CN112886796B - 一种模块化中高压交流电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模块化中高压交流电源，包括低压直流电源输入端、若干个低压逆变模块、高压交流电源输出端，所述低压逆变模块的输入端相互并联并与低压直流电源输入端连接，所述低压逆变模块的输出端依次串联后与高压交流电源输出端相连，低压逆变模块的同步端子J通过同步信号线连接，通过改变逆变模块串联数量来扩展输出交流电压等级，基于分时复用原理实现同步信号和输出均压参考的传送，仅采用非通信总线方式的单母线数据传输方法，结构简单，大大减小了传统逆变方案变压器的损耗，成本低实用性强，为中高压交流电源提供了一种新的方案。

Description

一种模块化中高压交流电源

技术领域

本发明涉及电力电子领域，特别涉及一种模块化中高压交流电源。

背景技术

通过电晕放电或介质阻挡放电实现低温等离子体技术广泛应用于空气净化、污水处理和材料表面污垢清洗。然而，想要产生电晕放电或介质阻挡放电就必须要求高压交流电源，其电压幅值为几千伏到几十千伏范围。在汽车空气净化领域，高压交流电源输入为12V直流电，输出为高压交流电，由于输出电压有效值远高于输入电压的幅值，常用逆变方案通过使用高匝比高频变压器和直流变换电路实现对直流电压的大倍数升压，再经逆变电路将其逆变为高压交流电。但该方案存在变压器损耗大、功率管承受高压、散热要求高、设计难度大和成本高的不足。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种模块化中高压交流电源。

一种模块化中高压交流电源，包括低压直流电源输入端、若干个低压逆变模块、高压交流电源输出端，所述低压逆变模块的输入端相互并联并与低压直流电源输入端连接，所述低压逆变模块的输出端依次串联后与高压交流电源输出端相连，低压逆变模块的同步端子J通过同步信号线连接，所述低压逆变模块包括：

电压RMS测量电路，与低压逆变模块的输出端连接，用于获取输出电压有效值V_rms；

二选一复用开关，一端与同步端子J连接，用于同步信号线分时传输同步信号syn和输出电压有效值平均值

同步电路，一端与二选一复用开关的CH0端连接，用于获取所有低压逆变模块中最先产生的中断溢出信号OV，并生成唯一的同步信号Syn；

输出电压平均电路，其一端与二选一复用开关的CH1端连接，输入端与电压RMS测量电路连接，用于获取低压逆变模块的输出电压有效值平均值

控制器，其分别与电压RNS测量电路、同步电路、输出电压平均电路以及二选一复用开关连接，通过接收到的输出电压有效值、输出电压有效值平均值及同步信号，根据逆变控制算法获得逆变电路开关管的占空比，并输出该占空比的PWM信号；

逆变电路，根据控制器输出的PWM信号将直流电逆变为交流电。

所述同步电路包括PWM模块、三态门、PWM输出控制模块、同步信号Syn丢失定时/计数模块，所述PWM模块的PWM输出端与三态门输入端连接，所述PWM模块的OV端与PWM输出控制模块连接，所述PWM输出控制模块与三态门的控制端连接，所述同步信号Syn丢失定时/计数模块复位信号输出端与PWM输出控制模块连接，所述PWM输出控制模块及同步信号Syn丢失定时/计数模块分别通过获取同步端子J的同步信号Syn输出CTL信号及Reset信号。

所述同步电路还包括上电延时模块，实现电路在上电之后延时T_d，T_d大于PWM信号的周期T_s，所述上电延时模块连接PWM模块的EN端。

所述同步电路的工作原理为：

PWM模块出现中断溢出信号OV，最早出现OV↑的同步电路触发PWM输出控制模块，将CTL锁存为高，三态门G1开通，PWM信号输出，从而产生同步信号Syn；

Sy n↑将其他同步电路的PWM输出控制模块锁死，不受对应的中断溢出信号OV的控制，CTL保持不变，其他非OV出现最早的同步电路的三态门G1锁死，自动竞争出有且唯一的同步信号Syn；

当所述同步信号Syn丢失定时/计数模块在Syn丢失时间或个数超过设定值时，输出Reset复位PWM输出控制模块，再次接收中断溢出信号OV，进而再次竞争出新的同步信号Syn。

所述二选一复用开关工作步骤为：第一步，syn↓定义为t₀时刻，启动定时控制逻辑；第二步，启动定时控制逻辑后，设定了3个定时时间点t₁～t₃，分别实现：开关投切到CH1、采样

和定时结束，复位到CH0，返回第一步。

所述控制器的逆变控制算法包括幅值调节算法、相位调节算法和逆变调制算法。

所述幅值调节算法包括均压补偿算法和电压控制算法，所述均压补偿算法如下：

一、获取输出电压有效值V_rms与所有低压逆变模块输出电压有效值的平均值

的偏差量；

二、获得补偿量

并与设定电压有效值参考量U_ref叠加得到动态调节输出电压有效值的参考值

所述电压控制算法如下：

对

与V_rms之间偏差量进行调节，得到逆变调制算法的幅值输入量U^*。

所述相位调节算法如下：

一、在获取环路执行周期T_p的基础上，得到相邻两次环路执行间隔的相角增量为2πf^*T_p，其中f^*为交流电频率，T_p为执行逆变控制算法间隔时间；

二、进而计算出当前环路执行时刻的相位α[k]，满足：α[k]＝α[k-1]+2πf^*T_p，

同步信号Syn↑没有出现时，则相位输入量α^*＝α[k]；

同步信号Syn↑出现，则执行α^*＝0，并且清零α[k-1]。

所述逆变调制算法根据幅值调节算法得出的幅值输入量U^*和相位调节算法得出的相位输入量α^*，计算出逆变电路开关管的占空比。

本发明的有益效果：本发明采用输出串联结构，通过改变逆变模块串联数量来扩展输出交流电压等级，基于分时复用原理实现同步信号和输出均压参考的传送，仅采用非通信总线方式的单母线数据传输方法，结构简单，大大减小了传统逆变方案变压器的损耗，成本低实用性强，为中高压交流电源提供了一种新的方案。

附图说明

图1为高压交流电源示意图

图2为逆变模块内部原理图

图3为逆变控制算法原理图

图4为二选一复用开关的控制逻辑时序图

图5为同步信号原理图

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：

假定逆变模块具有相同的参数，为不失一般性，本发明用序号为j(1≤j≤n)的逆变模块作为阐述对象。

图1所示为高压交流电源示意图，逆变模块的输入端相互并联并与低压直流电源输入端连接，逆变模块的输出端依次串联后与高压交流电源输出端相连，逆变模块的同步端子J通过同步信号线连接，通过改变逆变模块的数量n的值，调控高压交流电源的输出电压值。同步信号线用于同步信号syn和输出电压有效值平均值的传送。逆变模块将低压直流电逆变为交流电。

图2为逆变模块内部原理图，主要包括：插头plug、二选一复用开关、输出电压平均电路、同步电路、控制器、电压RMS测量电路和逆变电路。插头plug与插座J匹配，实现信号传送的物理连接；电压RMS测量电路与低压逆变模块的输出端连接，用于获取输出电压有效值V_rms；二选一复用开关一端与同步端子J连接，用于同步信号线分时传输同步信号syn和输出电压有效值平均值

同步电路一端与二选一复用开关的CH0端连接，用于获取所有低压逆变模块中最先产生的中断溢出信号OV，并生成唯一的同步信号Syn；输出电压平均电路一端与二选一复用开关的CH1端连接，输入端与电压RMS测量电路连接，用于获取低压逆变模块的输出电压有效值平均值

控制器分别与电压RNS测量电路、同步电路、输出电压平均电路以及二选一复用开关连接，通过接收到的输出电压有效值、输出电压有效值平均值及同步信号，根据逆变控制算法获得逆变电路开关管的占空比，并输出该占空比的PWM信号；逆变电路根据控制器输出的PWM信号将直流电逆变为交流电。

图3所示为逆变模块控制算法原理图，包括幅值调节算法、相位调节算法和逆变调制算法。

幅值调节算法确定逆变调制交流电压的幅值，包括均压补偿算法和电压控制算法。由于逆变模块模块自身参数及线路上阻抗的差异，导致逆变模块输出电压有效值V_rms存在差异。为解决上述问题需设计均压补偿算法，通过获取输出电压有效值V_rms与所有逆变模块输出电压有效值的平均值

的偏差量，依据给定的算法计算出补偿量

并与设定电压有效值参考量U_ref叠加得到

动态调节输出电压有效值的参考值，实现逆变模块输出电压的均衡控制。电压控制算法对

与V_rms之间偏差量进行调节，得到逆变调制算法的幅值输入量U^*，进而控制交流电压的有效值，实现输出电压的稳定及均压功能。

相位调节算法用于确定逆变调制算法的相位输入量α^*，也就是调节交流电的相位。其原理为：第k次执行逆变控制算法的逆变相位为α[k]＝α[k-1]+2πf^*T_p。其中：α[k-1]为第k-1次(即上一次)的相位；2πf^*T_p为执行逆变控制算法时间间隔对应的相位增量；f^*为交流电频率；T_p为执行逆变控制算法间隔时间。Syn↑没有出现时，调制向量的相位为α^*＝α[k]，即由算法α[k]＝α[k-1]+2πf^*T_p确定，一旦Syn↑出现，则执行α^*＝0，并且清零α[k-1]。

逆变调制算法根据计算出的U^*和α^*，可以采用查表法或矢量平行四边形法则，计算出开关管的占空比。

图4所示为二选一复用开关的控制逻辑时序图，其工作步骤为：①在Syn↓之前，定时控制逻辑不使能，S₁为0，复用开关处于CH0；②Syn↓出现时刻定义为t₀时刻，定时控制逻辑控制位str为高，开始定时，S₁保持为0，一直持续到t₁时刻；③t₁时刻，S₁翻转为1，复用开关投切到CH1，输出电压有效值平均电路工作；④t₂时刻，经过一段时间工作之后，平均值趋于稳定，控制器可对

进行采样；⑤t₃时刻，定时控制逻辑控制位str为低，停止定时并将S₁复位到0，并重复①。

图5为同步信号生成原理图，包括：上电延时模块、PWM模块、三态门、PWM输出控制模块、同步信号Syn丢失定时/计数模块和接线端子J组成。其中，上电延时模块连接PWM模块的EN端，实现电路在上电之后延时T_d，T_d必须满足：T_d>T_s，其中，T_s为PWM信号的周期。为便于实现，令T_d＝KT_s(K为大于1的正整数)。所述PWM模块的PWM输出端与三态门输入端连接，所述PWM模块的OV端与PWM输出控制模块连接，所述PWM输出控制模块与三态门的控制端连接，所述同步信号Syn丢失定时/计数模块复位信号输出端与PWM输出控制模块连接。PWM模块输出PWM信号和溢出信号OV，三态门接收PWM输出控制模块的输出信号CTL，控制PWM信号与端子的接通或断开，起到总线控制开关作用。Syn丢失定时/计数模块通过判断Syn连续丢失时间(或个数)是否达到设定触发值。如果达到设定触发值，则输出复位信号Reset信号给PWM输出控制模块。PWM输出控制模块通过接收PWM模块的输出OV、Syn丢失定时/计数模块的Reset和同步信号Syn，基于时间竞争关系得到输出控制信号CTL，实现对三态门的通断控制，进而确定同步信号Syn。

默认初始状态时，所有PWM模块的输出为低。同步电路工作原理为：由于每个电路的上电时间先后差异，导致n个PWM中断溢出信号OV出现时间不同。最早出现OV↑的同步电路触发PWM输出控制模块，将CTL锁存为高，三态门G1开通，PWM信号输出到接口端子J，Syn信号出现。只要Syn↑出现，PWM输出控制模块被锁死，不受OV的控制，CTL保持不变，保证其他非OV出现最早的同步电路的三态门G1锁死，进而实现系统能自动竞争出有且唯一的同步信号Syn。

在系统已经存在Syn的情况下，如果插入新的逆变模块进入系统时，在T_d时间内必然会出现Syn信号，新插入的逆变模块其同步电路的三态门G1锁死，不影响现有的Syn信号。

已存在Syn的情况下，如果从系统中拔出逆变模块，则存在以下两种不同情况：一、拔出的模块不产生Syn信号，对系统的Syn信号不产生影响；二、拔出的是产生Syn信号，则系统中Syn信号丢失。当Syn丢失时间超过丢失定时模块的设定时间，则输出Reset信号，复位PWM输出控制模块，再次接收OV溢出信号，进而再次竞争出新的Syn信号。当Syn丢失时间没有超过丢失定时模块的设定时间时，一定会出现Syn↑。只要出现Syn↑，Syn丢失定时模块的定时计数器被清零，不输出Reset信号，PWM输出控制模块不被复位，系统正常工作。

实施例不应视为对本发明的限制，任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种输入为低压直流电的高压交流电源，其特征在于：包括低压直流电源输入端、若干个低压逆变模块、高压交流电源输出端，所述若干个低压逆变模块与低压直流电源输入端并联，所述若干个低压逆变模块串联后与高压交流电源输出端相连，所述若干个低压逆变模块的同步端子J通过同步信号线连接，所述低压逆变模块包括：

1)二选一复用开关，实现同步信号线传送同步信号syn和输出电压有效值平均值

2)同步电路，通过中断溢出信号OV，实现若干条同步电路竞争产生有且只有一个的同步信号Syn；

3)输出电压平均电路，采样输出电压有效值平均值

4)控制器，通过获取输出电压有效值的平均值和同步信号信息，执行逆变控制算法求出逆变电路开关管的占空比；

5)逆变电路，根据控制器输出的占空比信号将直流电逆变为交流电；

6)电压RMS测量电路，测量逆变模块输出交流电压的有效值；

所述二选一复用开关与同步端子J相连，二选一复用开关的CH0端经同步电路与控制器的Syn输入端相连，二选一复用开关的CH1端经输出电压平均电路与控制器的

输入端相连，所述控制器的PWM输出端与逆变电路相连，所述电压RMS测量电路并联于逆变电路的电压输出端，并分别与控制器的输出电压有效值输入端和输出电压平均电路相连。

2.根据权利要求1所述的一种输入为低压直流电的高压交流电源，其特征在于：所述同步电路包括PWM模块、三态门、PWM输出控制模块、同步信号Syn丢失定时/计数模块，所述PWM模块的PWM输出端与三态门输入端连接，所述PWM输出控制模块与PWM模块的OV端连接，所述三态门的控制端与PWM输出控制模块连接，所述同步信号Syn丢失定时/计数模块复位信号输出端与PWM输出控制模块连接。

3.根据权利要求2所述的一种输入为低压直流电的高压交流电源，其特征在于：所述同步电路还包括上电延时模块，实现电路在上电之后延时T_d，T_d大于PWM模块输出端输出的PWM信号的周期T_s，所述上电延时模块连接PWM模块的EN端。

4.根据权利要求2或3所述的一种输入为低压直流电的高压交流电源，其特征在于：所述同步电路的工作步骤为：

第一步，PWM模块出现中断溢出信号OV，最早出现OV↑的同步电路触发PWM输出控制模块，将CTL锁存为高，三态门G1开通，PWM信号输出，同步信号Syn出现；

第二步，Syn↑将PWM输出控制模块锁死，不受OV的控制，CTL保持不变，其他非OV出现最早的同步电路的三态门G1锁死，自动竞争出有且唯一的同步信号Syn；

第三步，所述同步信号Syn丢失定时/计数模块在Syn丢失时间或个数超过设定值时，输出Reset复位PWM输出控制模块，再次接收中断溢出信号OV，进而再次竞争出新的同步信号Syn。

5.根据权利要求1所述的一种输入为低压直流电的高压交流电源，其特征在于：所述二选一复用开关工作步骤为：第一步，syn↓定义为t₀时刻，启动定时控制逻辑；第二步，启动定时控制逻辑后，设定了3个定时时间点t₁～t₃，分别实现：开关投切到CH1、采样

和定时结束，复位到CH0，返回第一步。

6.根据权利要求1所述的一种输入为低压直流电的高压交流电源，其特征在于：所述低压逆变模块的逆变控制算法包括幅值调节算法、相位调节算法和逆变调制算法。

7.根据权利要求6所述的一种输入为低压直流电的高压交流电源，其特征在于：所述幅值调节算法包括均压补偿算法和电压控制算法，所述均压补偿算法通过获取输出电压有效值V_rms与所有逆变模块输出电压有效值的平均值

的偏差量，依据给定的算法计算出补偿量

并与设定电压有效值参考量U_ref叠加得到

动态调节输出电压有效值的参考值，实现逆变模块输出电压的均衡控制；所述电压控制算法对

与V_rms之间偏差量进行调节，得到逆变调制算法的幅值输入量U^*，进而控制交流电压的有效值，实现输出电压的稳定及均压功能。

8.根据权利要求6所述的一种输入为低压直流电的高压交流电源，其特征在于：所述相位调节算法在获取环路执行周期T_p的基础上，得到相邻两次环路执行间隔的相角增量为2πf^*T_p，其中f^*为交流电频率，T_p为执行逆变控制算法间隔时间，进而计算出当前环路执行时刻的相位α[k]，满足：α[k]＝α[k-1]+2πf^*T_p，同步信号Syn↑没有出现时，则相位输入量α^*＝α[k]，同步信号Syn↑出现，则执行α^*＝0，并且清零α[k-1]。

9.根据权利要求6所述的一种输入为低压直流电的高压交流电源，其特征在于：所述逆变调制算法根据幅值调节算法得出的幅值输入量U^*和相位调节算法得出的相位输入量α^*，计算出功率管的占空比，进而将直流电逆变为高压交流电。

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