CN110690817A - 一种高压直流电源控制系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压直流电源控制系统及其控制方法。通过采样母线电压反馈至DC/DC电路来实现输出电压的调节，逆变器工作在固定频率且变压器电流为近似纯正弦电流，逆变桥的开关管工作在零电压、零电流的开通、关断状态。本发明的电源控制系统可以得到很好的电容兼容性能，同时母线电压控制的方法也满足于高压电源这种对带宽要求不高的系统中。

Description

一种高压直流电源控制系统及其控制方法
技术领域
本发明属于高压直流电源技术领域，具体涉及一种高压直流电源控制系统及其控制方法。
背景技术
高压直流电源的传统控制方式主要采用变频调压控制和PWM控制方式。比如LCC拓扑结构的高压电源多采用变频的方法，改变单位周期传递的能量，从而改变输出电压；而反激和自激拓扑结构多采用PWM方法，通过改变占空比，改变单位周期传递的能量，从而改变输出电压。此外还有电荷控制方法、单周期控制法等。这些方法都是通过改变逆变桥的驱动行为来达到改变调节输出的目的；而母线电压则被视为是一个干扰源或者是一个固定量。上述控制方法在需要带宽要求的情况下，具有一定优势。高压直流电源，由于副边的大滤波环节和倍压整流电路，时间常数大，带宽小。同时对高压直流电源的大多数应用场景对带宽的要求低，反而对纹波的要求更高。
无论是变频控制还是PWM控制方式，高压直流电源的变压器电流都不是纯正弦的，也无法实现零电流关断、零电流导通、零电压导通和零电压关断，同时电磁干扰问题也是一个重大的挑战。无论是控制方式的限制还是开关损耗问题的考量，变压器的工作频率都无法达到上百kHz，限制了变压器的进一步使用效率。同时也加大输出滤波器的设计负担。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种高压直流电源控制系统和控制方法，通过母线调压来实现输出电压调节，逆变器工作在固定频率且变压器电流为近似纯正弦电流，逆变桥的开关管工作在零电压、零电流的开通、关断状态。本发明的电源控制系统可以得到很好的电容兼容性能，同时母线电压控制的方法也满足于高压电源这种对带宽要求不高的系统中。
为实现上述目的，本发明提供了一种高压直流电源控制系统，该系统包括DC/DC电路、逆变器、滤波拓扑、变压器、整流电路和母线电压调节模块；
所述DC/DC电路、逆变器、滤波拓扑、变压器和整流电路依次电路连接，由DC/DC电路输入电压Uin，由整流电路输出高压直流电Uo；
母线电压调节模块包括采样电路、第一级PI补偿网络和第二级PI补偿网络；
所述采样电路的输入端电路连接整流电路的输出端，采样电路、第一级PI补偿网络和第二级PI补偿网络依次电路连接，第二级PI补偿网络的输出端连接DC/DC输入端；且DC/DC的输出端反馈连接至第二级PI补偿网络；将采样电路反馈的输出电压和预设的输出电压参考值相比较获得第一比较信号，将第一比较信号输入第一级PI补偿网络，第一级PI补偿网络输出第一补偿信号，将所述第一补偿信号与DC/DC电路输出的反馈信号相比较获得第二比较信号，将第二比较信号输入第二级PI补偿网络，第二级PI补偿网络输出第二补偿信号，将第二级补偿信号输出到DC/DC电路。
进一步的，所述DC/DC电路的拓扑结构为buck、boost、flyback等拓扑结构，优选为boost拓扑结构。
进一步的，所述逆变器为半桥或全桥拓扑结构。
进一步的，所述逆变器的开关管为MOSFET或IGBT半导体开关器件。
进一步的，所述变压器的电流为近似纯正弦电流波形，其频率在系统谐振频率附近，满足电流相位略微滞后电压相位，滞后角度不限。
进一步的，所述滤波拓扑为LC网络、LC串联、LCC结构、LLC结构或仅有一个隔直电容。
进一步的，所述开关管工作在零电压、零电流的开通或关断状态。
本发明还提供一种高压直流电源的控制方法，包括上述高压直流电源控制系统，将采样电路反馈的输出电压和预设的输出电压参考值相比较获得第一比较信号，将第一比较信号输入第一级PI补偿网络，第一级PI补偿网络输出第一补偿信号，将所述第一补偿信号与DC/DC电路输出的反馈信号相比较获得第二比较信号，将第二比较信号输入第二级PI补偿网络，第二级PI补偿网络输出第二补偿信号，将第二级补偿信号输出到DC/DC电路。
进一步的，所述逆变器的工作频率为固定频率，该固定频率在滤波拓扑和变压器的谐振频率附近。
进一步的，所述逆变器的开关管采用软开关控制，该软开关控制具体为，逆变器的频率在谐振频率附近，谐振频率点电流电压相位一样，频率取在谐振频率附近，且满足电流相位略微之后于电压相位；0-t0时刻，电流为正，上管开通，在t0时刻，上管电压降约为0，电流约为0，t0时刻上管关断，其满足零电压和零电流关断；t0-t2时刻，电流约为0，且下管二极管续流，电压降为二极管压降，约为0，电流约为0，t2时刻下管开通，其满足零电压和零电流开通；t2-t3时刻，下管开通，电流为负，在t3时刻，下管电压降约为0，电流约为0，t3时刻下管关断，其满足零电压和零电流开通；t3-t5时刻，电流约为0，且上管二极管续流，电压降为二极管压降，约为0，电流约为0，t5时刻上管开通，其满足零电压和零电流开通。
进一步的，所述逆变器的输出电压波形为方波，变压器的电流为近似纯正弦电流。
进一步的，所述DC/DC为boost拓扑结构，采用恒定导通时间控制法、恒定关断时间控制法、V2控制法、峰值电流控制法或谷值电流法。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本申请通过采样母线电压反馈至DCDC电路来实现输出电压的调节，逆变器工作在固定频率且变压器电流为近似纯正弦电流，逆变桥的开关管工作在零电压、零电流的开通、关断状态。本发明的电源控制系统可以得到很好的电容兼容性能，同时母线电压控制的方法也满足于高压电源这种对带宽要求不高的系统中。
附图说明
图1是按照本发明优选实施例构建的系统框图；
图2是本发明高压直流电源的控制方法示意图；
图3是本发明实现软开关控制的单个桥臂示意图；
图4是本发明实现软开关控制的单个桥臂的驱动控制波形；
图5是本发明高压直流电源控制系统的优选实施例的具体组成结构图。
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，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它实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明实施例中，第一、第二等，除有特别说明外仅用于区分不同的描述对象。
如图1和图5所示，本发明的高压直流电源控制系统，该系统包括DC/DC电路、逆变器、滤波拓扑、变压器、整流电路和母线电压调节模块；所述DC/DC电路、逆变器、滤波拓扑、变压器和整流电路依次电路连接，由DC/DC电路输入电压Uin，由整流电路输出高压直流电Uo；母线电压调节模块包括采样电路、第一级PI补偿网络和第二级PI补偿网络；所述采样电路的输入端电路连接整流电路的输出端，采样电路、第一级PI补偿网络和第二级PI补偿网络依次电路连接，第二级PI补偿网络的输出端连接DC/DC输入端；且DC/DC的输出端反馈连接至第二级PI补偿网络；将采样电路反馈的输出电压和预设的输出电压参考值相比较获得第一比较信号，将第一比较信号输入第一级PI补偿网络，第一级PI补偿网络输出第一补偿信号，将所述第一补偿信号与DC/DC电路输出的反馈信号相比较获得第二比较信号，将第二比较信号输入第二级PI补偿网络，第二级PI补偿网络输出第二补偿信号，将第二级补偿信号输出到DC/DC电路。
所述DC/DC电路的拓扑结构为buck、boost、flyback等拓扑结构，优选为boost拓扑结构。
所述逆变器为半桥或全桥拓扑结构。
所述逆变器的开关管为MOSFET或IGBT半导体开关器件。
所述变压器的电流为近似纯正弦电流波形，其频率在系统谐振频率附近，满足电流相位略微滞后电压相位，滞后角度不限。
所述滤波拓扑为LC网络、LC串联、LCC结构、LLC结构或仅有一个隔直电容。
所述开关管工作在零电压、零电流的开通或关断状态。
如图2和图5所示，本发明的高压直流电源的控制方法，包括上述高压直流电源控制系统，将采样电路反馈的输出电压和预设的输出电压参考值相比较获得第一比较信号，将第一比较信号输入第一级PI补偿网络，第一级PI补偿网络输出第一补偿信号，将所述第一补偿信号与DC/DC电路输出的反馈信号相比较获得第二比较信号，将第二比较信号输入第二级PI补偿网络，第二级PI补偿网络输出第二补偿信号，将第二级补偿信号输出到DC/DC电路。
所述逆变器的工作频率采用固定频率的控制方式。
所述逆变器的开关管工作在软开关状态，即开关管在开通和关断时均满足零电压和零电流的软开关特性。
所述变压器的工作电流为近似纯正弦电流。
所述DC/DC为boost拓扑结构，采用恒定导通时间控制方法。
因为逆变器工作在固定频率，该频率在LC网络和变压器的谐振频率附近，并且逆变器输出电压波形为方波(占空比50％)，变压器输出电流波形为近似正弦电流，此时逆变器+LC网络+变压器的电压传输特性为：
Figure BDA0002198858200000041
其中k为单位母线电压下，输出电压和逆变器频率的关系；因为电流为正弦波，其实为系统输出响应函数在单点频率下的增益，其为定值；也就是一旦频率f确定，k是固定参数。那么有
Vo＝g·Vbus因此母线电压和输出电压成线性关系，改变母线电压，即可改变输出电压。
由图3和图4所示，对于逆变器的软开关控制，首先，逆变器的频率在谐振频率附近，谐振频率点电流电压相位一样，频率取在谐振频率附近，且满足电流相位略微之后于电压相位；0-t0时刻，电流为正，上管开通，在t0时刻，上管电压降约为0，电流约为0，t0时刻上管关断，其满足零电压和零电流关断；t0-t2时刻，电流约为0，且下管二极管续流，电压降为二极管压降，约为0，电流约为0，t2时刻下管开通，其满足零电压和零电流开通；t2-t3时刻，下管开通，电流为负，在t3时刻，下管电压降约为0，电流约为0，t3时刻下管关断，其满足零电压和零电流开通；t3-t5时刻，电流约为0，且上管二极管续流，电压降为二极管压降，约为0，电流约为0，t5时刻上管开通，其满足零电压和零电流开通；综上，桥臂的上下管的开通和关断均满足零电压和零电流的软开关特性。
为使本发明得到更好的理解，以下为本发明的具体应用：
由图5所示，高压直流电源控制系统的输入供电采用蓄电池供电，输出电压可达到10kv,DC/DC为boost拓扑结构，采用恒定导通时间控制模式，即COT控制方法，通过改变关断(off time)的时间，改变输出电压(即母线电压)；Boost的输出电压为4V-16V，boost频率范围为1MHz-2MHz。
如图5所示，输出电压的控制方式为，通过电阻分压采样电路反馈输出电压，和参考给定比较，经过第一级PI补偿网络，得到boost的参考给定信号；第一级PI补偿网络的带宽为500Hz，远低于Boost的带宽>50kHz；第二级补偿网络输出补偿信号，经过COT控制器，控制PWM的off time时间，调节boost的输出电压，也就是母线电压。
根据以上叙述，本发明整个输出电压调节系统是一个闭环系统。
所述逆变器采用全桥结构，开关管为MOSFET，rdson为100毫欧，LC网络为只一个隔直电容Cb，变压器匝比为60，原边电感36uH，漏感6uH，副边漏感18mH，副边等效并联电容10pF。
系统的谐振频率为26kHz，当频率大于26kHz时，系统呈现感性，即电流滞后电压，取工作频率26.5kHz，此时电流略微滞后于电压。
副边为8倍倍压整流输出；桥臂死区时间(包括上升沿和下降沿)为(即t2-t0，t5-t3的时间)0.6us，t0时刻的电流为193mA，开关管两端电压约为20mV；t2时刻电流为-314mA，开关管两端电压为-520mV；t3时刻的电流为-215mA，开关管两端电压为-22mV；t5时刻的电流为324mA，开关管两端电压为520mV；因为开关管关断和开通的时刻电压电流都很小，可以认为是零电压、零电流的软开关。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (11)

1.一种高压直流电源控制系统，该系统包括DC/DC电路、逆变器、滤波拓扑、变压器、整流电路和母线电压调节模块；
所述DC/DC电路、逆变器、滤波拓扑、变压器和整流电路依次电路连接，由DC/DC电路出入电压Uin，由整流电路输出高压直流电Uo；
母线电压调节模块包括采样电路、第一级PI补偿网络和第二级PI补偿网络；
所述采样电路的输入端电路连接整流电路的输出端，采样电路、第一级PI补偿网络和第二级PI补偿网络依次电路连接，第二级PI补偿网络的输出端连接DC/DC输入端，且DC/DC的输出端反馈连接至第二级PI补偿网络；将采样电路反馈的输出电压和预设的输出电压参考值相比较获得第一比较信号，将第一比较信号输入第一级PI补偿网络，第一级PI补偿网络输出第一补偿信号，将所述第一补偿信号与DC/DC电路输出的反馈信号相比较获得第二比较信号，将第二比较信号输入第二级PI补偿网络，第二级PI补偿网络输出第二补偿信号，将第二级补偿信号输出到DC/DC电路。
2.根据权利要求1所述的高压直流电源控制系统，其特征在于，所述DC/DC电路的拓扑结构为buck、boost或flyback拓扑结构。
3.根据权利要求1-2所述的高压直流电源控制系统，其特征在于，所述逆变器为半桥或全桥拓扑结构。
4.根据权利要求1-3所述的高压直流电源控制系统，其特征在于，所述逆变器的开关管为MOSFET或IGBT半导体开关器件。
5.根据权利要求1-4所述的高压直流电源控制系统，其特征在于，所述滤波拓扑为LC网络、LC串联、LCC结构、LLC结构或仅有一个隔直电容。
6.一种高压直流电源的控制方法，包括权利要求1-6所述高压直流电源控制系统，将采样电路反馈的输出电压和预设的输出电压参考值相比较获得第一比较信号，将第一比较信号输入第一级PI补偿网络，第一级PI补偿网络输出第一补偿信号，将所述第一补偿信号与DC/DC电路输出的反馈信号相比较获得第二比较信号，将第二比较信号输入第二级PI补偿网络，第二级PI补偿网络输出第二补偿信号，将第二级补偿信号输出到DC/DC电路。
7.根据权利要求6所述的高压直流电源的控制方法，其特征在于，所述逆变器的工作频率为固定频率，该固定频率在滤波拓扑和变压器的谐振频率附近。
8.根据权利要求7所述的高压直流电源的控制方法，其特征在于，所述逆变器的输出电压波形为方波，变压器的电流为近似纯正弦电流。
9.根据权利要求7所述的高压直流电源的控制方法，其特征在于，所述逆变器的开关管采用软开关控制，即开关管工作在零电压、零电流的开通或关断状态。
10.根据权利要求9所述的高压直流电源的控制方法，其特征在于，该软开关控制具体为，逆变器的频率在谐振频率附近，谐振频率点电流电压相位一样，频率取在谐振频率附近，且满足电流相位略微之后于电压相位；0-t0时刻，电流为正，上管开通，在t0时刻，上管电压降约为0，电流约为0，t0时刻上管关断，其满足零电压和零电流关断；t0-t2时刻，电流约为0，且下管二极管续流，电压降为二极管压降，约为0，电流约为0，t2时刻下管开通，其满足零电压和零电流开通；t2-t3时刻，下管开通，电流为负，在t3时刻，下管电压降约为0，电流约为0，t3时刻下管关断，其满足零电压和零电流开通；t3-t5时刻，电流约为0，且上管二极管续流，电压降为二极管压降，约为0，电流约为0，t5时刻上管开通，其满足零电压和零电流开通。
11.根据权利要求6所述的高压直流电源的控制方法，其特征在于，DC/DC为boost拓扑结构，采用恒定导通时间控制法、恒定关断时间控制法、V2控制法、峰值电流控制法或谷值电流法。
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