CN107040022A - 一种分段线性电容器恒流充电电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分段线性电容器恒流充电电源，包括原边全桥串联谐振模块、副边整流模块、测量采样模块、双闭环控制模块、控制器和驱动模块；所述测量采样模块由用于采样电流的霍尔电流环和用于采样电压的第一分压电阻器R1、第二分压电阻器R2组成；所述双闭环控制模块采用电压和电流双闭环反馈方式；所述控制器连接双闭环控制模块和驱动模块，用于将电源充电划分为快速充电区域和软充电区域，控制死区时间产生驱动信号及开机充电关机停充操作；所述驱动模块连接控制器和原边全桥串联谐振模块。本发明可以实现分段线性恒流充电，可以有效地防止充电过压，使电源在不失充电速率的条件下提高充电的精度，满足本领域技术人员的不同要求。
Description
技术领域
本发明属于高压电容充电技术领域，具体为一种分段线性电容器恒流充电电源。
背景技术
传统能源系统一般以电容器作为核心储能装置，因此对电容器充电电源的研究具有重要的价值和意义。
目前，串联谐振电容器充电电源，简称串联谐振CCPS，因其具有抗负载短路能力强、输出电流恒定的优点，在高压电容充电领域得到了广泛的应用。在高重复频率充电场合，串联谐振CCPS常常采用欠谐振工作方式，工作于欠谐振方式下的串联谐振CCPS具有易于实现零电流开通关断、平均充电电流恒定的特点，可以有效的减少开关损耗和电磁干扰，特别适用于高重复频率充电场合。但是，这种电源大多采用开环的方式直接充电，充电电流的速率无法得到控制。特别地，在大电流充电时，由于充电速率特别快，会造成充电电压过冲，导致能源系统的达值精度降低，甚至损坏能源系统。
发明内容
本发明为了解决现有电容器充电电源在快速充电时精度不高和过充的问题，提供一种分段线性电容器恒流充电电源。
技术方案如下：
一种分段线性电容器恒流充电电源，包括原边全桥串联谐振模块、副边整流模块、测量采样模块、双闭环控制模块、控制器和驱动模块；所述原边全桥串联谐振模块由第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、谐振电感Lr、谐振电容Cr组成；所述副边整流模块由第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3、第四整流二极管D4、储能电容器Cq组成；所述测量采样模块由用于采样电流的霍尔电流环Rwsi和用于采样电压的第一分压电阻器R1、第二分压电阻器R2组成，霍尔电流环串联在原边全桥串联谐振模块的谐振电路中；第一分压电阻器R1、第二分压电阻器R2串联后并联于副边整流模块的储能电容器Cq两端；所述双闭环控制模块连接测量采样模块和控制器，采用电压和电流双闭环反馈方式，用于将测量采样模块采集的采样电流、采样电压送入控制器；所述控制器连接双闭环控制模块和驱动模块，用于将电源充电划分为快速充电区域和软充电区域，控制死区时间产生驱动信号及开机充电关机停充操作；所述驱动模块连接控制器和原边全桥串联谐振模块，用于将控制器产生的驱动信号放大并传送至原边全桥串联谐振模块。
所述双闭环控制模块还包括用于产生达值信号的电压比较器，电压比较器输出端与控制器相连，输入端连接至第一分压电阻R1和第二分压电阻R2串联的中间，电压比较器的输入端还连接有电源充电参考电压Uref。
所述控制器还用于将软充电区域划分成n段，n大于1。
一种分段线性电容器恒流充电电路，包括由4个功率开关管S1～S4及4个二极管D5～D8组成的全桥逆变电路，LC谐振电路，变压器T，由4个二极管D1～D4组成的全桥整流电路，储能电容器Cq，由霍尔电流环Rwsi，第一分压电阻器R1、第二分压电阻器R2和电压比较器组成的反馈电路及由控制器和驱动器组成的控制电路，直流电源正极接全桥逆变电路第一功率开关管S1、第二功率开关管S2漏极，直流电源负极接全桥逆变电路第三功率开关管S3、第四功率开关管S4的源极；第一功率开关管S1的源极接第三功率开关管S3的漏极、第二功率开关管S2的源极接第四功率开关管S4的漏极；第一至第四二极管D5～D8分别反并联在第一至第四功率开关管S1～S4的漏极和源极上；第一功率开关管S1的源极依次连接谐振电感Lr、变压器T原边线圈、谐振电容Cr后连接至第二功率开关管S2的源极；反馈电路中的霍尔电流环Rwsi串联在谐振电路中，霍尔电流环Rwsi的输出端连接至控制电路的控制器中；变压器T的副边接全桥整流电路的交流输入端，全桥整流电路的直流输出端接储能电容器Cq的两端，反馈电路的第一分压电阻器R1、第二分压电阻器R2串联后并联在储能电容器Cq的两端；第一分压电阻器R1、第二分压电阻器R2之间引出接线连接至电压比较器的一个输入端，电压比较器的另一个输入端接电源充电参考电压Uref，电压比较器的输出端接入控制电路的控制器中，控制电路的控制器连接驱动器使用总线输出四路控制电路分别连接至第一至第四功率开关管S1～S4的栅极。
所述全桥逆变电路中的第一至第四功率开关管S1～S4为N沟道增强型场效应管。
所述控制电路中的驱动器的驱动芯片型号为IR2112。
与传统技术相比，本发明采用电压电流双闭环反馈的技术方案，可以对充电速率进行分段控制实现分段线性恒流充电，可以有效地防止充电过压，同时使电源在不失充电速率的条件下提高充电的精度，满足本领域技术人员的不同要求。
附图说明
图1为一种分段线性电容器恒流充电电源的结构示意图。
图2为本发明一个实施方式的控制流程图。
图3为本发明一个实施方式和传统电源充电效果对比图。
图中，T：升压变压器；S1～S4：第一至第四功率开关管；D5～D8：第一至第四二极管；Lr：谐振电感；Cr：谐振电容；D1～D4：第一至第四整流二极管；Cq：储能电容器；R1，R2：第一，第二分压电阻器；Uq：采样电压；ir：采样电流；Rwsi：霍尔电流环；DZXH：达值信号；Uref：电源充电参考电压；Controller：控制器；Driver：驱动模块。
图3中，A：传统电源充电技术充电曲线；B：本发明一个实施例充电曲线；Q_C：快速充电区域；S_C1：软充电区域1；S_C2：软充电区域2；S_C3：软充电区域3。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，现结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种分段线性电容器恒流充电电源，包括原边全桥串联谐振模块、副边整流模块、测量采样模块、双闭环控制模块、控制器和驱动模块；所述原边全桥串联谐振模块由第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、谐振电感Lr、谐振电容Cr组成；所述副边整流模块由第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3、第四整流二极管D4、储能电容器Cq组成；所述测量采样模块由用于采样电流的霍尔电流环Rwsi和用于采样电压的第一分压电阻器R1、第二分压电阻器R2组成，霍尔电流环串联在原边全桥串联谐振模块的谐振电路中；第一分压电阻器R1、第二分压电阻器R2串联后并联于副边整流模块的储能电容器Cq两端；所述双闭环控制模块连接测量采样模块和控制器，采用电压和电流双闭环反馈方式，用于将测量采样模块采集的采样电流、采样电压送入控制器；所述控制器连接双闭环控制模块和驱动模块，用于将电源充电划分为快速充电区域和软充电区域，控制死区时间产生驱动信号及开机充电关机停充操作；所述驱动模块连接控制器和原边全桥串联谐振模块，用于将控制器产生的驱动信号放大并传送至原边全桥串联谐振模块。
所述双闭环控制模块还包括用于产生达值信号的电压比较器，电压比较器输出端与控制器相连，输入端连接至第一分压电阻R1和第二分压电阻R2串联的中间，电压比较器的输入端还连接有电源充电参考电压Uref。
测量采样模块利用第一分压电阻器R1、第二分压电阻器R2采集采样电压Uq，利用霍尔电流环采集采样电流ir，双闭环控制模块一方面将采样电压Uq、采样电流ir直接传送给控制器，控制器设置电源充电参考电压Uref、初始充电电流Iavg，划分快速充电区域和软充电区域的区域限位电压Us1，控制器根据采样电压Uq和软充电区域限位电压Us1的比较结果来判断电源充电所属的区域，进而逐渐改变死区时间减小充电电流，死区时间的改变是控制器根据初始充电电流Iavg和采样电流ir之间的误差信号进行PI控制实现的，通过发送驱动信号经驱动模块放大后驱动原边全桥串联谐振模块工作，改变充电电流以使充电电压平稳的达到电源充电参考电压值，实现分段线性恒流充电的功能；另一方面通过电压比较器将采样电压Uq与电源充电参考电压Uref进行比较，当采样电压Uq大于电源充电参考电压Uref时产生达值信号DZXH输入控制器，控制器接收到达值信号DZXH进行关机停充操作。
在电源充电初期设置采样电压Uq＝[0，Us1]为快速充电区域，其中，Us1＝k*Uref；k为快充系数0<k<1，Uref为电源充电参考电压，设定较小死区时间，采用大电流充电。当采样电压Uq>Us1时，电源充电进入软充电区域，控制器把软充电区域划分成n段，设定各段区域限位电压值为Us1，Us2…Usn，控制器通过增大死区时间使每段区域的充电电流逐渐减小，逐渐降低充电速率，使充电电压平稳的达到电源充电参考电压值，从而改变充电电流的大小以此达到改变充电速率的目的。具体死区时间由本领域技术人员根据实际确定。初始充电电流Iavg大小与死区时间td的关系如式(1)所示。
式中，Cr、Lr、Ui分别为谐振电容、谐振电感、输入电压。
霍尔电流环采样充电电流ir，由初始充电电流Iavg和采样电流ir可得到误差信号如式(2)所示。
e(t)＝Iavg-ir
(2)
死区时间通过式(3)所示的PI控制进行调整以实现线性恒流充电的功能。
式中，Kp为比例系数，TI为积分系数。
控制器根据由式(3)所示的死区时间td和由式(4)所示的导通时间tr为串联谐振电路产生所需的驱动信号，时间如式(5)所示，从而实现分段线性充电。
TD＝td+tr
(5)
具体实施例如下：如图1、图2所示，本实施例一种分段线性电容器恒流充电电源采用了一种分段线性电容器恒流充电电路。设定直流电源Ui＝320V，第一至第四功率开关管S1～S4选型为N沟道增强型场效应管，变压器T变比为40，谐振电感Lr的值为40uH，谐振电容Cr的值为0.1uF构成串联谐振回路，D1～D4组成全桥整流电路，D5～D8为第一至第四二极管，Cq为储能电容器，驱动器驱动芯片的型号为IR2112。
首先，对控制器进行初始化操作，设置电源充电参考电压Uref和初始充电电流Iavg，对充电区域进行划分。设置电源充电参考电压Uref＝9kV，Iavg＝15A，快充系数k＝0.67，那么软充电区域限位电压Us1＝6kV，Uq＝[0，6kV]为快速充电区域，在该区域内充电电流一直保持最大值。当采样电压Uq超过软充电区域限位电压Us1时电源进入软充电区域，将软充电区域划分成3段：软充1：Us1<Uq<Us2，软充2：Us2<Uq<Us3，软充3：Us3<Uq<Uref，3个区域的限位电压值分别为Us1＝6kV、Us2＝7kV、Us3＝8kV。
然后，开机将采样电压Uq和设定的电源充电参考电压Uref、3个软充电区域限位电压值Us1，Us2，Us3分别作比较，判断电源处于充电区域的哪个阶段，在快速充电区域，控制器选取较小死区时间td＝3us，使充电电流保持较大值，快速充电，根据上述公式可得谐振时间tr＝25us，驱动时间TD＝28us。当进入软充电区域，控制器判断进入软充电区域的哪个阶段，控制每段区域内的死区时间逐渐增大，充电电流逐渐减小，逐渐降低充电的速率，使充电电压平稳的达到电源充电参考电压值，从而提高充电的精度。当电源进入软充1区域时，调整死区时间td＝5us，设定初始充电电流Iavg＝13A；当电源进入软充2区域时，调整死区时间td＝8us，设定初始充电电流Iavg＝10A；当电源进入软充3区域时，调整死区时间td＝10us，设定初始充电电流Iavg＝8A；当采样电压Uq大于等于电源充电参考电压Uref＝9kV时，双闭环控制模块产生达值信号DZXH送入控制器，控制器接收到达值信号进行关机停充操作。
本发明一个实施例的充电效果如图3中的B曲线所示，与传统电源充电技术相比如图3中的A曲线所示，本发明提供的分段线性电容器充电电源可实现分段线性充电，在充电初期，电容电压快速上升与传统充电一致。在充电末期，电容电压上升速度逐渐降低，实现平稳达值的目的。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种分段线性电容器恒流充电电源，包括原边全桥串联谐振模块、副边整流模块、测量采样模块、双闭环控制模块、控制器和驱动模块；所述原边全桥串联谐振模块由第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、谐振电感Lr、谐振电容Cr组成；所述副边整流模块由第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3、第四整流二极管D4、储能电容器Cq组成；其特征在于：所述测量采样模块由用于采样电流的霍尔电流环Rwsi和用于采样电压的第一分压电阻器R1、第二分压电阻器R2组成，霍尔电流环串联在原边全桥串联谐振模块的谐振电路中；第一分压电阻器R1、第二分压电阻器R2串联后并联于副边整流模块的储能电容器Cq两端；所述双闭环控制模块连接测量采样模块和控制器，采用电压和电流双闭环反馈方式，用于将测量采样模块采集的采样电流、采样电压送入控制器；所述控制器连接双闭环控制模块和驱动模块，用于将电源充电划分为快速充电区域和软充电区域，控制死区时间产生驱动信号及开机充电关机停充操作；所述驱动模块连接控制器和原边全桥串联谐振模块，用于将控制器产生的驱动信号放大并传送至原边全桥串联谐振模块。
2.根据权利要求1所述的一种分段线性电容器恒流充电电源，其特征在于：所述双闭环控制模块还包括用于产生达值信号的电压比较器，电压比较器输出端与控制器相连，输入端连接至第一分压电阻R1和第二分压电阻R2串联的中间，电压比较器的输入端还连接有电源充电参考电压Uref。
3.根据权利要求1或2所述的一种分段线性电容器恒流充电电源，其特征在于：所述控制器还用于将软充电区域划分成n段，n大于1。
4.一种分段线性电容器恒流充电电路，包括由4个功率开关管S1～S4及4个二极管D5～D8组成的全桥逆变电路，LC谐振电路，变压器T，由4个二极管D1～D4组成的全桥整流电路，储能电容器Cq，由霍尔电流环Rwsi，第一分压电阻器R1、第二分压电阻器R2和电压比较器组成的反馈电路及由控制器和驱动器组成的控制电路，其特征在于：直流电源正极接全桥逆变电路第一功率开关管S1、第二功率开关管S2漏极，直流电源负极接全桥逆变电路第三功率开关管S3、第四功率开关管S4的源极；第一功率开关管S1的源极接第三功率开关管S3的漏极、第二功率开关管S2的源极接第四功率开关管S4的漏极；第一至第四二极管D5～D8分别反并联在第一至第四功率开关管S1～S4的漏极和源极上；第一功率开关管S1的源极依次连接谐振电感Lr、变压器T原边线圈、谐振电容Cr后连接至第二功率开关管S2的源极；反馈电路中的霍尔电流环Rwsi串联在谐振电路中，霍尔电流环Rwsi的输出端连接至控制电路的控制器中；变压器T的副边接全桥整流电路的交流输入端，全桥整流电路的直流输出端接储能电容器Cq的两端，反馈电路的第一分压电阻器R1、第二分压电阻器R2串联后并联在储能电容器Cq的两端；第一分压电阻器R1、第二分压电阻器R2之间引出接线连接至电压比较器的一个输入端，电压比较器的另一个输入端接电源充电参考电压Uref，电压比较器的输出端接入控制电路的控制器中，控制电路的控制器连接驱动器使用总线输出四路控制电路分别连接至第一至第四功率开关管S1～S4的栅极。
5.根据权利要求4所述的一种分段线性电容器恒流充电电路，其特征在于：所述全桥逆变电路中的第一至第四功率开关管S1～S4为N沟道增强型场效应管。
6.根据权利要求4或5所述的一种分段线性电容器恒流充电电路，其特征在于：所述控制电路中的驱动器的驱动芯片型号为IR2112。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| AD01 | Patent right deemed abandoned |
Effective date of abandoning: 20240802 |
|
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