CN107968556B - 直流高压电源降压装置、方法及直流高压电源和其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直流高压电源降压装置、方法及直流高压电源和其应用。本发明的直流高压电源降压装置具有输出电压状态，以及放电降压状态；于输出电压状态时，控制单元控制各电压输出支路中的放电负载和电压输出模块断开，以使各电压输出模块由电源升压充电模块充电，并输出共同构成输出电压的输出分电压；于目标电压低于输出电压的放电降压状态下，控制单元依据输出电压和目标电压的电压差对应的放电负载的数量N，控制N路电压输出支路中的电压输出模块和放电负载导通以放电。采用本发明的方案，由于多个电压输出支路的设置，使单个放电负载承受压差减小，提高了整体的放电性能。

Description

直流高压电源降压装置、方法及直流高压电源和其应用
技术领域
本发明涉及直流高压电源技术领域，特别涉及一种直流高压电源降压装置。同时，本发明还涉及一种直流高压电源的降压方法，以及具有该降压装置的直流高压电源及直流高压电源的应用。
背景技术
在直流高压电源的供电系统中，除了保持直流高压电源的供电作用外，在某些场合，直流高压电源的输出电压会发生变化，此时需要降压以达到目标电压值。如在汽车智能悬架控制系统中，当路面平整度发生变化时，MCU产生激励信号控制直流高压电源产生0到4000V驱动电压，驱动电流变液阻尼器实现智能减震。汽车行进中，路面状况瞬息万变，为了达到良好减震效果，需要高压电源快速驱动电流变液阻尼器改变阻尼效果。由于电流变液阻尼器为电压驱动，需要高压直流电源响应频率达到10Hz以上。同时，由于路面状况复杂，可能会出现很大坑洼，要求直流高压电源输在0V到4000V范围内跳变。从0V升压到4000V，现有开关电源技术不难办到，难点在于从4000V到0V的降压过程。由于负载较轻，只靠直流高压电源放电降压非常缓慢，放电时间在10s以上，无法满足要求，因此需要主动对直流高压电源进行快速降压。
现有技术的实现方案中，大致分为两种，其一是直流高压电源自放电，其二是在高压电源和地之间连接制动电阻进行辅助放电。现有技术缺点主要有：一是功耗大：如果采取自放电模式，需要在输出端增加固定负载，消耗固定功率；二是成本高：如果采取单电阻放电，开关制动电阻的MOS管耐压要在4500V以上，价格昂贵。三是降压效果难控制：由于电容放电过程非完全线性，为实现定量放电，采取定时方式或者分段控制，效果都不好。四是危险性较大：在4000V降到0V时，设放电电阻为5K(太大放电时间长)，瞬电流达到0.8A，功率3200W，超过一般制动电阻功率，存在安全隐患。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种直流高压电源降压装置，以实现对直流高压电源进行定量、快速、安全放电，将电压降到目标值。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种直流高压电源降压装置，构建直流高压电源的输出电压与目标电压的电路控制关联，以将所述输出电压降压至所述目标电压，所述输出电压由外部电源升压充电模块产生，其特征在于，所述直流高压电源降压装置包括：
控制单元，所述电源升压充电模块在所述控制单元的控制下，将所述控制单元的输入电压升压后输出；
电压输出单元，与所述电源升压充电模块串联；所述电压输出单元由多个串联设置的、经由所述控制单元控制的电压输出支路组成；各所述电压输出支路包括串联设置的电压输出模块、放电负载和功率开关，所述放电负载通过所述控制单元控制的功率开关，构成与所述电压输出模块的导通或断开；
所述直流高压电源降压装置具有输出电压状态，以及放电降压状态；于输出电压状态时，所述控制单元控制各所述电压输出支路中的所述放电负载和所述电压输出模块断开，以使各所述电压输出模块由所述电源升压充电模块充电，并输出共同构成所述输出电压的输出分电压；于所述目标电压低于所述输出电压的放电降压状态下，所述控制单元依据所述输出电压和所述目标电压的电压差对应的所述放电负载的数量N，控制N路所述电压输出支路中的所述电压输出模块和所述放电负载导通以放电，从而将所述输出电压降压至所述目标电压。
进一步的，各所述电压输出模块输出的输出分电压相等。
进一步的，所述电压输出模块为电容，所述放电负载为功率电阻，所述功率开关为开关MOS管。
进一步的，所述控制单元向所述电源升压充电模块输入的输入电压为0～3.3V。
进一步的，所述输出电压的范围为0-4000V。
进一步的，在所述放电降压状态下，所述控制单元控制N路所述电压输出支路中的所述电压输出模块和所述放电负载轮流导通以放电。
进一步的，所述电源升压充电模块包括与所述电压输出模块构成充电关联的变压器。
本发明同时提供了一种用于如上所述的直流高压电源降压装置的直流高压电源降压方法，该方法包括如下步骤：
输出电压步骤，由控制单元控制各电压输出支路中的放电负载和电压输出模块断开，以使各电压输出模块由电源升压充电模块充电，并输出共同构成输出电压的输出分电压；
放电步骤，于目标电压低于所述输出电压时，由所述控制单元依据所述输出电压和所述目标电压的电压差对应的所述放电负载的数量N，控制N路所述电压输出支路中的所述电压输出模块和所述放电负载导通以放电。
进一步的，输出电压步骤中，各所述电压输出模块输出的输出分电压相等。
进一步的，放电步骤中，所述控制单元控制N路所述电压输出支路中的所述电压输出模块和所述放电负载轮流导通以放电。
此外，本发明提供了一种直流高压电源，该直流高压电源加载有如上所述的直流高压电源降压装置。
如上所述的直流高压电源，应用于具有电流变液阻尼器的汽车智能悬架控制系统中，所述直流高压电源用于产生不同的驱动电压以驱动所述电流变液阻尼器实现减震。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
(1)采用本发明的直流高压电源降压装置，通过设置多个电压输出支路，并在每个电压输出支路上增设可控的放电负载，使整个降压装置在控制单元的控制下，可以将输出电压直接快速降压到目标电压。
(2)采用本发明实施例的直流高压电源降压装置，提高放电电量的精确度，因为电容放电曲线中，放电速度随时间变化逐渐减缓，对于采取单电阻放电的降压装置，无法做到等时间放等量电，难以实现精确放电；而本发明实施例通过多个电压输出支路的设置，多个放电负载并联放电，单个放电负载承受压差减小，放电过程更接近线性，从而提高了整体放电性能。
(3)本发明实施例通过设置多个电压输出电路，在控制单元的控制下每次智能开启部分功率开关和放电负载，避免了每次开启所有功率开关和放电负载，有效延长装置的使用寿命。
(4)相对于现有的单电阻放电，其开关制动电阻的MOS管耐压要在4500V以上，价格昂贵。根据本发明实施例的直流高压电源降压装置，通过设置n个电压输出电路，每个电压输出电路中的功率开关管仅需1/n的耐压性能即可，大大降低成本。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例一所述的直流高压电源降压装置系统连接框图；
图2为本发明基于实施例一所述的直流高压电源降压装置下的其中一种降压方法流程框图；
图3为本发明基于实施例一所述的直流高压电源降压装置下的另一种降压方法流程框图；
图4为图3所述的放电效果曲线图。
附图标记说明：
1-控制单元
2-电源升压充电模块
3-电压输出单元
301-电压输出支路
3011-电压输出模块
3012-放电负载
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例一
本实施例涉及一种直流高压电源降压装置，用以构建直流高压电源的输出电压与目标电压的电路控制关联，以将输出电压降压至目标电压，如图1所示，电源升压充电模块2作为直流高压电源的主要部件，用于产生输出电压。该直流高压电源降压装置主要包括控制单元1和电压输出单元3。
如上整体结构中，控制单元1作为整个直流高压电源降压装置的控制部分，其可以采用MCU，以在实现控制的同时，向电源升压充电模块2输入0～3.3V的模拟量电压，以驱动电源升压充电模块2能够输出0-4000V的输出电压Vout。
电源升压充电模块2为开关电源升压电路，其可以采用现有的常规结构，如在组成上，可包括开关驱动芯片、高频开关MOS管、变压器、输入输出电压比较器等。电源升压充电模块2能够在控制单元1的控制下，将控制单元1的输入电压升压后输出。
电压输出单元3，与电源升压充电模块2串联，其用于将电源升压充电模块2的输出电压分为多路，以最终形成输出电压Vout；同时，电压输出单元3还可以实现降压功能。具体来讲，如图1所示，电压输出单元3由多个串联设置的电压输出支路301组成。每个电压输出支路301包括串联设置的电压输出模块3011、放电负载3012和功率开关K，放电负载3012通过控制单元1控制的功率开关K，构成与电压输出模块3011的导通或断开。
如上的整体结构，使得直流高压电源降压装置具有输出电压状态，以及放电降压状态；于输出电压状态时，控制单元1控制各电压输出支路301中的放电负载3012和电压输出模块3011断开，以使各电压输出模块3011由电源升压充电模块2充电，并输出共同构成所述输出电压的输出分电压；于目标电压低于输出电压的放电降压状态下，控制单元1依据输出电压和目标电压的电压差对应的放电负载3012的数量N，控制N路电压输出支路301中的电压输出模块3011和放电负载3012导通以放电，从而将输出电压降压至目标电压。
基于如上整体结构及整体设计思想，图1示出了本实施例的直流高压电源降压装置系统连接框图。依据该连接框图，可以看出，本实施例的电压输出单元3包括n路电压输出支路301，为了便于清楚表示，图1进行了省略式的图示表达，仅示出了四路电压输出支路301。
每路电压输出支路301包括作为电压输出模块3011的电容C，如第一路的电容C1,第二路的电容C2,第(n-1)路的电容Cn-1，以及第n路的电容Cn。同时，每路电压输出支路301还包括作为放电负载3012的电阻R，如第一路的电阻R1,第二路的电阻R2,第(n-1)路的电阻Rn-1，以及第n路的电阻Rn。各路中的电阻均为功率电阻，且各路中的电阻均通过开关K接到电容C的两端，如电阻R1通过K1接到电容C1的两端，电阻R2通过K2接到电容C2的两端等。为了便于控制单元对开关K的控制，各开关K均采用MOS管，这样，在整个装置的输出电压状态时，控制单元1控制各开关K，使得电阻R和电容C处于非导通的断开状态，而在放电状态时，控制单元1控制确定好的N路电压输出支路中的开关K，导通该支路中的电阻R和电容C，以放电。
由如上描述可以看出，n路电压输出支路中的电容C，与电源升压充电模块2中一组变压器的副边线圈相连，一组副边线圈对一个电容充电，充电完成时，每个电容电压为输出分电压VOUTn，如第一路电压输出支路301的输出分电压为VOUT1，第二路为VOUT2，第n-1路为VOUTn-1，第n路为VOUTn。在输出电压状态时，各路的输出分电压之和，则构成了最终的输出电压VOUT。而在需要放电时，根据目标电压和输出电压之差Vdiff，由控制单元1选取输出分电压之和能够等于Vdiff的几个电压输出支路301，导通这些电压输出支路301的电阻和电容，实现放电，即可使输出电压达到目标电压值。
由此可见，在设置电压输出支路数量时，可根据实际情况进行设定具体的电压输出支路数量，以达到便于控制的效果。
此外，为了进一步提高放电控制效果，可以使各电压输出支路301中的电容C及电阻R均相同，这样，各电压输出支路301的输出分电压VOUTn均相同。在放电选取时，设当前输出电压为Vouta,目标电压值为Voutb(Vouta>Voutb),放电电压差Vdiff＝(Vouta-Voutb)。此时每个电容两端的电压为Vouta/n,即每个电阻两端电压为Vouta/n。设需要导通的放电电阻数目为N，N＝(Vdiff/Vouta/n)＝n*(1-Voutb/Vouta)。此时，MCU只需打开任意N个开关连通N个电阻即可将电压降到指定值。
基于如上实施例的整体结构以及工作原理，图2示出了其中的一种控制方法，该方法包括如下步骤：
输出电压步骤，由控制单元1控制各电压输出支路中的放电负载和电压输出模块3011断开，以使各电压输出模块由电源升压充电模块充电，并输出共同构成输出电压的输出分电压Vout；
放电步骤，由控制单元1对输出电压进行采样，当目标电压Voutb低于输出电压Vouta时，由控制单元1依据输出电压和目标电压的电压差Vdiff＝(Vouta-Voutb)，以及每个电压输出支路301中的电阻的放电电压Vouta/n，计算需要导通的放电电阻数量N，N＝(Vdiff/Vouta/n)＝n*(1-Voutb/Vouta)，控制N路所述电压输出支路中的所述电压输出模块3011和所述放电负载3012导通以放电。
为了进一步的提高放电效果，图3示出了基于实施例一所述的直流高压电源降压装置下的另一种降压方法流程框图；由图3所示，其与图2所示基本相同，不同之处在于在该方法的放电步骤中，控制单元1控制N路所述电压输出支路301中的电压输出模块3011和放电负载3012，以时间间隔t导通以放电。通过该设置，可以减小瞬时放电电流，进一步实现精确放电，其放电过程中，电压与时间的曲线关系示意，如图4所示。由图4可以看出，由于该装置可以多个电阻的任意组合，多个电阻并联放电，单个电阻承受压差减小，放电过程更接近线性，放电精度较好。
采用本发明的技术方案，由于采用多级电阻放电，尤其是以时间间隔t导通N个放电电阻的控制方法，单个放电电阻开启的时间可以由MCU随意决定，MCU采取分时放电方式，以等差时间间隔开启多个电阻，大大减小最大放电电流，减小放电电流对系统的冲击，提高系统的稳定性。
本发明的技术方案，可以应用于直流高压电源上。具体的，对直流高压电压加载根据本发明实施例的直流高压电源降压装置。而该直流高压电源，也可以应用在具有电流变液阻尼器的汽车智能悬架控制系统中。其中，该直流高压电源用于产生不同的驱动电压以驱动电流变液阻尼器实现智能减震。此时，由于汽车智能悬架控制系统在工作中，放电MOS管将频繁开启，放电电阻和MOS管在高电压和大电流反复冲击下，寿命有限，但由于本装置采用开关MOS管和放电电阻整列连接，MCU根据算法，每次轮流开启部分MOS管和放电电阻，而不需要每次打开所有开关MOS管和放电电阻，有效延长了装置使用寿命。并且，本发明实施例的直流高压电源降压装置，通过多个电压输出支路的设置，多个放电负载并联放电，单个放电负载承受压差减小，放电过程更接近线性，从而提高了整体放电性能，故能够实现对直流高压电源的快速降压。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (12)

1.一种直流高压电源降压装置，构建直流高压电源的输出电压与目标电压的电路控制关联，以将所述输出电压降压至所述目标电压，所述输出电压由外部电源升压充电模块产生，其特征在于，所述直流高压电源降压装置包括：
控制单元，所述电源升压充电模块在所述控制单元的控制下，将所述控制单元的输入电压升压后输出；
电压输出单元，与所述电源升压充电模块串联；所述电压输出单元由多个串联设置的、经由所述控制单元控制的电压输出支路组成；各所述电压输出支路包括串联设置的电压输出模块、放电负载和功率开关，所述放电负载通过所述控制单元控制的功率开关，构成与所述电压输出模块的导通或断开；
所述直流高压电源降压装置具有输出电压状态，以及放电降压状态；于输出电压状态时，所述控制单元控制各所述电压输出支路中的所述放电负载和所述电压输出模块断开，以使各所述电压输出模块由所述电源升压充电模块充电，并输出共同构成所述输出电压的输出分电压；于所述目标电压低于所述输出电压的放电降压状态下，所述控制单元依据所述输出电压和所述目标电压的电压差对应的所述放电负载的数量N，控制N路所述电压输出支路中的所述电压输出模块和所述放电负载导通以放电，从而将所述输出电压降压至所述目标电压。
2.根据权利要求1所述的直流高压电源降压装置，其特征在于：各所述电压输出模块输出的输出分电压相等。
3.根据权利要求1所述的直流高压电源降压装置，其特征在于：所述电压输出模块为电容，所述放电负载为功率电阻，所述功率开关为开关MOS管。
4.根据权利要求1所述的直流高压电源降压装置，其特征在于：所述控制单元向所述电源升压充电模块输入的输入电压为0～3.3V。
5.根据权利要求1所述的直流高压电源降压装置，其特征在于：所述输出电压的范围为0-4000V。
6.根据权利要求1所述的直流高压电源降压装置，其特征在于：在所述放电降压状态下，所述控制单元控制N路所述电压输出支路中的所述电压输出模块和所述放电负载轮流导通以放电。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的直流高压电源降压装置，其特征在于：所述电源升压充电模块包括与所述电压输出模块构成充电关联的变压器。
8.一种用于权利要求1至7中任一项所述的直流高压电源降压装置的直流高压电源降压方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
输出电压步骤，由控制单元控制各电压输出支路中的放电负载和电压输出模块断开，以使各电压输出模块由电源升压充电模块充电，并输出共同构成输出电压的输出分电压；
放电步骤，于目标电压低于所述输出电压时，由所述控制单元依据所述输出电压和所述目标电压的电压差对应的所述放电负载的数量N，控制N路所述电压输出支路中的所述电压输出模块和所述放电负载导通以放电。
9.根据权利要求8所述的直流高压电源降压方法，其特征在于：输出电压步骤中，各所述电压输出模块输出的输出分电压相等。
10.根据权利要求8所述的直流高压电源降压方法，其特征在于：放电步骤中，所述控制单元控制N路所述电压输出支路中的所述电压输出模块和所述放电负载轮流导通以放电。
11.一种直流高压电源，其特征在于：该直流高压电源加载有如权利要求1至7中任一项所述的直流高压电源降压装置。
12.一种如权利要求11所述的直流高压电源的应用，其特征在于应用于具有电流变液阻尼器的汽车智能悬架控制系统中，所述直流高压电源用于产生不同的驱动电压以驱动所述电流变液阻尼器实现减震。
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