CN103414351A - 电力试验的高精度串联谐振高压电源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压直流电源。高压直流电源(100)的拓扑包括：输入侧稳压电容器(C1)、高频逆变器(10)、可调式串联谐振电路(20)、高频变压器(Th)、高频不可控整流器(30)、输出侧稳压电容器(C2)，依次顺序连接组成。高频逆变器(10)只有三种离散的控制方式：正向谐振、反向谐振、自由谐振，控制策略简单、输出侧直流电压响应快；可调式串联谐振电路(20)增加了谐振电容的微调功能，与离散的谐振软开关控制技术结合，使得输出侧直流电压波动更小、精度更高。该高压直流电源可用于电力设备的直流耐压和直流泄漏试验、高精度仪器的电源等。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种高压直流电源，具体是高精度的、高频的、基于谐振软开关的高压直流电源。
背景技术
电力设备常规试验中，试验直流电压为单极性持续电压，要求脉动因数小于3%，同时具有充足的电源容量。目前，直流试验所采用的高压直流发生器的开关管大多工作于硬开关状态，电磁干扰较大，所输出的直流试验高电压脉动较大，试验效果受到影响：一方面，较大的电压脉动会造成高压直流耐压时易损坏被试验设备；另一方面，试验需要测量直流泄漏电流等参数，其值很小，会造成较大的测试误差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于谐振软开关技术和可变谐振电容技术的高压直流电源，可完全消除逆变器的开关损耗和高频不可控整流电路的整流损耗，整个电源系统控制策略简单、效率高，而且达到给定输出电压响应快、波动小。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：输入侧稳压电容器、高频逆变器、可调式串联谐振电路、高频变压器、高频可不控整流器、输出侧稳压电容器，依次顺序连接组成。
所述的输入侧稳压电容器用于稳定输入电压。
所述的高频逆变器包括：第一高频开关、第一高频二极管、第二高频开关、第二高频二极管、第三高频开关、第三高频二极管、第四高频开关、第四高频二极管。第一高频开关与第一高频二极管反并联和第二高频开关与第二高频二极管反并联后串联连接，第三高频开关与第三高频二极管反并联和第四高频开关与第四高频二极管反并联后串联连接，上述两者并联连接，两个串联连接点与可调式串联谐振电路相连接。
进一步地，高频逆变器采用离散的控制方式，根据开关管不同的导通方式，逆变器的输出有3种状态，分别称之为正向谐振、自由谐振、和反向谐振。正向谐振是高频逆变器输出的脉冲电压方向与谐振电流方向相同，对谐振电流起到加强作用，称之为正向谐振；高频逆变器输出脉冲电压为零，对谐振电流无影响，称之为自由谐振；高频逆变器输出的脉冲电压方向与谐振电流方向相反，使得谐振电流减弱，称之为反向谐振。
进一步地，高频逆变器的3种离散控制状态，同一状态，谐振电流的不同方向对应不同的开关导通方式。正向谐振状态的开关导通方式为：谐振电流为正时，导通第一高频开关和第四高频开关；谐振电流为负时，导通第二高频开关和第三高频开关。自由谐振状态的开关导通方式为：谐振电流为正时，导通第一高频开关或第四高频开关，导通第一高频开关与第三高频二极管使得可调式串联谐振电路形成回路，导通第四高频开关与第二高频二极管使得可调式串联谐振电路形成回路；谐振电流为负时，导通第二高频开关或第三高频开关，导通第二高频开关与第四高频二极管使得串联谐振电路形成回路，导通第三高频开关与第一高频二极管使得串联谐振电路形成回路。反向谐振状态的开关导通方式为：不管谐振电流是正或负，关断第一高频开关、第二高频开关、第三高频开关、第四高频开关，当谐振电流是正时，第二高频二极管和第三高频二极管导通使得可调式串联谐振电路向高频逆变器输入侧回馈电能；当谐振电流为负时，第一高频二极管和第四高频二极管导通使得可调式串联谐振电路向高频逆变器的输入侧回馈电能。
进一步地，高频逆变器的3种离散控制状态都在谐振电流的过零点切换开关管的状态，以使得开关损耗为零，开关频率与串联谐振频率始终保持相同，且3种离散控制状态的作用周期设定为串联谐振周期的一半。
所述的可调式串联谐振电路包括：第一谐振电容器、第二谐振电容器、第五高频开关、谐振电感、高频变压器的漏感，第二谐振电容器与第五高频开关串联后和第一谐振电容器并联，谐振电感、高频变压器与之串联连接。
进一步地，第五高频开关导通时，第一谐振电容器与第二谐振电容器并联作为可调式串联谐振电路的谐振电容，谐振电容的容量增加，谐振周期增大，其他条件不变，高频逆变器的3种离散状态仍按原先的谐振周期的一半作为作用周期，仍在谐振电流的过零点切换开关管的状态，一种状态结束时下一个谐振电流过零点还未到来，至下一个谐振电流过零点的间隔，关断第一、二、三、四高频开关管。按照正弦波形的等效原理，其他条件不变，周期增加将使得幅值减少，经过等效计算，第五高频开关导通后的输出侧直流电压与之前的输出侧直流电压比值的平方等于第一谐振电容器的容量和第一谐振电容器的容量与第二谐振电容器的容量之和的比值。
进一步地，高频逆变器的3种离散状态的控制策略，输出侧直流电压与给定值比较，给定值设定滞环差值范围，若输出侧直流电压超出滞环差值上限，高频逆变器的下一时刻离散状态为反向谐振；若输出侧直流电压低于滞环差值下限，高频逆变器的下一时刻离散状态为正向谐振；若输出侧直流电压在滞环差值范围内，高频逆变器的下一时刻离散状态为自由谐振。给定值是根据上一时刻的输出侧直流电压与设定的最终电压值得到，原则是保持电压变换过程平滑，若连续两个离散状态都为正向谐振，而下一时刻的离散状态确定仍为正向谐振，那么下一时刻的离散状态强制为自由谐振，以保护可调式串联谐振电路和高频开关。输出侧直流电压达到设定的最终电压值后，导通第五高频开关，谐振电容器的容量增加，控制策略不变，使得输出侧直流电压的波动更小、精度更高。
所述的高频变压器用于变换输入输出侧的电压，输入侧的漏感参与到可调式串联谐振电路中。
所述的高频不可控整流器用于将高频变压器输出的高频交流波形电压变换为直流电压。
所述的输出侧电容器用于稳定输出侧直流电压。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：逆变器的结构简单、控制策略容易实现，基于谐振软开关控制技术，可消除开关损耗，开关频率进一步提高；增加了谐振电容的微调功能，与离散的谐振软开关控制技术结合，可使输出电压的波动更小、响应更快。
附图说明
当参考阅读下面的详细说明时，将更好地理解本发明的特征和优点，其中，在全部附图内，类似的字符表示类似的部分，其中：
图1为根据本发明的一个实施例；
图2为实施例中高频逆变器10的离散控制状态，1为高频逆变器输出的电平，2为谐振电感Lr的电流Ir，I为正向谐振，II为反向谐振，III为自由谐振，IV为高频开关S5导通后的正向谐振和自由谐振，V为高频开关S5导通后的反向谐振和自由谐振。
具体实施方式
本如图1所示，根据本发明的一个实施例的高压直流电源100的拓扑，包括：输入侧稳压电容器C1、高频逆变器10、可调式串联谐振电路20、高频变压器Th、高频不可控整流器30、输出侧稳压电容器C2，依次顺序连接组成。
所述的输入侧稳压电容器C1用于稳定输入电压Uin。
所述的高频逆变器10包括：第一高频开关S1、第一高频二极管D1、第二高频开关S2、第二高频二极管D2、第三高频开关S3、第三高频二极管D3、第四高频开关S4、第四高频二极管D4。第一高频开关S1与第一高频二极管D1反并联和第二高频开关S2与第二高频二极管D2反并联后串联连接，第三高频开关S3与第三高频二极管D3反并联和第四高频开关S4与第四高频二极管D4反并联后串联连接，上述两者并联连接，两个串联连接点与可调式串联谐振电路20相连接。
如图2所示，高频逆变器10采用离散的控制方式，高频逆变器10输出的脉冲电压方向与谐振电流Ir方向相同，对谐振电流Ir起到加强作用，I为正向谐振；高频逆变器10输出的脉冲电压方向与谐振电流Ir方向相反，使得谐振电流Ir减弱，II为反向谐振；高频逆变器10输出脉冲电压为零，对谐振电流Ir无影响，III为自由谐振。
进一步地，高频逆变器10的3种离散控制状态，同一状态，谐振电流Ir的不同方向对应不同的开关导通方式。正向谐振状态的开关导通方式为：谐振电流Ir为正时，导通第一高频开关S1和第四高频开关S4；谐振电流Ir为负时，导通第二高频开关S2和第三高频开关S3。自由谐振状态的开关导通方式为：谐振电流Ir为正时，导通第一高频开关S1或第四高频开关S4，导通第一高频开关S1与第三高频二极管D3使得可调式串联谐振电路20形成回路，导通第四高频开关S4与第二高频二极管D2使得可调式串联谐振电路20形成回路；谐振电流Ir为负时，导通第二高频开关S2或第三高频开关S3，导通第二高频开关S2与第四高频二极管D4使得串联谐振电路20形成回路，导通第三高频开关S3与第一高频二极管D1使得串联谐振电路20形成回路。反向谐振状态的开关导通方式为：不管谐振电流Ir是正或负，关断第一高频开关S1、第二高频开关S2、第三高频开关S3、第四高频开关S4，当谐振电流是正时，第二高频二极管D2和第三高频二极管D3导通使得可调式串联谐振电路20向高频逆变器10输入侧回馈电能；当谐振电流为负时，第一高频二极管D1和第四高频二极管D4导通使得可调式串联谐振电路20向高频逆变器10的输入侧回馈电能。
进一步地，高频逆变器10的3种离散控制状态都在谐振电流Ir的过零点切换高频开关的状态，以使得开关损耗为零，开关频率为Lr-Cr1串联谐振频率，且3种离散控制状态的作用周期设定为Lr-Cr1串联谐振周期的一半。
所述的可调式串联谐振电路20包括：第一谐振电容器Cr1、第二谐振电容器Cr2、第五高频开关S5、谐振电感Lr(高频变压器Th的漏感包含其中)，第二谐振电容器Cr2与第五高频开关S5串联后和第一谐振电容器Cr1并联，谐振电感Lr、高频变压器Th与之串联连接，图1所示的实施例中，谐振电感Lr取1mH，第一谐振电容器Cr1取10nF，第二谐振电容器Cr2取100pF，第五高频开关S5关断时，谐振频率为50kHz，第五高频开关S5导通后，谐振频率为48kHz。
进一步地，第五高频开关S5导通时，第一谐振电容器Cr1与第二谐振电容器Cr2并联作为可调式串联谐振电路20的谐振电容，谐振电容的容量增加，谐振周期增大，其他条件不变，高频逆变器10的3种离散状态仍按第五高频开关S5关断时的Lr-Cr1谐振周期的一半作为作用周期，仍在谐振电流Ir的过零点切换开关管的状态，一种状态结束时下一个谐振电流Ir过零点还未到来，至下一个谐振电流过零点的间隔，关断高频逆变器10的4个高频开关S1、S2、S3、S4，如图2所示，IV为正向谐振和自由谐振，V为反向谐振和自由谐振。
高频逆变器10的3种离散状态如何确定，输出侧直流电压Uout与给定值Ucom比较，给定值Ucom设定滞环差值Ud，若输出侧直流电压Uout超出滞环差值上限(Ucom+ Ud)，高频逆变器10的下一时刻离散状态为反向谐振；若输出侧直流电压Uout低于滞环差值下限(Ucom- Ud)，高频逆变器10的下一时刻离散状态为正向谐振；若输出侧直流电压Uout在滞环差值范围内(Ucom- Ud ~ Ucom+ Ud)，高频逆变器10的下一时刻离散状态为自由谐振。下一时刻给定值Ucom(k)是根据上一时刻的输出侧直流电压Uout(k-1)与设定的最终电压值Uset得到：r[Uset - Uout(k-1)] + Uout(k-1)，r为电压变化系数，取值范围0.05 ~ 0.1，输出侧直流电压Uout达到设定的最终电压值Uset的95%后，下一时刻给定值Ucom为Uset，若连续两个离散状态都为正向谐振，而下一时刻的离散状态确定仍为正向谐振，那么下一时刻的离散状态强制为自由谐振。
进一步地，输出侧直流电压Uout达到设定的最终电压值Uset后，保持第五高频开关S5为导通状态，谐振电容器的容量增加，控制策略不变，第五高频开关S5导通后的输出侧直流电压与之前的直流侧输出电压比值的平方等于第一谐振电容器Cr1的容量和第一谐振电容器Cr1的容量与第二谐振电容器Cr2的容量之和的比值，如图1中的实施例，第五高频开关S5导通后的输出侧直流电压变为之前的直流侧输出电压的99.5%，若第五高频开关S5导通前的直流侧输出电压的波动误差为1%，那么第五高频开关S5导通后的直流侧输出电压的波动误差变为0.5%。
所述的高频变压器Th用于变换输入输出侧的电压，输入侧的漏感参与到可调式串联谐振电路20中。
所述的高频不可控整流器30包括：第五高频二极管D5、第六高频二极管D6、第七高频二极管D7、第八高频二极管D8，第五高频二极管D5与第六高频二极管D6串联，连接点与高频变压器Th的一侧相连接，第七高频二极管D7与第八高频二极管D8串联，连接点与高频变压器Th的另一侧相连接，上述二者串联后并联，在与输出侧电容器C2并联，输出高频整流后的直流电压Uout。
虽然已经在此图解和说明了本发明的特定特征，但是本领域内的技术人员可以进行许多修改和改变。因此，应当明白，所附的权利要求意欲涵盖落入本发明的真实精神的所有这些修改和改变。
Claims (5)
1.一种高精度的串联谐振高压电源(100)，采用谐振电容的微调功能与离散的谐振软开关控制技术结合，其特征在于包括：输入侧稳压电容器(C1)、高频逆变器(10)、可调式串联谐振电路(20)、高频变压器(Th)、高频不可控整流器(30)、输出侧稳压电容器(C2)，依次顺序连接组成；
所述的输入侧稳压电容器(C1)用于稳定输入电压(Uin)；
所述的高频逆变器(10)包括：第一高频开关(S1)、第一高频二极管(D1)、第二高频开关(S2)、第二高频二极管(D2)、第三高频开关(S3)、第三高频二极管(D3)、第四高频开关(S4)、第四高频二极管(D4)，第一高频开关(S1)与第一高频二极管(D1)反并联和第二高频开关(S2)与第二高频二极管(D2)反并联后串联连接，第三高频开关(S3)与第三高频二极管(D3)反并联和第四高频开关(S4)与第四高频二极管(D4)反并联后串联连接，上述两者并联连接，两个串联连接点与可调式串联谐振电路(20)相连接；
进一步地，高频逆变器(10)采用离散的控制方式，高频逆变器(10)输出的脉冲电压方向与谐振电流(Ir)方向相同，对谐振电流(Ir)起到加强作用，为正向谐振；高频逆变器(10)输出的脉冲电压方向与谐振电流(Ir)方向相反，使得谐振电流(Ir)减弱，为反向谐振；高频逆变器(10)输出脉冲电压为零，对谐振电流(Ir)无影响，为自由谐振；
进一步地，高频逆变器(10)的3种离散控制状态都在谐振电流(Ir)的过零点切换高频开关的状态，以使得开关损耗为零，开关频率为串联谐振(Lr-Cr1)频率，且3种离散控制状态的作用周期设定为串联谐振(Lr-Cr1)周期的一半；
所述的可调式串联谐振电路(20)包括：第一谐振电容器(Cr1)、第二谐振电容器(Cr2)、第五高频开关(S5)、谐振电感(Lr)，第二谐振电容器（Cr2)与第五高频开关(S5)串联后和第一谐振电容器(Cr1)并联，谐振电感(Lr)、高频变压器(Th)与之串联连接；
进一步地，第五高频开关(S5)导通时，第一谐振电容器(Cr1)与第二谐振电容器(Cr2)并联作为可调式串联谐振电路(20)的谐振电容，谐振电容的容量增加，谐振周期增大，其他条件不变，高频逆变器(10)的3种离散状态仍按第五高频开关(S5)关断时的谐振(Lr-Cr1)周期的一半作为作用周期，仍在谐振电流(Ir)的过零点切换开关管的状态，一种状态结束时下一个谐振电流(Ir)过零点还未到来，至下一个谐振电流过零点的间隔，关断高频逆变器(10)的4个高频开关(S1、S2、S3、S4)；
所述的高频变压器(Th)用于变换输入输出侧的电压，输入侧的漏感参与到可调式串联谐振电路(20)中；
所述的高频不可控整流器(30)用于将高频变压器(Th)输出的高频交流波形电压变换为直流电压；
所述的输出侧电容器(C2)用于稳定输出侧直流电压(Uout)。
2.根据权利要求1所述的串联谐振高压电源(100)，其特征是，高频逆变器(10)的3种离散控制状态，同一状态，谐振电流(Ir)的不同方向对应不同的开关导通方式，正向谐振状态的开关导通方式为：谐振电流(Ir)为正时，导通第一高频开关(S1)和第四高频开关(S4)；谐振电流(Ir)为负时，导通第二高频开关(S2)和第三高频开关(S3)；自由谐振状态的开关导通方式为：谐振电流(Ir)为正时，导通第一高频开关(S1)或第四高频开关(S4)，导通第一高频开关(S1)与第三高频二极管(D3)使得可调式串联谐振电路(20)形成回路，导通第四高频开关(S4)与第二高频二极管(D2)使得可调式串联谐振电路(20)形成回路；谐振电流(Ir)为负时，导通第二高频开关(S2)或第三高频开关(S3)，导通第二高频开关(S2)与第四高频二极管(D4)使得串联谐振电路(20)形成回路，导通第三高频开关(S3)与第一高频二极管(D1)使得串联谐振电路(20)形成回路；反向谐振状态的开关导通方式为：不管谐振电流(Ir)是正或负，关断第一高频开关(S1)、第二高频开关(S2)、第三高频开关(S3)、第四高频开关(S4)，当谐振电流(Ir)是正时，第二高频二极管(D2)和第三高频二极管(D3)导通使得可调式串联谐振电路(20)向高频逆变器(10)输入侧回馈电能；当谐振电流(Ir)为负时，第一高频二极管(D1)和第四高频二极管(D4)导通使得可调式串联谐振电路(20)向高频逆变器(10)的输入侧回馈电能。
3.根据权利要求1所述的串联谐振高压电源(100)，其特征是，高频逆变器(10)的3种离散状态的控制策略，输出侧直流电压(Uout)与给定值(Ucom)比较，给定值(Ucom)设定滞环差值范围，若输出侧直流电压(Uout)超出滞环差值上限，高频逆变器(10)的下一时刻离散状态为反向谐振；若输出侧直流电压(Uout)低于滞环差值下限，高频逆变器(10)的下一时刻离散状态为正向谐振；若输出侧直流电压(Uout)在滞环差值范围内，高频逆变器(10)的下一时刻离散状态为自由谐振。
4.根据权利要求3所述的串联谐振高压电源(100)，其特征是，给定值(Ucom)是根据上一时刻的输出侧直流电压(Uout)与设定的最终电压值(Uset)得到，若连续两个离散状态都为正向谐振，而下一时刻的离散状态确定仍为正向谐振，那么下一时刻的离散状态强制为自由谐振，以保护可调式串联谐振电路(20)和高频开关(S1、S2、S3、S4、S5)。
5.根据权利要求1所述的串联谐振高压电源(100)，其特征是，输出侧直流电压(Uout)达到设定的最终电压值(Uset)后，保持第五高频开关(S5)为导通状态，谐振电容器的容量增加，控制策略不变，第五高频开关(S5)导通后的输出侧直流电压与之前的直流侧输出电压比值的平方等于第一谐振电容器(Cr1)的容量和第一谐振电容器(Cr1)的容量与第二谐振电容器(Cr2)的容量之和的比值。
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