CN111934569A - 一种高速发电机供电的脉冲电源变换器及其变换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的高速发电机供电的脉冲电源变换器及其变换方法变换器包括三相MOSFET整流器，高速发电机的三相交流端经三相MOSFET整流器分别与稳压DC‑DC变换器和辅助电源连接，稳压DC‑DC变换器经输出缓冲电容Co与脉冲负载连接，辅助电源输出分别与同步整流控制电路和电流型控制电路连接，同步整流控制电路与三相MOSFET整流器连接，电流型控制电路与稳压DC‑DC变换器连接构成。通过在稳压DC‑DC变换器输出端添加大容量缓冲电容Co来减小脉冲负载端的纹波电压，并将电流型控制应用于DC‑DC变换器来抑制回馈到发电机端的脉动功率。通过采用同步整流控制MOSFET替换二极管，使三相整流器效率提升。

Description

一种高速发电机供电的脉冲电源变换器及其变换方法
技术领域
本发明涉及一种高速发电机供电的脉冲电源变换器及其变换方 法。
背景技术
脉冲负载电源变换器是用于为脉冲负载供电的电源变换器，脉冲 负载是指峰值功率远高于平均功率的一类特殊负载。对于由高速发电 机供电的脉冲负载电源变换器其主要包括AC-DC变换器和DC-DC变换 器两部分，AC-DC变换器用于将高速发电机产生的变压变频交流电转 化为变压直流电，DC-DC变换器用于将AC-DC变换器输出的变压直流 转化为稳压直流。
航空航天领域对搭载设备的体积和重量要求较为严格，为了满足 高功率密度，发电机通常工作转速较高，在发电时，发电机的电频率 可达1～2kHz以上。与常规发电机相比，发电机电频率高1个数量级 以上，因此，脉冲负载电源变换器中AC-DC变换器的输入交流频率远 高于常规应用。AC-DC变换器输出端的直流电压会随发电机的转速增 加或减小而增加和减小，随输出端负载的加重而降低。
脉冲负载电源变换器中DC-DC变换器除了实现输出稳压功能外， 还需要具有抑制脉冲负载功率回馈的功能，减小AC-DC变换器输出端 的功率脉动，进而减小发电机输出交流端的功率脉动，提高高速发电 机的有限带载能力。
脉冲负载电源变换器还需要具有能量缓冲装置，在脉冲负载所需 功率低于平均功率时，将过剩能量存储在缓冲装置中；在脉冲负载所 需功率高于平均功率时，将缓冲装置中能量快速释放给脉冲负载。
对于将发电机输出的交流转化为直流电的AC-DC变换器，常规技 术通常采用以下三种方式实现AC-DC变换器：
1)采用由二极管构成的三相不控整流器来将交流电转化为直流；
2)采用MOSFET构成的三相全桥作为硬件，通过PWM整流控制来 将交流电转化为直流，并实现AC-DC变换器输出端升压稳压；
3)采用SCR构成的晶闸管作为硬件，通过相控整流的方式实现来 将交流电转化为直流，并实现AC-DC变换器输出端降压稳压。
方案1)和方案3)的主要缺点是二极管和SCR的导通压降较大， 在发电机输出电压较低时，二极管和SCR压降造成的效率损失较为明 显；同时，SCR相控整流控制需要的发电机位置角度信号精度要求较 高，在发电机输出频率较高时，高精度发电机位置角度信号获取困难。 方案2)的主要缺点是PWM整流控制的开关管频率通常需要高于输入 端交流电压1个数量级以上，由于高速发电机输出的频率达到1～2kHz 以上，甚至可达4kHz以上，故PWM整流控制的工作频率需要达30～50 kHz以上，PWM整流控制实现难度较高，且功率管的开关频率较高， 开关损耗也较大。
对于脉冲负载电源变换器的能量缓冲装置，现有技术通常采用以 下四种方式实现缓冲：
1)采用飞轮来实现能量缓冲，其具体实现方式为将负载波谷能量 存储在飞轮上，然后波峰时，将飞轮上存储的能量快速释放在脉冲负 载设备上；
2)采用快速响应电源变换器来为脉冲负载供电，其具体通过加速 电源响应负载电流的速率来使脉冲负载设备的输入端电压保持稳定；
3)直接采用大容量电容作为能量缓冲，但电源变换器采用常规控 制方式，其具体通过常规电压型控制电源将发电机交流电压转换为所 需要的直流电压，在常规电源输出端并上大容量电容，再由大容量电 容给脉冲电源负载供电；
4)公开号为CN108336922A所公开的一种阵列式脉冲负载供电电 路及其控制方法，通过在电源变换器输出端添加由Boost变换器、储 能电容和Buck变换器构成的能量缓冲装置，在负载功率小于平均功 率时，将隔离DC-DC模块输出的过剩能量由Boost变换器平稳存储在 储能电容上，在负载功率大于平均功率时，将储能电容上能量由Buck 变换器快速释放。
方案1)的主要缺点在于存在各种能量间的彼此转换及旋转体，同 时输入电流纹波及输出电压纹波也不是很好。具有体积大、噪声大的 缺点。方案2)虽说输出电压波动较少，但是输入电流纹波较为恶劣。 方案3)的主要缺点在于过大的输出电容会导致电源变换器在上电瞬 态存在明显过流现象。方案4)的主要缺点在于能量缓冲装置过于复杂 且为全功率变换，实现困难且损耗较高，导致电源变换器可靠性低、 效率低；同时方案4)所述方法输入为直流电，无法直接应用于三相高 频交流电供电的脉冲电源变换器。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高速发电机供电的脉冲 电源变换器及其变换方法。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种高速发电机供电的脉冲电源变换器及其变换 方法；包括三相MOSFET整流器、稳压DC-DC变换器、输出缓冲电容、 辅助电源、同步整流控制电路和电流型控制电路；
三相MOSFET整流器的输入端分别与发电机的三相交流端连接， 其输出端分别与稳压DC-DC变换器和负载电源连接；
稳压DC-DC变换器经输出缓冲电容Co与脉冲负载连接；
辅助电源输出分别与同步整流控制电路和电流型控制电路连接；
同步整流控制电路与三相MOSFET整流器连接；
电流型控制电路与稳压DC-DC变换器连接。
所述三相MOSFET整流器包括A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂和电 容Cz，A相桥臂包括MOSFET管Qz1、Qz2，B相桥臂包括MOSFET管 Qz3、Qz4，C相桥臂包括MOSFET管Qz5、Qz6；MOSFET管Qz1的源 极和Qz2的漏极连接与高速发电机的a相，MOSFET管Qz3的源极和 MOSFET管Qz4的漏极与高速发电机的b相连接，高速发电机的c相与 MOSFET管Qz5的源极和MOSFET管Qz6的漏极连接，MOSFET管 Qz1、Qz3和Qz5的漏极并联接入三相MOSFET整流器输出直流端正极，MOSFET管Qz2、Qz4和Qz6的源极并联后接入三相MOSFET整流 器输出直流端负极，MOSFET管Qz1～Qz6的栅极与同步整流控制电路 连接，三相MOSFET整流器输出直流端正极和负极之间还连接有电容 Cz。
所述稳压DC-DC变换器包括MOSFET功率管Q1a、Q1b、Q2a、 Q2b、Q3a和Q3b，电感La和Lb；MOSFET功率管Q1a和Q1b的漏极与 三相MOSFET整流器输出直流端正极连接，三相MOSFET整流器输出 直流端负极与Q2a和Q2b的源极连接；电感La一端与MOSFET功率管 Q1a的源极和MOSFET功率管Q2a的漏极连接，电感La另一端与输出 直流母线正极连接；电感Lb一端与Q1b的源极和MOSFET功率管Q2b 的漏极连接，电感Lb另一端与输出直流母线正极连接；MOSFET功率 管Q3a和Q3b的漏极与三相MOSFET整流器输出直流端负极连接， MOSFET功率管Q3a和Q3b的源极与输出直流母线负极连接。
所述同步整流控制电路包括结构相同的A相桥臂同步整流控制 电路、B相桥臂同步整流控制电路和C相桥臂同步整流控制电路；A 相桥臂同步整流控制电路包括二极管Dzg1、瓷介电容Czd1、同步整 流驱动器1和同步整流驱动器2、电阻Rzg1和Rzg2，二极管Dzg1的阳 极和同步整流驱动器2的电源端与辅助电源输出端Vcc连接，辅助电源 接地端GNDi与同步整流驱动器2的接地端GND和Vs端连接，二极管 Dzg1的阴极和阳极分别与瓷介电容Czd1的一端和同步整流驱动器2 的电源端连接，瓷介电容Czd1的另一端分别与同步整流驱动器1的接 地端GND和Vs端连接，同步整流驱动器1的Vg端经电阻Rzg1与 MOSFET管Qz1的栅极连接，同步整流驱动器1的Vd端和Vs端分别与 MOSFET管Qz1的漏极和源极连接，同步整流驱动器2的Vg端经电阻 Rzg2与MOSFET管Qz2的栅极连接，同步整流驱动器2的Vd端和Vs端分别与MOSFET管Qz2的漏极和源极连接。
一种高速发电机供电的脉冲电源变换器的变换方法，其方法为：
A、通过辅助电源为同步整流控制电路和电流型控制电路供电；
B、通过同步整流控制电路控制三相MOSFET整流器的A相桥臂、 B相桥臂和C相桥臂同步整流使三相MOSFET整流器的导通损耗降 低；
C、通过电流型控制电路控制稳压DC-DC变换器使稳压DC-DC变 换器输出稳定的电压Vo，并抑制稳压DC-DC变换器回馈到输入端的 功率脉动；
所述步骤B所述的三相MOSFET整流器的A相桥臂、B相桥臂和C 相桥臂同步整流控制方法相同，A相桥臂同步整流控制包括以下步 骤：
B1、通过二极管Dzd1和瓷介电容Czd1构成的自举电路为同步整 流驱动器2供电，当MOSFET管Qz2导通时，供电电源Vcc通过Dzd1、 Czd1、Qz2和GNDi构成的回路给Czd1充电，同步整流驱动器2由Czd1 上存储能量实现供电；
B2、同步整流驱动器1和同步整流驱动器2通过Vd和Vs端检测 MOSFET管的漏极和源极间的电压Vds的方式来由Vg端产生驱动，当 Vds<0时，同步整流驱动器将MOSFET驱动置高，使原来流过MOSFET 中并联二极管的电流转移到MOSFET中源极到漏极的电流回路，当Vds≥0时，同步整流驱动器将MOSFET驱动置低，实现同步整流控制 功能。
所述步骤C中稳压DC-DC变换器通过电流型稳压控制、同步整流 控制、防回流控制输出稳定的电压Vo。
所述电流型稳压控制采用电压外环，电流内环控制，电压外环通 过将期望直流母线电压值Vref与电压信号Vo求差再进行PI调节产生 电流内环的参考信号Iref，每个PWM周期开始时，将PWM驱动信号 置高，当输出电流IL高于Iref时将PWM驱动信号置低。
所述同步整流控制是在PWM驱动信号置高时开通Q1a和Q1b、关 闭Q2a和Q2b，在PWM驱动信号置低时将开通Q2a和Q2b、关闭Q1a和 Q1b，使原来流过Q2a和Q2b中并联二极管的续流电流转移到Q2a和 Q2b中源极到漏极的电流回路。
1所述防回流控制是同步整流驱动器通过检测Q3a和Q3b的漏极 和源极间的电压Vds的方式来产生驱动，当Vds<0时，同步整流驱动 器将MOSFET驱动置高，减小由源极向漏极的正电流导通压降，当 Vds≥0时，同步整流驱动器将MOSFET驱动置低，通过MOSFET的并联二极管来防止由漏极向源极的电流回流。
本发明的有益效果在于：
1)适用于高速永磁发电机供电的脉冲负载电源变换器，发电机输 出电频率可高至1～5kHz；
2)对于三相MOSFET整流器，采用同步整流控制MOSFET来替代二极 管，有效降了整流管导通压降，使效率提升；
3)对于三相MOSFET整流器，利用输入为三相高频交流的特点，通 过自举电路来实现三相上管驱动的供电电源，有效降低上管驱动供电 电源的复杂度；
4)脉稳压DC-DC变换器采用电流型控制，具有输出稳流功能，可 保证输入电流具有低的脉动；
5)大容量输出缓冲电容Co用于提供脉冲负载电流io，防止稳压 DC-DC变换器输出端电压大幅波动，进而减小回馈到稳压DC-DC变换器 输入端的电流波动；
6)稳压DC-DC变换器采用了两组Buck并联均流方案。对于稳态均 流效果，电感La和Lb的等效电阻增加电流流通回路的输出电阻，使两 组Buck电路的输出电阻一致性更高，使稳态均流效果得到提升。对于 动态均流效果，由于电感La和Lb上的电流不会突变，输出电压只与占 空比相关，故两组Buck并联的方案可克服驱动信号延时不一致对均流 效果的影响；
7)稳压DC-DC变换器中的Buck变换器采用同步整流控制，有效降 低了常规二极管续流压降较大的不足，提高了稳压DC-DC变换器的效 率；
8)对于稳压DC-DC变换器，在Buck采用同步整流控制时，在上电 瞬间，若电容Co上有残余电荷，电容Co的能量会经过La、Q2a和Lb、Q2a回路泄放，导致功率管Q2a和Q2b发生损伤。因此，为了抑制电容Co上的 能量反向泄放，添加了功率管Q3a和Q3b来防止电流反向。
附图说明
图1：本发明的高速发电机供电的脉冲电源变换器结构框图；
图2：本发明的三相MOSFET整流器电路图；
图3：本发明的稳压DC-DC变换器电路图；
图4：本发明的A相桥臂同步整流控制电路图；
图5：本发明的电流型控制电路中同步整流Buck的驱动电路图；
图6：本发明的电流型控制电路中降压Buck的控制电路图；
图7：本发明的辅助电源电路图；
图8：本发明的脉冲负载特性图；
图9：本发明的脉冲负载电源变换器的稳态特性测试结果图；
图10：本发明的脉冲负载电源变换器的动态特性测试结果图；
图11：本发明实施例的电路参数表。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限 于所述。
一种高速发电机供电的脉冲电源变换器及其变换方法；包括三相 MOSFET整流器、稳压DC-DC变换器、输出缓冲电容、辅助电源、同 步整流控制电路和电流型控制电路；
三相MOSFET整流器的输入端分别与发电机的三相交流端连接， 其输出端分别与稳压DC-DC变换器和负载电源连接；
稳压DC-DC变换器经输出缓冲电容Co与脉冲负载连接；
辅助电源输出分别与同步整流控制电路和电流型控制电路连接；
同步整流控制电路与三相MOSFET整流器连接；
电流型控制电路与稳压DC-DC变换器连接。
所述三相MOSFET整流器包括A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂和电 容Cz，A相桥臂包括MOSFET管Qz1、Qz2，B相桥臂包括MOSFET管 Qz3、Qz4，C相桥臂包括MOSFET管Qz5、Qz6；MOSFET管Qz1的源 极和Qz2的漏极连接与高速发电机的a相，MOSFET管Qz3的源极和 MOSFET管Qz4的漏极与高速发电机的b相连接，高速发电机的c相与 MOSFET管Qz5的源极和MOSFET管Qz6的漏极连接，MOSFET管 Qz1、Qz3和Qz5的漏极并联接入三相MOSFET整流器输出直流端正极，MOSFET管Qz2、Qz4和Qz6的源极并联后接入三相MOSFET整流 器输出直流端负极，MOSFET管Qz1～Qz6的栅极与同步整流控制电路 连接，三相MOSFET整流器输出直流端正极和负极之间还连接有电容Cz。
所述稳压DC-DC变换器包括MOSFET功率管Q1a、Q1b、Q2a、 Q2b、Q3a和Q3b，电感La和Lb；MOSFET功率管Q1a和Q1b的漏极与 三相MOSFET整流器输出直流端正极连接，三相MOSFET整流器输出 直流端负极与Q2a和Q2b的源极连接；电感La一端与MOSFET功率管 Q1a的源极和MOSFET功率管Q2a的漏极连接，电感La另一端与输出 直流母线正极连接；电感Lb一端与Q1b的源极和MOSFET功率管Q2b 的漏极连接，电感Lb另一端与输出直流母线正极连接；MOSFET功率 管Q3a和Q3b的漏极与三相MOSFET整流器输出直流端负极连接， MOSFET功率管Q3a和Q3b的源极与输出直流母线负极连接。
所述同步整流控制电路包括结构相同的A相桥臂同步整流控制 电路、B相桥臂同步整流控制电路和C相桥臂同步整流控制电路；A 相桥臂同步整流控制电路包括二极管Dzg1、瓷介电容Czd1、同步整 流驱动器1和同步整流驱动器2、电阻Rzg1和Rzg2，二极管Dzg1的阳 极和同步整流驱动器2的电源端与辅助电源输出端Vcc连接，辅助电源 接地端GNDi与同步整流驱动器2的接地端GND和Vs端连接，二极管 Dzg1的阴极和阳极分别与瓷介电容Czd1的一端和同步整流驱动器2 的电源端连接，瓷介电容Czd1的另一端分别与同步整流驱动器1的接 地端GND和Vs端连接，同步整流驱动器1的Vg端经电阻Rzg1与 MOSFET管Qz1的栅极连接，同步整流驱动器1的Vd端和Vs端分别与 MOSFET管Qz1的漏极和源极连接，同步整流驱动器2的Vg端经电阻 Rzg2与MOSFET管Qz2的栅极连接，同步整流驱动器2的Vd端和Vs端分别与MOSFET管Qz2的漏极和源极连接。
一种高速发电机供电的脉冲电源变换器的变换方法，其方法为：
A、通过辅助电源为同步整流控制电路和电流型控制电路供电；
B、通过同步整流控制电路控制三相MOSFET整流器的A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂同步整流使三相MOSFET整流器的导通损耗降 低；
C、通过电流型控制电路控制稳压DC-DC变换器使稳压DC-DC变 换器输出稳定的电压Vo，并抑制稳压DC-DC变换器回馈到输入端的 功率脉动；
所述步骤B所述的三相MOSFET整流器的A相桥臂、B相桥臂和C 相桥臂同步整流控制方法相同，A相桥臂同步整流控制包括以下步 骤：
B1、通过二极管Dzd1和瓷介电容Czd1构成的自举电路为同步整 流驱动器2供电，当MOSFET管Qz2导通时，供电电源Vcc通过Dzd1、 Czd1、Qz2和GNDi构成的回路给Czd1充电，同步整流驱动器2由Czd1 上存储能量实现供电；
B2、同步整流驱动器1和同步整流驱动器2通过Vd和Vs端检测 MOSFET管的漏极和源极间的电压Vds的方式来由Vg端产生驱动，当 Vds<0时，同步整流驱动器将MOSFET驱动置高，使原来流过MOSFET 中并联二极管的电流转移到MOSFET中源极到漏极的电流回路，当Vds≥0时，同步整流驱动器将MOSFET驱动置低，实现同步整流控制 功能。
所述步骤C中稳压DC-DC变换器通过电流型稳压控制、同步整流控 制、防回流控制输出稳定的电压Vo。
所述电流型稳压控制采用电压外环，电流内环控制，电压外环通 过将期望直流母线电压值Vref与电压信号Vo求差再进行PI调节产生 电流内环的参考信号Iref，每个PWM周期开始时，将PWM驱动信号置高， 当输出电流IL高于Iref时将PWM驱动信号置低。
所述同步整流控制是在PWM驱动信号置高时开通Q1a和Q1b、关闭Q2a和Q2b，在PWM驱动信号置低时将开通Q2a和Q2b、关闭Q1a和Q1b， 使原来流过Q2a和Q2b中并联二极管的续流电流转移到Q2a和Q2b中源 极到漏极的电流回路。
所述防回流控制是同步整流驱动器通过检测Q3a和Q3b的漏极和 源极间的电压Vds的方式来产生驱动，当Vds<0时，同步整流驱动器将 MOSFET驱动置高，减小由源极向漏极的正电流导通压降，当Vds≥0 时，同步整流驱动器将MOSFET驱动置低，通过MOSFET的并联二极管来 防止由漏极向源极的电流回流。
本实施例为高速发电机采用2对极永磁发电机，在90000～ 125000r/min对应的交流频率为3～4.15kHz，发电机产生的交流 电经三相整流后形成脉动直流，输出直流电压为40～62V。稳压 DC-DC变换器用于在90000～125000r/min的范围内稳压输出28V直 流。
图1所示为所提出的一种高速发电机供电的脉冲电源变换器装 置，包括三相MOSFET整流器、稳压DC-DC变换器、输出缓冲电容、 辅助电源电路、同步整流控制电路和电流型控制电路；是由高速发电 机的三相交流端经三相MOSFET整流器分别与稳压DC-DC变换器和辅 助电源连接，稳压DC-DC变换器经输出缓冲电容Co与脉冲负载连接， 辅助电源输出分别与同步整流控制电路和电流型控制电路连接，同步 整流控制电路与三相MOSFET整流器连接，电流型控制电路与稳压 DC-DC变换器连接构成。
大容量输出缓冲电容Co用于提供脉冲负载电流io，防止稳压 DC-DC变换器输出端电压大幅波动，进而减小回馈到稳压DC-DC变换 器输入端的电流波动。该结构适用于高速永磁发电机供电的脉冲负载 电源变换器，发电机输出电频率可高至1～5kHz。
图2所示为三相MOSFET整流器电路图，三相MOSFET整流器包括 A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂和电容Cz，A相桥臂包括MOSFET管Qz1、 Qz2，B相桥臂包括MOSFET管Qz3、Qz4，C相桥臂包括MOSFET管Qz5、Qz6； 是由高速发电机的a相与Qz1的源极和Qz2的漏极连接，高速发电机的 b相与Qz3的源极和Qz4的漏极连接，高速发电机的c相与Qz5的源极和 Qz6的漏极连接，Qz1、Qz3和Qz5的漏极与三相MOSFET整流器输出直流端 正极连接，Qz2、Qz4和Qz6的源极与三相MOSFET整流器输出直流端负极 连接，Qz1～Qz6的栅极与同步整流控制电路连接，电容Cz两端分别与三相MOSFET整流器输出直流端正极和负极连接构成。
MOSFET的导通压降为Vdson＝IRon，其中I为流过MOSFET的电流， Ron为MOSFET的导通电阻。由于常规不控整流二极管导通压降VF通常 为0.7V以上；而当采用Ron为5mΩ以下的MOSFET，在I<15A时，MOSFET 的Vdson可小于0.1V；同步整流克服了常规不控整流二极管压降不能低 于0.7V的不足，使整流损耗显著降低。
图3所示为稳压DC-DC变换器电路图，稳压DC-DC变换器包括MOSFET 功率管Q1a、Q1b、Q2a、Q2b、Q3a和Q3b，电感La和Lb，是由三相MOSFET 整流器输出直流端正极与Q1a和Q1b的漏极连接，三相MOSFET整流器 输出直流端负极与Q2a和Q2b的源极连接，经电感La一端与Q1a的源极 和Q2a的漏极连接，电感La另一端与输出直流母线正极连接，电感Lb一端与Q1b的源极和Q2b的漏极连接，电感Lb另一端与输出直流母线正 极连接，Q3a和Q3b的漏极与三相MOSFET整流器输出直流端负极连接， Q3a和Q3b的源极与输出直流母线负极连接构成。
稳压DC-DC变换器采用了两组Buck并联均流方案。对于稳态均 流效果，电感La和Lb的等效电阻增加电流流通回路的输出电阻，使 两组Buck电路的输出电阻一致性更高，使稳态均流效果得到提升。 对于动态均流效果，由于电感La和Lb上的电流不会突变，输出电压只与占空比相关，故两组Buck并联的方案可克服驱动信号延时不一 致对均流效果的影响。
对于稳压DC-DC变换器，在Buck采用同步整流控制时，在上电 瞬间，若电容Co上有残余电荷，电容Co的能量会经过La、Q2a和Lb、 Q2a回路泄放，导致功率管Q2a和Q2b发生损伤。因此，为了抑制电容Co上的能量反向泄放，添加了功率管Q3a和Q3b来防止电流反向。
同步整流控制电路包括A相桥臂同步整流控制电路、B相桥臂同步整 流控制电路和C相桥臂同步整流控制电路，A相桥臂同步整流控制电 路、B相桥臂同步整流控制电路和C相桥臂同步整流控制电路相同。
图4所示为A相桥臂同步整流控制电路图，A相桥臂同步整流控制电 路包括二极管Dzg1、瓷介电容Czd1、同步整流驱动器1和同步整流驱动 器2、电阻Rzg1和Rzg2，是由辅助电源输出电压Vcc分别与Dzg1的阳极和 同步整流驱动器2的电源端Vcc连接，辅助电源输出地GNDi与同步整 流驱动器2的电源地端GND和Vs端连接，Dzg1的阴极分别与Czd1的一端 和同步整流驱动器2的电源端Vcc连接，Czd1的另一端分别同步整流驱 动器1的电源地端GND和Vs端连接，同步整流驱动器1的Vg端经Rzg1与Qz1的栅极连接，同步整流驱动器1的Vd端和Vs端分别与Qz1的漏极 和源极连接，同步整流驱动器2的Vg端经Rzg2与Qz2的栅极连接，同步 整流驱动器2的Vd端和Vs端分别与Qz2的漏极和源极连接构成。
同步整流驱动器1和同步整流驱动器2采用IR1167芯片。IR1167 为专用同步整流驱动控制芯片，其通过检测MOSFET的D极和S极间 的电压Vds的方式来产生驱动。当Vds<0时，IR1167将MOSFET驱动置 高；当Vds≥0时，IR1167将MOSFET驱动置低。
图1中电流型控制电路包括图5所示为同步整流Buck的驱动电 路，图6所示为降压Buck的控制电路。其中每路并联同步整流Buck 采用一片IR2110产生上下管驱动，两片IR2110共用驱动信号Gu_d和 Gd_d，电路中与门、电阻RT1、RT2和电容C1、C2主要用于产生死区；降 压Buck的控制电路采用UC3843A作为控制芯片，通过对控制参数设 计、斜率补偿和最大限流值设定，使其满足本设计需求。
图7所示为辅助电源电路，采用LM5116芯片实现三相MOSFET整 流后变压母线电压至稳压直流Vcc的非隔离变换，为同步整流控制电 路和电流型控制电路提供12V供电。
如图11所示为电路参数。
一种高速发电机供电的脉冲电源变换控制方法，包括以下步骤：
A、通过辅助电源为同步整流控制电路和电流型控制电路供电；
B、通过同步整流控制电路实现三相MOSFET整流器的A相桥臂、B 相桥臂和C相桥臂同步整流控制，使整流MOSFET的导通损耗降低；
C、通过电流型控制电路实现稳压DC-DC变换器的电流型稳压控 制、同步整流控制、防回流控制，使稳压DC-DC变换器输出稳定 的电压Vo，并抑制稳压DC-DC变换器回馈到输入端的功率脉动；
D、通过大容量输出缓冲电容Co防止稳压DC-DC变换器输出端电 压Vo大幅波动，进而减小回馈到稳压DC-DC变换器输入端的电流 波动；在脉冲负载不需要功率时，稳压DC-DC变换器输出的能量 存储在缓冲电容Co上；在脉冲负载需要峰值功率时，迅速将缓冲 电容Co上的能量提供给脉冲负载。
三相MOSFET整流器的A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂同步整流 控制方法相同，A相桥臂同步整流控制包括以下步骤：
a、通过Dzd1和Czd1构成的自举电路实现同步整流驱动器2供电， 当Qz2导通时，供电电源Vcc通过Dzd1、Czd1、Qz2和GNDi构成的回 路个Czd1充电，同步整流驱动2由Czd1上存储能量实现供电；
b、同步整流驱动器1和同步整流驱动器2通过Vd和Vs端检测 MOSFET的漏极和源极间的电压Vds的方式来由Vg端产生驱动，当 Vds<0时，同步整流驱动器将MOSFET驱动置高，使原来流过MOSFET 中并联二极管的电流转移到MOSFET中源极到漏极的电流回路，当 Vds≥0时，同步整流驱动器将MOSFET驱动置低，实现同步整流控 制功能。
对于三相MOSFET整流器，利用输入为三相高频交流的特点，通 过自举电路来实现三相上管驱动的供电电源，有效降低上管驱动供电 电源的复杂度。
所述稳压DC-DC变换器的电流型稳压控制、同步整流控制、防回 流控制包括以下步骤：
a、电流型稳压控制采用电压外环，电流内环控制，电压外环通过 将期望直流母线电压值Vref与电压信号Vo求差再进行PI调节产生 电流内环的参考信号Iref，每个PWM周期开始时，将PWM驱动信号 置高，当输出电流IL高于Iref时将PWM驱动信号置低；
b、同步整流控制是在PWM驱动信号置高时开通Q1a和Q1b、关闭Q2a和Q2b，在PWM驱动信号置低时将开通Q2a和Q2b、关闭Q1a和Q1b，使 原来流过Q2a和Q2b中并联二极管的续流电流转移到Q2a和Q2b中源极 到漏极的电流回路；
c、防回流控制是同步整流驱动器通过检测Q3a和Q3b的漏极和源极 间的电压Vds的方式来产生驱动，当Vds<0时，同步整流驱动器将 MOSFET驱动置高，减小由源极向漏极的正电流导通压降，当Vds≥0时，同步整流驱动器将MOSFET驱动置低，通过MOSFET的并 联二极管来防止由漏极向源极的电流回流。
稳压DC-DC变换器采用电流型控制，具有输出稳流功能，可保证 输入电流具有低的脉动。
稳压DC-DC变换器中的Buck变换器采用同步整流控制，有效降 低了常规二极管续流压降较大的不足，提高了稳压DC-DC变换器的效 率。
脉冲负载特性如图8所示，脉冲负载频率f为200～500Hz，输出 电流高脉冲持续时间tH为0.3～0.35倍周期T，输出高脉冲电流Ip为 100A左右。在脉冲负载频率条件下，输出平均功率Po需达800W。峰 值电流Ip为平均电流Im的3倍左右。
图9所示为脉冲负载电源在脉冲负载频率f＝300Hz、输出平均 功率为800W下稳态特性测试结果。由图9(a)可知，输出电压Vo纹波 幅值为0.3V，远小于GJB 181B中28V直流系统1.5V纹波幅值的要 求；由图9(b)可知，在负载电流io大幅波动时，输入a相电流ia的 波动小于±15％，电源变换器具有良好的回馈脉冲功率抑制效果。
图10所示为空载至800W满载切换时输出电压波形。电压跌落和过 冲均小于±2V，动态性能良好。

Claims (10)

1.一种高速发电机供电的脉冲电源变换器，其特征在于：包括三相MOSFET整流器、稳压DC-DC变换器、输出缓冲电容、辅助电源、同步整流控制电路和电流型控制电路；
三相MOSFET整流器的输入端分别与发电机的三相交流端连接，其输出端分别与稳压DC-DC变换器和负载电源连接；
稳压DC-DC变换器经输出缓冲电容Co与脉冲负载连接；
辅助电源输出分别与同步整流控制电路和电流型控制电路连接；
同步整流控制电路与三相MOSFET整流器连接；
电流型控制电路与稳压DC-DC变换器连接。
2.如权利要求1所述的高速发电机供电的脉冲电源变换器，其特征在于：所述三相MOSFET整流器包括A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂和电容Cz，A相桥臂包括MOSFET管Qz1、Qz2，B相桥臂包括MOSFET管Qz3、Qz4，C相桥臂包括MOSFET管Qz5、Qz6；MOSFET管Qz1的源极和Qz2的漏极连接与高速发电机的a相，MOSFET管Qz3的源极和MOSFET管Qz4的漏极与高速发电机的b相连接，高速发电机的c相与MOSFET管Qz5的源极和MOSFET管Qz6的漏极连接，MOSFET管Qz1、Qz3和Qz5的漏极并联接入三相MOSFET整流器输出直流端正极，MOSFET管Qz2、Qz4和Qz6的源极并联后接入三相MOSFET整流器输出直流端负极，MOSFET管Qz1～Qz6的栅极与同步整流控制电路连接，三相MOSFET整流器输出直流端正极和负极之间还连接有电容Cz。
3.如权利要求1所述的高速发电机供电的脉冲电源变换器，其特征在于：所述稳压DC-DC变换器包括MOSFET功率管Q1a、Q1b、Q2a、Q2b、Q3a和Q3b，电感La和Lb；MOSFET功率管Q1a和Q1b的漏极与三相MOSFET整流器输出直流端正极连接，三相MOSFET整流器输出直流端负极与Q2a和Q2b的源极连接；电感La一端与MOSFET功率管Q1a的源极和MOSFET功率管Q2a的漏极连接，电感La另一端与输出直流母线正极连接；电感Lb一端与Q1b的源极和MOSFET功率管Q2b的漏极连接，电感Lb另一端与输出直流母线正极连接；MOSFET功率管Q3a和Q3b的漏极与三相MOSFET整流器输出直流端负极连接，MOSFET功率管Q3a和Q3b的源极与输出直流母线负极连接。
4.如权利要求1所述的高速发电机供电的脉冲电源变换器，其特征在于：所述同步整流控制电路包括结构相同的A相桥臂同步整流控制电路、B相桥臂同步整流控制电路和C相桥臂同步整流控制电路；A相桥臂同步整流控制电路包括二极管Dzg1、瓷介电容Czd1、同步整流驱动器1和同步整流驱动器2、电阻Rzg1和Rzg2，二极管Dzg1的阳极和同步整流驱动器2的电源端与辅助电源输出端Vcc连接，辅助电源接地端GNDi与同步整流驱动器2的接地端GND和Vs端连接，二极管Dzg1的阴极和阳极分别与瓷介电容Czd1的一端和同步整流驱动器2的电源端连接，瓷介电容Czd1的另一端分别与同步整流驱动器1的接地端GND和Vs端连接，同步整流驱动器1的Vg端经电阻Rzg1与MOSFET管Qz1的栅极连接，同步整流驱动器1的Vd端和Vs端分别与MOSFET管Qz1的漏极和源极连接，同步整流驱动器2的Vg端经电阻Rzg2与MOSFET管Qz2的栅极连接，同步整流驱动器2的Vd端和Vs端分别与MOSFET管Qz2的漏极和源极连接。
5.一种高速发电机供电的脉冲电源变换器的变换方法，其方法为：
A、通过辅助电源为同步整流控制电路和电流型控制电路供电；
B、通过同步整流控制电路控制三相MOSFET整流器的A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂同步整流使三相MOSFET整流器的导通损耗降低；
C、通过电流型控制电路控制稳压DC-DC变换器使稳压DC-DC变换器输出稳定的电压Vo，并抑制稳压DC-DC变换器回馈到输入端的功率脉动。
6.如权利要求5所述的高速发电机供电的脉冲电源变换器的变换方法，其特征在于：所述步骤B所述的三相MOSFET整流器的A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂同步整流控制方法相同，A相桥臂同步整流控制包括以下步骤：
B1、通过二极管Dzd1和瓷介电容Czd1构成的自举电路为同步整流驱动器2供电，当MOSFET管Qz2导通时，供电电源Vcc通过Dzd1、Czd1、Qz2和GNDi构成的回路给Czd1充电，同步整流驱动器2由Czd1上存储能量实现供电；
B2、同步整流驱动器1和同步整流驱动器2通过Vd和Vs端检测MOSFET管的漏极和源极间的电压Vds的方式来由Vg端产生驱动，当Vds<0时，同步整流驱动器将MOSFET驱动置高，使原来流过MOSFET中并联二极管的电流转移到MOSFET中源极到漏极的电流回路，当Vds≥0时，同步整流驱动器将MOSFET驱动置低，实现同步整流控制功能。
7.如权利要求5所述的高速发电机供电的脉冲电源变换器的变换方法，其特征在于：所述步骤C中稳压DC-DC变换器通过电流型稳压控制、同步整流控制、防回流控制输出稳定的电压Vo。
8.如权利要求7所述的高速发电机供电的脉冲电源变换器的变换方法，其特征在于：所述电流型稳压控制采用电压外环，电流内环控制，电压外环通过将期望直流母线电压值Vref与电压信号Vo求差再进行PI调节产生电流内环的参考信号Iref，每个PWM周期开始时，将PWM驱动信号置高，当输出电流IL高于Iref时将PWM驱动信号置低。
9.如权利要求7所述的高速发电机供电的脉冲电源变换器的变换方法，其特征在于：所述同步整流控制是在PWM驱动信号置高时开通Q1a和Q1b、关闭Q2a和Q2b，在PWM驱动信号置低时将开通Q2a和Q2b、关闭Q1a和Q1b，使原来流过Q2a和Q2b中并联二极管的续流电流转移到Q2a和Q2b中源极到漏极的电流回路。
10.如权利要求7所述的高速发电机供电的脉冲电源变换器的变换方法，其特征在于：所述防回流控制是同步整流驱动器通过检测Q3a和Q3b的漏极和源极间的电压Vds的方式来产生驱动，当Vds<0时，同步整流驱动器将MOSFET驱动置高，减小由源极向漏极的正电流导通压降，当Vds≥0时，同步整流驱动器将MOSFET驱动置低，通过MOSFET的并联二极管来防止由漏极向源极的电流回流。
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