电容Cr2和电容Cr3的一端连接，电容Cr1、电容Cr2和电容Cr3的另一端分别连接变压器A、B、C三相的原边上端，变压器A、B、C三相的原边下端均与零线相连。
5.一种低损耗多路四象限线性电源控制方法，基于权利要求1-4任一低损耗多路四象限线性电源实现，其特征在于，采用跨电路时变母线控制方法，利用时变母线电压外环的反馈值和时变母线电压外环的给定值，跨电路控制第一级整流电路的母线电压DC。
6.根据权利要求5所述低损耗多路四象限线性电源控制方法，其特征在于，所述时变母线电压外环的给定值Udc_SET= Udrop+maxout()，Udrop为线性输出部分与母线之间的压降，maxout()为每相、每路中所有四象限线性输出部分的正输出端子与负输出端子输出电压的最大值，时变母线电压外环的反馈值Udc_back=f<maxout()>，映射函数f()的输出结果为最大输出电压对应的母线电压DC1或者DC2，定义第一充放电单元两端电压为DC1，第二充放电单元两端电压为DC2。
7.根据权利要求6所述低损耗多路四象限线性电源控制方法，其特征在于，包括时变母线电压外环、时变母线电压内环和有功电流内环三部分控制；
所述时变母线电压外环控制包括：Udc_SET与Udc_back的静差经PI控制器PI1调整，输出作为时变母线电压内环的给定值；
所述时变母线电压内环控制包括：时变母线电压内环的给定值、DC_ref与DC_back的静差经过PI控制器PI2调节，输出作为有功电流内环的给定值；其中，DC_ref为整流级母线电压DC的外环固定给定值，DC_back为时变母线电压内环的反馈值；
所述有功电流内环控制包括：有功电流内环的给定值与有功电流内环反馈值id的静差经过PI控制器PI3调节后，输出第一集整流电路母线DC的控制量；其中，id为有功电流。
8.根据权利要求5-7任一所述低损耗多路四象限线性电源控制方法，其特征在于，控制线性mos管Q1、Q2、Q3、Q4的导通，以实现四象限线性输出部分的正极性源、负极性源、正极性载、负极性载四种工作模式：
线性mos管Q2、Q3、Q4关断，Q1受控线性导通，作为正极性源工作；
线性mos管Q1、Q2、Q3关断，Q4受控线性导通，作为负极性源工作；
线性mos管Q1、Q3、Q4关断，Q2受控线性导通，作为正极性载工作；
线性mos管Q1、Q2、Q4关断，Q3受控线性导通，作为负极性载工作。
9.根据权利要求7所述低损耗多路四象限线性电源控制方法，其特征在于，DC_ref为整流级母线电压DC的外环固定给定值，此值固定不变，DC_ref设定为多路输出都不启动时母线工作电压，多路输出都不启动时控制器PI1初始化为0。
10.根据权利要求6所述低损耗多路四象限线性电源控制方法，其特征在于，对于一百伏特及以上***电压的电压***，Udrop取50V，对于低于一百伏特伏的电压***，Udrop取5-10V。
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