CN110138256B - 脉冲功率系统用lc谐振充电和回收电路及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及脉冲功率系统应用技术领域，公开了一种脉冲功率系统用LC谐振充电和回收电路及其工作方法。本发明中的脉冲功率系统用LC谐振充电和回收电路让LC谐振充电方案具有升压和降压工作能力，脉冲功率系统用LC谐振充电和回收电路的工作方法不仅可让LC谐振充电方案能够根据预设参数准确充电和放电，还增强了对供电电压波动和电感感量变化的适应能力；本发明在电路结构和工作方法上对传统LC谐振充电方案进行改进，不仅完善了功能使其更便于使用，还使其具有更小的体积和重量，充分发挥出LC谐振充电方案的电路结构简单、电能效率高、高重频时体积小等优点，有利于脉冲功率系统的小型化。

Description

脉冲功率系统用LC谐振充电和回收电路及其工作方法

技术领域

本发明涉及脉冲功率系统应用技术领域，特别是涉及一种脉冲功率系统用LC谐振充电和回收电路及其工作方法。

背景技术

高频谐振恒流充电方案具有输入电压适应性好、电气隔离、充电精度高和充电电压调节方便等优点，逐渐取代了早期用于脉冲功率系统中储能电容充电的LC谐振充电方案。随着技术的发展，脉冲功率系统向着高重复频率和小型化的方向发展，这种场合下的恒流充电方案的一些瓶颈问题也逐渐凸显出来：恒流充电方案的系统体积和重量与自身平均功率和开关频率有关，为了保持高重复频率时的充电精度和满足系统小型化的要求，恒流充电电源的开关频率需进一步提高，但其电能效率也将进一步降低且存在散热困难等问题；LC谐振充电方案具有电路结构简单、电能效率高、散热需求小和系统尺寸与重量随重复频率的提高而明显减小的特点，但现有的LC谐振充电方案具有的输入电压适应性差、充电一致性较差、调压不方便和晶闸管触发电路被干扰会导致系统损坏等严重不足限制了其特殊优点的应用。现有的LC谐振充电方案如图1所示，在电路结构方面，三相供电时为了稳定供电电压和抑制电流谐波，供电电路中需要大容量的滤波电容、滤波电抗器和软启动电路等，抵消了LC谐振充电方案结构简单对应的小体积优势，即在小型化方面存在不足；另外，在工作方法方面，现有的LC谐振充电的改进方案中通过在能量回收过程结束前提前开通充电开关S1的方式以实现升压和调压功能，不具备降压工作能力，且充电过程与回收过程存在耦合，使得控制电路的控制效果对供电稳定性、加速器电气参数与工作状态、检测与控制的响应速度和精度均具有较强的依赖性，在抗干扰性、容错性和通用性方面存在不足。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种改进的脉冲功率系统用LC谐振充电和回收电路及其工作方法。

本发明采用的技术方案是：

一种脉冲功率系统用LC谐振充电和回收电路，包括供电电路、充电和回收电路、加速器电路以及控制电路；所述的供电电路通过第一连接点P1和第二连接点P2与充电和回收电路电连接；所述的充电和回收电路通过第三连接点P3和第四连接点P4与加速器电路电连接；

所述的供电电路中包括输入整流桥；所述的输入整流桥的输出正极连接第一连接点P1，其输出负极连接第二连接点P2；在电网供电时，输入整流桥的三个交流输入端分别连接三相电网的a、b和c三相；在电池供电时，输入整流桥的任意两个输入端分别连接电池的正极和负极；

所述的加速器电路包括储能电容C1、晶闸管S3和变压器T；所述的储能电容C1的两端分别与第三连接点P3和第四连接点P4电连接；所述的变压器T的一端通过晶闸管S3与第四连接点P3电连接，其另一端与第四连接点电P4连接。

作为优选，所述的充电和回收电路包括保险管F1、充电开关S1、续流二极管D1、充电电感L1、回收二极管D2、回收复用电感L12、升压开关S2、单向二极管D4和防反二极管D3；所述的保险管F1的一端电连接第一连接点P1，其另一端电连接充电开关S1的一端；所述的充电开关S1的一端电连接保险管F1的一端，其另一端电连接续流二极管D1的阴极和充电电感L1的一端；所述的续流二极管D1的阳极电连接第二连接点P2，其阴极电连接充电开关S1和充电电感L1的一端；所述的充电电感L1的一端电连接续流二极管D1的阴极和充电开关S1的一端，其另一端电连接回收二极管D2的阴极和回收复用电感L12的一端；所述的回收二极管D2的阳极电连接第二连接点P2，其阴极电连接充电电感L1的一端和回收复用电感L12的一端；所述的回收复用电感L12的一端电连接回收二极管D2的阴极和充电电感L1的一端，其另一端电连接升压开关S2的正极和防反二极管D3的阳极；所述的升压开关S2的正极电连接回收复用电感L12的一端和防反二极管D3的阳极，其负极通过单向二极管D4电连接第二连接点P2；所述的单向二极管D4的阴极电连接升压开关S2的负极，其阳极电连接第二连接点P2；所述的防反二极管D3的阳极电连接升压开关S2的正极和回收复用电感L12的一端，其阴极电连接第三连接点P3；第四连接点P4与第二连接点P2电连接。

作为优选，所述的控制电路包括控制器，还包括与控制器电连接的驱动电路、电压采样电路1、电压采样电路2和电流采样电路；所述的控制器通过驱动电路分别与加速器电路中的晶闸管S3的受控端、充电和回收电路中的充电开关S1的受控端和升压开关S2的受控端电连接；所述的电压采样电路1的正极与第一连接点P1电连接，其负极与第二连接点P2电连接，电压采样电路1的输出端与控制器的AD1端口电连接；所述的电压采样电路2的正极与第三连接点P3电连接，其负极与第二连接点P4电连接，电压采样电路2的输出端与控制器的AD2端口电连接；所述的电流采样电路的取样端取自第二连接点P2的线路电流，其输出端与控制器的AD3端口电连接；所述的控制器通过COM端口与上位机通信连接。

作为优选，所述的控制器包括通信模块、重复运行模块、放电时序模块、充电算法和时序控制模块以及保护模块；所述的通信模块用于实现控制器与上位机之间的信息交互；所述的重复运行模块用于以重复频率状态输出触发信号1并计数；所述的充电算法和时序控制模块在触发信号1到来时计算出充电开关S1和升压开关S2的工作时间，按照时序执行对充电开关S1和升压开关S2的控制并计时，当计时时间达到预设的充电时间后输出触发信号2；所述的放电时序模块在触发信号2到来时进行计时，当计时时间达到预设的触发延时时间后输出放电开关信号对晶闸管S3进行控制；所述的保护模块用于根据电压采样电路2反馈的储能电容C1的电压、电压采样电路1反馈的供电电压、电流采样电路反馈的供电电流、预设充电电压、放电开关信号及充电开关信号综合判断产生用于故障停机的停止触发信号。

上述脉冲功率系统用LC谐振充电和回收电路的工作方法，所述的控制器与上位机通信连接，包括以下步骤：

S1.控制器实时获取并向上位机发送供电电压、供电电流、储能电容C1电压和控制电路运行状态；

S2.控制器获取来自上位机的预设充电时间、预设触发延迟、预设充电电压、预设重复频率及预设脉冲个数并存储，并实时获取来自上位机的单次充电指令、单次放电指令、重频运行指令或停止运行指令；

S3.控制器获取到单次充电指令后，发送信号至充电和回收电路中的充电开关S1和升压开关S2的受控端，然后完成单次充电操作；

S4.控制器获取到单次放电指令后，发送信号至加速器电路中的晶闸管S3的受控端，然后完成单次放电操作；

S5.控制器获取到重频运行指令后，控制器根据预设重复频率及预设脉冲个数运行，并按照预设时序发送信号至加速器电路中的晶闸管S3的受控端、充电和回收电路中的充电开关S1和升压开关S2的受控端，直至控制器的脉冲计数数值小于预设脉冲个数后，则完成本次重频运行操作；

S6.控制器获取到停止运行指令后，控制器关闭所有的输出的状态，同时关闭发送至充电和回收电路以及加速器电路的控制信号，完成停机操作；

S7.控制器的保护模块实时运行，当检测到故障后输出停止触发信号后，进行步骤S6。

作为优选，所述的步骤S3中，完成单次充电操作的步骤如下：

S301.控制器在供电电压和储能电容C1的电压初始值的条件下，根据准谐振能将储能电容C1充到的最高电压与上位机发送的预设充电电压进行比较，当储能电容C1能充到的最高电压高于预设充电电压时，确定本次充电处于降压工作模式，否则本次充电处于升压工作模式；

S302.当处于降压工作模式时，控制器先输出充电开关信号CTR1至充电开关S1的受控端，此时供电电路经保险管F1、充电开关S1、充电电感L1、回收复用电感L12和防反二极管D3向储能电容C1谐振充电；当充电开关S1的开通时间达到t2后，控制器停止输出充电开关信号CTR1至充电开关S1的受控端，充电开关S1关断，此时充电电感L1和回收复用电感L12中的电流经续流二极管D1向储能电容C1继续谐振充电；升压开关S2在降压充电过程中始终处于关断状态；

S303.当处于升压工作模式时，控制器先同步输出充电开关信号CTR1至充电开关S1的受控端，及升压开关信号CTR2至升压开关S2的受控端，此时供电电路经保险管F1、充电开关S1和升压开关S2对充电电感L1和回收复用电感L12进行充电；当升压开关S2的开通时间达到t1后，控制器停止输出升压开关信号CTR2至升压开关S2，此时供电电路经保险管F1、充电开关S1、充电电感L1、回收复用电感L12和防反二极管D3向储能电容C1谐振充电；当充电开关S1的开通时间达到t2后，控制器停止输出充电开关信号CTR1至充电开关S1的受控端，充电开关S1关断，此时充电电感L1和回收复用电感L12中的电流经续流二极管D1向储能电容C1继续谐振充电。

作为优选，所述的步骤S302和S303中，充电开关S1的开通时间t2与升压开关S2的开通时间t1的值，根据稳定的供电电压、储能电容C1的初始电压、预设充电电压和谐振电路特性计算得到理论值，或根据供电电路提供的总能量与储能电容C1需要补充的能量的比较结果得到理论值；其中供电电路提供的总能量为供电电压和供电电流乘积对时间的积分值，储能电容C1需要补充的能量为预设充电电压下的储能电容C1存储能量与初始状态下存储能量的差值。

作为优选，所述的步骤S5中，完成本次重频运行操作的具体步骤如下：

S501.重复运行模块根据预设重复频率定时向充电算法和时序控制模块输出触发信号1并开始计数；

S502.充电算法和时序控制模块在接收到触发信号1后开始计时，并按照步骤S3完成单次充电操作；当计时时间达到预设的充电时间后，关闭充电开关S1的充电开关信号CTR1和升压开关S2的升压开关信号CTR2，并输出触发信号2至放电时序模块；

S503.放电时序模块在接收到触发信号2后开始计时，当计时时间达到预设的触发延迟后输出放电触发信号CTR3至晶闸管S3的受控端；

S504.步骤S503中完成放电触发后，当重复运行模块中的脉冲计数值小于预设脉冲个数时，继续输出触发信号1，并重复步骤S502和步骤503；当重复运行模块中的脉冲计数值大于预设脉冲个数时，停止输出触发信号1，完成本次重频运行操作。

作为优选，所述的步骤S7中，故障识别功能的具体方式如下：

S701.在充电开关信号CTR1有效期间，判断由电压采样电路2产生的取样电压2是否出现负斜率且负斜率值超过预设值，若是则输出“提前触发”故障信号；

S702.在充电开关信号CTR1有效期间，判断取样电压2是否高于预设充电电压且高于最高限定值，若是则输出“过压”故障信号；

S703.在放电触发信号CTR3产生时刻，判断取样电压2是否低于预设充电电压且低于最低限定值，若是则输出“未充满”故障信号；

S704.在放电触发信号CTR3产生时刻之后延时预定时间，判断此时取样电压2是否低于预设充电电压且低于最低限定值，若不是则输出“触发失败”故障信号；

S705.在控制电路上电后，判断由电压采样电路1产生的取样电压1是否在预定范围内，若不是则输出“供电异常”故障信号；

S706.在控制电路上电后，判断由电流采样电路产生的取样电流是否超过预定范围，若是则输出“过流”故障信号。

本发明的有益效果为：

本发明中的脉冲功率系统用LC谐振充电和回收电路让LC谐振充电方案具有升压和降压工作能力，本发明中脉冲功率系统用LC谐振充电和回收电路的工作方法不仅可让LC谐振充电方案能够根据预设参数准确充电和放电，还增强了对供电电压波动和电感感量变化的适应能力；本发明在电路结构和工作方法上对传统LC谐振充电方案进行改进，不仅完善了功能使其更便于使用，还使其具有更小的体积和重量，充分发挥出LC谐振充电方案的电路结构简单、电能效率高、高重频时体积小等优点，有利于脉冲功率系统的小型化。

附图说明

图1是现有技术的电路原理图；

图2是本发明的电路原理图；

图3是本发明中控制器的功能框图；

图4是本发明在降压工作模式下的单次工作波形示意图；

图5是本发明在升压工作模式下的单次工作波形示意图；

图6是本发明在重频工作时的波形示意图；

图7是本发明在降压区间的充电过程对应的轨迹状态图；

图8是本发明在升压区间在第一阶段和第二阶段的充电状态图；

图9是本发明中三相电压380V时整流后的电压波形图；

图10是本发明基于瞬时参数比较的控制功能框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。

实施例1：

如图2所示，一种脉冲功率系统用LC谐振充电和回收电路，包括供电电路、充电和回收电路、加速器电路以及控制电路；供电电路通过第一连接点P1和第二连接点P2与充电和回收电路电连接；充电和回收电路通过第三连接点P3和第四连接点P4与加速器电路电连接；

供电电路中包括输入整流桥；输入整流桥的输出正极连接第一连接点P1，其输出负极连接第二连接点P2；在电网供电时，输入整流桥的三个交流输入端分别连接三相电网的a、b和c三相；在电池供电时，输入整流桥的任意两个输入端分别连接电池的正极和负极；

加速器电路包括储能电容C1、晶闸管S3和变压器T；储能电容C1的两端分别与第三连接点P3和第四连接点P4电连接；变压器T的一端通过晶闸管S3与第四连接点P3电连接，其另一端与第四连接点电P4连接。

本实施例中，变压器T次级的一端接机壳，因而供电电路(电网供电时)需要与变压器T的次级之间电气隔离，而变压器T本身就是电气隔离的变压器，因而作为供电电路与加速器电路中间级的LC谐振充电与回收电路不必要求电气隔离，只要让LC谐振充电与回收电路和变压器T的初级引线端子与机壳相绝缘即可。

本实施例中，充电和回收电路包括保险管F1、充电开关S1、续流二极管D1、充电电感L1、回收二极管D2、回收复用电感L12、升压开关S2、单向二极管D4和防反二极管D3；保险管F1的一端电连接第一连接点P1，其另一端电连接充电开关S1的一端；充电开关S1的一端电连接保险管F1的一端，其另一端电连接续流二极管D1的阴极和充电电感L1的一端；续流二极管D1的阳极电连接第二连接点P2，其阴极电连接充电开关S1和充电电感L1的一端；充电电感L1的一端电连接续流二极管D1的阴极和充电开关S1的一端，其另一端电连接回收二极管D2的阴极和回收复用电感L12的一端；回收二极管D2的阳极电连接第二连接点P2，其阴极电连接充电电感L1的一端和回收复用电感L12的一端；回收复用电感L12的一端电连接回收二极管D2的阴极和充电电感L1的一端，其另一端电连接升压开关S2的正极和防反二极管D3的阳极；升压开关S2的正极电连接回收复用电感L12的一端和防反二极管D3的阳极，其负极通过单向二极管D4电连接第二连接点P2；单向二极管D4的阴极电连接升压开关S2的负极，其阳极电连接第二连接点P2；防反二极管D3的阳极电连接升压开关S2的正极和回收复用电感L12的一端，其阴极电连接第三连接点P3；第四连接点P4与第二连接点P2电连接。

本实施例中，充电开关S1和升压开关S2均为IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，IGBT综合了电力晶体管和电力场效应晶体管的优点，具有良好的特性，IGBT代替晶闸管能够在故障时通过关断充电开关的方式避免故障扩散。控制器经相应驱动电路通过对充电开关S1和升压开关S2的开通与关断控制，让LC谐振充电和回收电路具有降压和升压工作能力。

本实施例中，控制电路包括控制器，还包括与控制器电连接的驱动电路、电压采样电路1、电压采样电路2和电流采样电路；控制器通过驱动电路分别与加速器电路中的晶闸管S3的受控端、充电和回收电路中的充电开关S1的受控端和升压开关S2的受控端电连接；电压采样电路1的正极与第一连接点P1电连接，其负极与第二连接点P2电连接，电压采样电路1的输出端与控制器的AD1端口电连接；电压采样电路2的正极与第三连接点P3电连接，其负极与第二连接点P4电连接，电压采样电路2的输出端与控制器的AD2端口电连接；电流采样电路的取样端取自第二连接点P2的线路电流，其输出端与控制器的AD3端口电连接；控制器通过COM端口与上位机通信连接。

本实施例中，由于脉冲功率系统用LC谐振充电和回收电路具有升降压和调压的能力，其在不同的充电电压需求或者在运行期间供电电压变化时，均可通过对电路中开关的精确控制使得输出电压稳定在预设充电电压值。另外，能量回收过程与充电过程相互独立，在储能电容C1的电压充到预期值并触发加速器电路中的晶闸管S3后，储能电容C1向变压器T放电，由于变压器T存在漏感，最终储能电容C1上的电压极性发生反转并经回收二极管D2和回收复用电感L12形成谐振形式的能量回收过程，当谐振电流回0时，能量回收过程结束。再者，回收过程中回收复用电感L12作为回收复用电感，而在充电过程中充电电感L1和回收复用电感L12相串联作为总充电电感，通过对回收复用电感L12的复用，在总充电电感需求一定的条件下可以减小充电电感L1的电感量，从而有助于减小充电系统的体积和重量。

如图3所示，本实施例中，控制器包括通信模块、重复运行模块、放电时序模块、充电算法和时序控制模块以及保护模块；通信模块用于实现控制器与上位机之间的信息交互；重复运行模块用于以重复频率状态输出触发信号1并计数；充电算法和时序控制模块在触发信号1到来时计算出充电开关S1和升压开关S2的工作时间，按照时序执行对充电开关S1和升压开关S2的控制并计时，当计时时间达到预设的充电时间后输出触发信号2；放电时序模块在触发信号2到来时进行计时，当计时时间达到预设的触发延时时间后输出放电开关信号对晶闸管S3进行控制；保护模块用于根据电压采样电路2反馈的储能电容C1的电压、电压采样电路1反馈的供电电压、电流采样电路反馈的供电电流、预设充电电压、放电开关信号及充电开关信号综合判断产生用于故障停机的停止触发信号。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上，提供了实施例1中用于脉冲功率系统用LC谐振充电和回收电路的工作方法，控制器与上位机通信连接，由此实现控制器与上位机的数据交互，包括以下步骤：

S1.控制器实时获取并向上位机发送供电电压、供电电流、储能电容C1电压和控制电路运行状态；

S2.控制器获取来自上位机的预设充电时间、预设触发延迟、预设充电电压、预设重复频率及预设脉冲个数并存储，并实时获取来自上位机的单次充电指令、单次放电指令、重频运行指令或停止运行指令；

S3.控制器获取到单次充电指令后，发送信号至充电和回收电路中的充电开关S1和升压开关S2的受控端，然后完成单次充电操作；

本实施例中，完成单次充电操作的步骤如下：

S301.控制器在供电电压和储能电容C1的电压初始值的条件下，根据准谐振能将储能电容C1充到的最高电压与上位机发送的预设充电电压进行比较，当储能电容C1能充到的最高电压高于预设充电电压时，确定本次充电处于降压工作模式，否则本次充电处于升压工作模式；

S302.当处于降压工作模式时，控制器先输出充电开关信号CTR1至充电开关S1的受控端，此时供电电路经保险管F1、充电开关S1、充电电感L1、回收复用电感L12和防反二极管D3向储能电容C1谐振充电；当充电开关S1的开通时间达到t2后，控制器停止输出充电开关信号CTR1至充电开关S1的受控端，充电开关S1关断，此时充电电感L1和回收复用电感L12中的电流经续流二极管D1向储能电容C1继续谐振充电；控制器通过对充电开关S1的准确控制可以实现降压工作模式下储能电容C1电压的准确调节；升压开关S2在降压充电过程中始终处于关断状态。本实施例中，降压工作模式下的单次工作波形示意图如图4所示。

S303.当处于升压工作模式时，控制器先同步输出充电开关信号CTR1至充电开关S1的受控端，及升压开关信号CTR2至升压开关S2的受控端，此时供电电路经保险管F1、充电开关S1和升压开关S2对充电电感L1和回收复用电感L12进行充电；当升压开关S2的开通时间达到t1后，控制器停止输出升压开关信号CTR2至升压开关S2，此时供电电路经保险管F1、充电开关S1、充电电感L1、回收复用电感L12和防反二极管D3向储能电容C1谐振充电；当充电开关S1的开通时间达到t2后，控制器停止输出充电开关信号CTR1至充电开关S1的受控端，充电开关S1关断，此时充电电感L1和回收复用电感L12中的电流经续流二极管D1向储能电容C1继续谐振充电。控制器通过对升压开关S2的准确控制可以调节谐振充电过程的初始电流值，控制器通过对充电开关S1的准确控制可以修正储能电容C1的最终电压。本实施例中，升压工作模式下的单次工作波形示意图如图5所示。

本实施例中，步骤S302和S303中，充电开关S1的开通时间t2与升压开关S2的开通时间t1的值，既可以根据稳定的供电电压、储能电容C1的初始电压、预设充电电压和谐振电路特性计算得到理论值，或根据供电电路提供的总能量与储能电容C1需要补充的能量的比较结果得到理论值，根据供电电路提供的总能量与储能电容C1需要补充的能量的比较结果产生时，可增强对供电电压和电感感量变化的适应性。其中供电电路提供的总能量为供电电压和供电电流乘积对时间的积分值，储能电容C1需要补充的能量为预设充电电压下的储能电容C1存储能量与初始状态下存储能量的差值；为了起到保护作用，在充电过程中进行计时，当计时时间达到预设的充电时间后，强制让充电开关S1和升压开关S2处于关断状态；由于充电过程的持续时间总是不超过准谐振时间，即充电电感L1、回收复用电感L12和储能电容C1的谐振周期的一半，因而预设的充电时间略大于准谐振时间即可。

S4.控制器获取到单次放电指令后，发送信号至加速器电路中的晶闸管S3的受控端，然后完成单次放电操作；

S5.控制器获取到重频运行指令后，控制器根据预设重复频率及预设脉冲个数运行，并按照预设时序发送信号至加速器电路中的晶闸管S3的受控端、充电和回收电路中的充电开关S1和升压开关S2的受控端，直至控制器的脉冲计数数值小于预设脉冲个数后，则完成本次重频运行操作；

本实施例中，完成本次重频运行操作的具体步骤如下：

S501.重复运行模块根据预设重复频率定时向充电算法和时序控制模块输出触发信号1并开始计数；

S502.充电算法和时序控制模块在接收到触发信号1后开始计时，并按照步骤S3完成单次充电操作；当计时时间达到预设的充电时间后，关闭充电开关S1的充电开关信号CTR1和升压开关S2的升压开关信号CTR2，并输出触发信号2至放电时序模块；

S503.放电时序模块在接收到触发信号2后开始计时，当计时时间达到预设的触发延迟后输出放电触发信号CTR3至晶闸管S3的受控端；

S504.步骤S503中完成放电触发后，当重复运行模块中的脉冲计数值小于预设脉冲个数时，继续输出触发信号1，并重复步骤S502和步骤503；当重复运行模块中的脉冲计数值大于预设脉冲个数时，停止输出触发信号1，完成本次重频运行操作。

重频工作时的波形示意图如图6所示。

S6.控制器获取到停止运行指令后，控制器关闭所有的输出的状态，同时关闭发送至充电和回收电路以及加速器电路的控制信号，完成停机操作；

S7.控制器的保护模块实时运行，当检测到故障后输出停止触发信号后，进行步骤S6。

本实施例中，故障识别功能的具体方式如下：

S701.在充电开关信号CTR1有效期间，判断由电压采样电路2产生的取样电压2是否出现负斜率且负斜率值超过预设值，若是则输出“提前触发”故障信号；

S702.在充电开关信号CTR1有效期间，判断取样电压2是否高于预设充电电压且高于最高限定值，若是则输出“过压”故障信号；

S703.在放电触发信号CTR3产生时刻，判断取样电压2是否低于预设充电电压且低于最低限定值，若是则输出“未充满”故障信号；

S704.在放电触发信号CTR3产生时刻之后延时预定时间，判断此时取样电压2是否低于预设充电电压且低于最低限定值，若不是则输出“触发失败”故障信号；

S705.在控制电路上电后，判断由电压采样电路1产生的取样电压1是否在预定范围内，若不是则输出“供电异常”故障信号；

S706.在控制电路上电后，判断由电流采样电路产生的取样电流是否超过预定范围，若是则输出“过流”故障信号。

需要说明的是，以上的判断条件中的阈值均可根据实际情况选取。

本实施例中，完成单次充电操作的步骤S3中，充电开关S1和升压开关S2的控制逻辑和算法为本发明的核心，具体如下：

1.供电电压稳定时的算法

思路：根据供电电压E和储能电容C1电压初始值U₀，按照准谐振时能够得到的充电电压U_M作为判断条件，当此电压高于预设的充电电压U_set时，升压开关应处于关断状态，仅通过对充电开关的关断时刻进行控制即可实现对充电电压的调节；反之，仅需对升压开关进行准确控制即可在升压区间内实现对充电电压的调节；本推导过程中取供电电压为稳定值E，充电电感L(L1与L12串联值)的感量是稳定的，不随电流值变化。

升降压区间判断依据U_M值为：

U_M＝2E-U₀ 式(1)

定义储能电容C1电压为u_c，定义充电开关关断时刻为t_x且此时储能电容C1电压为U_x，定义充电电流瞬时值为i，定义充电电感L与储能电容C1组成的谐振电路的特征阻抗为Z。

(1)降压时的控制算法：

降压区间的充电过程对应的轨迹状态图如图7所示；充电初期，闭合充电开关S1，谐振电路在激励源E的激励下形成l₁轨迹，持续一段时间(t2)后充电开关S1关断，电感电流经续流二极管D₁续流并形成轨迹l₂，根据谐振充电过程中的能量守恒可得如下关系式：

根据充电期间的电荷量关系可得：

联立式(2)和式(3)可得：

2E(U_x-U₀)＝U² _set-U² ₀ 式(4)

由式(4)可得充电开关S1关断时刻的储能电容C1电压U_x表达式为：

如果采用根据储能电容C1电压值实时比较的方式关断充电开关S1，则式(5)已经得到切换时刻的电压，算法到此结束；如果采用时间量t2控制，则在获得U_x之后还需要后续的转换过程，根据图7中的几何关系可得：

根据θ＝ωt可得切换时间t2表达式为：

t₂＝θ/ω 式(7)

在实际控制时，充电开关S1仅需开通由式(7)提供的时间值，之后开关关断，储能电容C1电压最终谐振到期望的预设充电电压值；由于充电电感和储能电容C1值一定，即谐振角频率ω一定，因而可以直接通过查表法由

值得到t2值，以简化转换过程。

(2)升压时的控制算法：

升压区间时，在充电0时刻，先同时开通充电开关S1和升压开关S2，此时激励源E通过S1和S2向充电电感L充电，此阶段为一阶电路特性，保持一段时间到t1时刻且充电电感电流为I_y时关断升压开关S2，充电开关S1则保持到充电过程结束，S2关断后的过程为二阶谐振电路特性；升压区间在第一阶段和第二阶段的充电状态图如图8所示，其中图8(a)为升压区间在第一阶段的充电状态图，图8(b)为升压区间在和第二阶段的充电状态图。

由图8(b)中的几何关系(直角三角形)可知，为了能将储能电容C1电压充高到预设充电电压，第二阶段的初始电流I_y需求为：

如果采用根据充电电感电流值实时比较的方式关断升压开关S2，则式(8)已经得到关断时刻的电流，算法到此结束；如果采用时间量t1对升压开关S2进行控制，则在获得I_y之后还需要后续的转换过程：

第一阶段的充电电流表达式为：

i＝Et/L(0≤t≤ty) 式(9)

在升压开关S2关断时刻t1的电感电流I_y值为：

I_y＝Et_y/L 式(10)

联合式(10)和式(8)可得升压开关的关断时刻t1为：

充电开关S1的关断时间t2不做严格要求，只要比实际充电时间长即可，可取充电电感L与储能电容C1谐振周期的一半。

带磁芯电感相对于空心电感具有更小的体积、重量和损耗，只是通常电感量会随电流的不同而变化，为了将带磁芯电感用于LC谐振充电方案中以减小充电电感的尺寸、重量和损耗，需要在算法上进行优化；

升压开关S2闭合期间充电电感中储存的能量为：

W_S2＝0.5*L*I_y ² 式(12)

结合式(12)和式(8)可得：

W_S2＝0.5*L*[(U_set-E)²-(E-U₀)²]/Z²＝0.5*(U_set-U₀)(U_set+U₀-2E)C 式(13)

如果采用电流瞬时值比较的方法控制升压开关S2，则可以根据式(8)得到比较条件；如果采用能量瞬时值比较的方法，则可以根据式(13)得到能量比较条件；当处于升压区间时，由于此时得到的W_S2为负值，因而能量比较结果是升压开关S2总是处于关断状态；由于能量表达式(13)中不包含有具体的电感参数，对于谐振充电谐振过程中能够适应电感量发生一定程度的变化，即能量比较法具有对电感更广泛的适应性。

2.供电电压不稳定时的算法

LC谐振充电电路在三相供电时在充电期间供电电压会出现大幅变化，此时上述的算法将不成立，为此需要对算法进行适应性方面的优化。

思路：由于充电开关S1可以提前关断以控制多余能量，因而可按照充电期间供电的最低或平均电压进行升压开关S2的控制，并在充电过程中实时计算激励源提供的总能量，当达到总能量需求时再关断充电开关S1；在实际的谐振充电过程中会存在升压开关S2和充电开关S1同时参与切换的情况。

本发明中三相电压(380V)供电时整流桥后的电压波形图如图9所示，由于本发明电路中取消了大容量的母线滤波电容，因而对于控制算法而言，供电电压在充电期间必然是变化的；取电网瞬时电压的平均值作为计算升压开关S2关断时刻所需的等效供电电压E，从而得到升降压区间判断结果，当处于升压区间时，根据式(11)得到升压开关S2S2的控制参数t1，而充电开关S1则根据实时供电电压与供电电流乘积对时间的积分值与负载的能量需求进行比较，当实时的积分值等于储能电容的能量需求时，则关断充电开关S1；当处于降压区间时，升压开关S2的持续开通时间为0，充电开关S1的关断控制方式不变；基于瞬时参数比较的控制功能框图如图10所示，其中图10(a)为时间控制与瞬时参数比较控制结合的控制功能框图，图10(b)为瞬时参数控制的控制功能框图，具有对电感感量变化的适应能力。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种脉冲功率系统用LC谐振充电和回收电路，其特征在于：包括供电电路、充电和回收电路、加速器电路以及控制电路；所述的供电电路通过第一连接点P1和第二连接点P2与充电和回收电路电连接；所述的充电和回收电路通过第三连接点P3和第四连接点P4与加速器电路电连接；

所述的供电电路中包括输入整流桥；所述的输入整流桥的输出正极连接第一连接点P1，其输出负极连接第二连接点P2；在电网供电时，输入整流桥的三个交流输入端分别连接三相电网的a、b和c三相；在电池供电时，输入整流桥的任意两个输入端分别连接电池的正极和负极；

所述的加速器电路包括储能电容C1、晶闸管S3和变压器T；所述的储能电容C1的两端分别与第三连接点P3和第四连接点P4电连接；所述的变压器T的一端通过晶闸管S3与第四连接点P3电连接，其另一端与第四连接点电P4连接；

所述的充电和回收电路包括保险管F1、充电开关S1、续流二极管D1、充电电感L1、回收二极管D2、回收复用电感L12、升压开关S2、单向二极管D4和防反二极管D3；所述的保险管F1的一端电连接第一连接点P1，其另一端电连接充电开关S1的一端；所述的充电开关S1的一端电连接保险管F1的一端，其另一端电连接续流二极管D1的阴极和充电电感L1的一端；所述的续流二极管D1的阳极电连接第二连接点P2，其阴极电连接充电开关S1和充电电感L1的一端；所述的充电电感L1的一端电连接续流二极管D1的阴极和充电开关S1的一端，其另一端电连接回收二极管D2的阴极和回收复用电感L12的一端；所述的回收二极管D2的阳极电连接第二连接点P2，其阴极电连接充电电感L1的一端和回收复用电感L12的一端；所述的回收复用电感L12的一端电连接回收二极管D2的阴极和充电电感L1的一端，其另一端电连接升压开关S2的正极和防反二极管D3的阳极；所述的升压开关S2的正极电连接回收复用电感L12的一端和防反二极管D3的阳极，其负极通过单向二极管D4电连接第二连接点P2；所述的单向二极管D4的阴极电连接升压开关S2的负极，其阳极电连接第二连接点P2；所述的防反二极管D3的阳极电连接升压开关S2的正极和回收复用电感L12的一端，其阴极电连接第三连接点P3；第四连接点P4与第二连接点P2电连接；

所述脉冲功率系统用LC谐振充电和回收电路用于向储能电容C1进行谐振充电。

2.根据权利要求1所述的脉冲功率系统用LC谐振充电和回收电路，其特征在于：所述的控制电路包括控制器，还包括与控制器电连接的驱动电路、电压采样电路1、电压采样电路2和电流采样电路；所述的控制器通过驱动电路分别与加速器电路中的晶闸管S3的受控端、充电和回收电路中的充电开关S1的受控端和升压开关S2的受控端电连接；所述的电压采样电路1的正极与第一连接点P1电连接，其负极与第二连接点P2电连接，电压采样电路1的输出端与控制器的AD1端口电连接；所述的电压采样电路2的正极与第三连接点P3电连接，其负极与第二连接点P4电连接，电压采样电路2的输出端与控制器的AD2端口电连接；所述的电流采样电路的取样端取自第二连接点P2的线路电流，其输出端与控制器的AD3端口电连接；所述的控制器通过COM端口与上位机通信连接。

3.根据权利要求2所述的脉冲功率系统用LC谐振充电和回收电路，其特征在于：所述的控制器包括通信模块、重复运行模块、放电时序模块、充电算法和时序控制模块以及保护模块；所述的通信模块用于实现控制器与上位机之间的信息交互；所述的重复运行模块用于以重复频率状态输出触发信号1并计数；所述的充电算法和时序控制模块在触发信号1到来时计算出充电开关S1和升压开关S2的工作时间，按照时序执行对充电开关S1和升压开关S2的控制并计时，当计时时间达到预设的充电时间后输出触发信号2；所述的放电时序模块在触发信号2到来时进行计时，当计时时间达到预设的触发延时时间后输出放电开关信号对晶闸管S3进行控制；所述的保护模块用于根据电压采样电路2反馈的储能电容C1的电压、电压采样电路1反馈的供电电压、电流采样电路反馈的供电电流、预设充电电压、放电开关信号及充电开关信号判断产生用于故障停机的停止触发信号。

4.根据权利要求3所述的脉冲功率系统用LC谐振充电和回收电路的工作方法，其特征在于：所述的控制器与上位机通信连接，包括以下步骤：

S1.控制器实时获取并向上位机发送供电电压、供电电流、储能电容C1电压和控制电路运行状态；

S2.控制器获取来自上位机的预设充电时间、预设触发延迟、预设充电电压、预设重复频率及预设脉冲个数并存储，并实时获取来自上位机的单次充电指令、单次放电指令、重频运行指令或停止运行指令；

S3.控制器获取到单次充电指令后，发送信号至充电和回收电路中的充电开关S1和升压开关S2的受控端，然后完成单次充电操作；

S4.控制器获取到单次放电指令后，发送信号至加速器电路中的晶闸管S3的受控端，然后完成单次放电操作；

S5.控制器获取到重频运行指令后，控制器根据预设重复频率及预设脉冲个数运行，并按照预设时序发送信号至加速器电路中的晶闸管S3的受控端、充电和回收电路中的充电开关S1和升压开关S2的受控端，直至控制器的脉冲计数数值小于预设脉冲个数后，则完成本次重频运行操作；

S6.控制器获取到停止运行指令后，控制器关闭所有的输出的状态，同时关闭发送至充电和回收电路以及加速器电路的控制信号，完成停机操作；

S7.控制器的保护模块实时运行，当检测到故障后输出停止触发信号后，进行步骤S6。

5.根据权利要求4所述的脉冲功率系统用LC谐振充电和回收电路的工作方法，其特征在于：所述的步骤S3中，完成单次充电操作的步骤如下：

S301.控制器在供电电压和储能电容C1的电压初始值的条件下，根据准谐振能将储能电容C1充到的最高电压与上位机发送的预设充电电压进行比较，当储能电容C1能充到的最高电压高于预设充电电压时，确定本次充电处于降压工作模式，否则本次充电处于升压工作模式；

S302.当处于降压工作模式时，控制器先输出充电开关信号CTR1至充电开关S1的受控端，此时供电电路经保险管F1、充电开关S1、充电电感L1、回收复用电感L12和防反二极管D3向储能电容C1谐振充电；当充电开关S1的开通时间达到t2后，控制器停止输出充电开关信号CTR1至充电开关S1的受控端，充电开关S1关断，此时充电电感L1和回收复用电感L12中的电流经续流二极管D1向储能电容C1继续谐振充电；升压开关S2在降压充电过程中始终处于关断状态；

S303.当处于升压工作模式时，控制器先同步输出充电开关信号CTR1至充电开关S1的受控端，及升压开关信号CTR2至升压开关S2的受控端，此时供电电路经保险管F1、充电开关S1和升压开关S2对充电电感L1和回收复用电感L12进行充电；当升压开关S2的开通时间达到t1后，控制器停止输出升压开关信号CTR2至升压开关S2，此时供电电路经保险管F1、充电开关S1、充电电感L1、回收复用电感L12和防反二极管D3向储能电容C1谐振充电；当充电开关S1的开通时间达到t2后，控制器停止输出充电开关信号CTR1至充电开关S1的受控端，充电开关S1关断，此时充电电感L1和回收复用电感L12中的电流经续流二极管D1向储能电容C1继续谐振充电。

6.根据权利要求5所述的脉冲功率系统用LC谐振充电和回收电路的工作方法，其特征在于：所述的步骤S302和S303中，充电开关S1的开通时间t2与升压开关S2的开通时间t1的值，根据稳定的供电电压、储能电容C1的初始电压、预设充电电压和谐振电路特性计算得到理论值，或根据供电电路提供的总能量与储能电容C1需要补充的能量的比较结果得到理论值；其中供电电路提供的总能量为供电电压和供电电流乘积对时间的积分值，储能电容C1需要补充的能量为预设充电电压下的储能电容C1存储能量与初始状态下存储能量的差值。

7.根据权利要求4所述的脉冲功率系统用LC谐振充电和回收电路的工作方法，其特征在于：所述的步骤S5中，完成本次重频运行操作的具体步骤如下：

S501.重复运行模块根据预设重复频率定时向充电算法和时序控制模块输出触发信号1并开始计数；

S502.充电算法和时序控制模块在接收到触发信号1后开始计时，并按照步骤S3完成单次充电操作；当计时时间达到预设的充电时间后，关闭充电开关S1的充电开关信号CTR1和升压开关S2的升压开关信号CTR2，并输出触发信号2至放电时序模块；

S503.放电时序模块在接收到触发信号2后开始计时，当计时时间达到预设的触发延迟后输出放电触发信号CTR3至晶闸管S3的受控端；

S504.步骤S503中完成放电触发后，当重复运行模块中的脉冲计数值小于预设脉冲个数时，继续输出触发信号1，并重复步骤S502和步骤503；当重复运行模块中的脉冲计数值大于预设脉冲个数时，停止输出触发信号1，完成本次重频运行操作。

8.根据权利要求4所述的脉冲功率系统用LC谐振充电和回收电路的工作方法，其特征在于：所述的步骤S7中，故障识别功能的具体方式如下：

S701.在充电开关信号CTR1有效期间，判断由电压采样电路2产生的取样电压2是否出现负斜率且负斜率值超过预设值，若是则输出“提前触发”故障信号；

S702.在充电开关信号CTR1有效期间，判断取样电压2是否高于预设充电电压且高于最高限定值，若是则输出“过压”故障信号；

S703.在放电触发信号CTR3产生时刻，判断取样电压2是否低于预设充电电压且低于最低限定值，若是则输出“未充满”故障信号；

S704.在放电触发信号CTR3产生时刻之后延时预定时间，判断此时取样电压2是否低于预设充电电压且低于最低限定值，若不是则输出“触发失败”故障信号；

S705.在控制电路上电后，判断由电压采样电路1产生的取样电压1是否在预定范围内，若不是则输出“供电异常”故障信号；

S706.在控制电路上电后，判断由电流采样电路产生的取样电流是否超过预定范围，若是则输出“过流”故障信号。

Images