CN113809949A - 一种两级式低频脉动功率抑制变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两级式低频脉动功率抑制变换器及其控制方法，属于电能变换装置的脉冲电源，应用于脉动功率抑制场合。其主电路为两级式结构，前级转换电路用于抑制脉动功率，后级转换电路用于调节输出电压。前级转换电路控制方法的主要原理如下：采用电压电流双闭环控制，分别采样中间母线电压和电感电流。变换器处于稳态时，电压调节器工作于脉动抑制模式，形式为较低带宽补偿器和带阻滤波器串联；处于暂态时，电压调节器工作于快速动态响应模式，形式为单个较高带宽补偿器。快速动态响应触发电路根据母线电压判断系统状态，并控制电压调节器工作于相应模式。本发明不仅能够有效抑制输入电流脉动，还具有良好的动态性能。

Description

一种两级式低频脉动功率抑制变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种脉动功率抑制变换器，属于电能变换装置的脉冲电源，应用于脉动功率抑制场合。

背景技术

随着电子技术的不断发展，出现了越来越多具有脉冲特性的负载。当直流脉冲负载工作时，会产生很大的电流电压脉动，这对脉冲负载供电电源提出了很高的要求。当脉冲电源的前级用燃料电池供电时，大幅度的脉冲电流将增大系统的瞬时输入功率，降低工作效率，还会使电池的使用寿命减小。前级为直流母线时，过大的电流脉动会降低母线的电能质量，干扰其他用电设备，有时甚至会引起母线保护装置的误动作。

为了减小脉冲电源的输入电流脉动，可使用电容和电感等无源元件对脉动功率进行缓冲，但是当负载脉动频率较低时，无源元件的体积和重量会很大，无法满足使用要求。也可将一个双向变换器并联在主变换器上吸收脉动功率，主变换器只需提供负载的平均功率，但其增加了系统的复杂程度，降低了稳定性。两级式逆变器的研究中，有一些输入二次纹波电流的抑制方法。但两级式逆变器的后级输出电流频率固定为二倍工频，所以这些方法仅适用于单一频率的脉动功率抑制场合。因此，需要一种新型脉动功率抑制变换器，其不仅能够抑制输入电流的脉动，还能具有较快的动态性能。

发明内容

本发明的目的是针对脉动功率抑制场合，提出一种两级式低频脉动功率抑制变换器及其控制方法。

变换器为两级式结构，包括前级主功率电路、后级转换电路，以及电流采样电路、电压采样电路、电压调节器、电流调节器和驱动电路等组成的前级控制电路。所述控制电路的电压调节器中含有带阻滤波器和三个选通开关，通过所述三个选通开关可以控制所述电压调节器工作于两种模式，模式一为脉动抑制模式，所述带阻滤波器串接在低带宽补偿器后组成电压调节器；模式二为快速动态响应模式，所述带阻滤波器被所述选通开关从环路中切除，由一个较高带宽补偿器单独构成电压调节器；所述控制电路还包括一个快速动态响应触发电路，所述快速动态响应触发电路通过所述电压采样电路的采样信号对电路状态做出判断，当判断电路处于暂态时，控制所述选通开关使所述电压调节器工作于快速动态响应模式，反之，则工作于脉动抑制模式。

控制电路中所述的带阻滤波器可使用低带宽低通滤波器和高带宽高通滤波器叠加的形式。控制电路中所述的补偿器可以为单极点补偿器、PI补偿器或者单极点单零点补偿器。控制电路中所述的快速动态响应触发电路中，电压采样信号经过comp2、comp3、D₁、D₂、R₁₄、R₁₅、D₃组成的窗口比较器后，再经过由D₄、C₅、R₁₆、comp4组成的延时电路产生快速动态响应触发信号。

本发明提出的两级式低频脉动功率抑制变换器的控制方法的主要原理为：变换器工作于稳态时，电压调节器处于脉动抑制模式，电压采样电路采样中间母线电压产生采样信号v_{cb_sense}，该采样信号经过R₁₀、C₁、R₁₁、C₂和amp3组成的较低带宽的补偿器和带阻滤波器后作为电流调节器的电流参考信号；工作于暂态时，电压调节器处于快速动态响应模式，所述电压采样信号经过R₉、R₁₀、C₁、R₁₁、C₂和amp3组成的较高带宽的补偿器后作为电流调节器的电流参考信号。由于本发明的电压调节器采用两种控制模式，在稳态时，低带宽的电压补偿器和串联在电压补偿器后的带阻滤波器可以极大的减小输出脉动成分进入控制环路中，从而抑制输入电流的波动，使输入电流几乎不含脉动成分，但此时动态响应很慢；在暂态时，使用较高带宽的电压补偿器，可改善前级变换器的动态响应，快速调整母线电压至稳态，防止母线电压波动过大影响后级电路的工作，提高整个变换器的稳定性。

由以上描述可知，本发明提出的两级式低频脉动功率抑制变换器及其控制方法具有如下优点：

1.能够有效抑制输入电流脉动，有利于前级供电设备的稳定工作；

2.相比于单级式方案，大大缩小的电容体积，提高了设备的功率密度；

3.前级变换器具有较快动态响应，在输入电压、输出功率突变的时候可快速稳定母线电压，保证系统的稳定运行。

附图说明

图1是本发明的电路结构方块图。

图2是本发明的控制逻辑图。

图3是本发明的前级控制电路简图。

图4是本发明前级升压电路的交流小信号等效电路。

图5是本发明前级升压电路工作于脉动抑制模式时的控制框图。

图6是本发明使用的带阻滤波器。

图7是两种控制模式下不含母线电容的闭环输出阻抗幅值与母线电容母线阻抗幅值对比。

上述图中的主要符号名称：V_in为电源电压，i_in为输入电流，C_bus为母线电容，v_cb为母线电容电压，i_cb为母线电容电流，i_{in_2}为后级转换电路输入电流，i_o为输出电流，L_b为前级转换电路升压电感，S_b为前级转换电路开关管，D_b为前级转换电路二级管，H_i为电流采样系数，H_v为电压采样系数，i_{Lb_sense}为电流采样信号，v_{cb_sense}为电压采样信号，G_i(s)为电流调节器的传递函数，G_{v_FDR}(s)为快速动态响应模式下电压调节器的传递函数，G_v(s)为脉动抑制模式下电压调节器的传递函数，G_BSF(s)为脉动抑制模式下带阻滤波器的传递函数，V_ref为参考电压，FDR_on为快速动态响应的触发信号，R₁、R₂、R₃、R₄和amp1组成电流采样电路，R₅、R₆、R₇、R₈和amp2组成电压采样电路，S₁、S₂、S₃为电压调节器中的选通开关，R₉、R₁₀、R₁₁、C₁、C₂和amp3组成电压补偿器，R₁₂、R₁₃、C₃、C₄和amp4组成电流补偿器，comp1为比较器，v_gs为开关管驱动信号，comp2、comp3、D₁、D₂、R₁₄、R₁₅、D₃组成窗口比较器，D₄、C₅、R₁₆、comp4组成延时电路，V_cb为母线电压平均值，I_in为输入电流平均值，

为输入电压的小信号，

为输入电流的小信号，

为占空比的小信号，D_y′等于1-D_y，

为二极管电流的小信号，

为母线电容电压的小信号，

为流经母线电容的电流的小信号，

为后级输入电流的小信号，Z_{o_without_c}(s)为不含母线电容的闭环输出阻抗，K_PWM为PWM调制器的增益系数，R₁₇、R₁₈、C₆、C₇、amp5组成低通滤波器，R₁₉、R₂₀、C₈、C₉、amp6组成高通滤波器，R₂₁、R₂₂、R₂₃、R₂₄、amp7组成同相加法器，Z_c(s)为母线电容阻抗。

具体实施方式

在脉动功率抑制场合，若直接采用单级式电路，使用输出电容缓冲脉动功率，因为脉动频率较低，输出电容上的电压纹波又不能太大，只能选用很大电容值的电解电容作为输出电容，变换器难以满足体积小和重量轻的设计要求。

为解决此问题，本发明提出一种两级式低频脉动功率抑制变换器及其控制方法。两级式变换器可以使用中间母线电容缓冲脉动功率，而中间母线电容可以工作在较大纹波的状态，故可大大减小对电容容值的需求。如附图1所示，变换器的输出电流为正弦脉动形式，其表达式为

i_o＝I_{o_dc}+I_msin(ωt)

其中，I_{o_dc}为输出电流的直流分量，I_msin(ωt)为输出电流的交流分量。假设后级变换器性能很好，那么后级转化电路的输入电流i_{in_2}也将是与输出电流同频率的正弦脉动形式。从i_{in_2}所在的支路向输入端看，有两条传导路径，第一条路径为母线电容C_bus支路，第二条路经为除母线电容C_bus外的前级转换电路。为了减小前级转换电路输入端的电流脉动，就需要使i_{in_2}尽量流过C_bus电容而不是除母线电容C_bus外的前级转换电路。从阻抗的视角来看，这就需要在负载脉动的频段内，不含母线电容的前级转换电路的闭环输出阻抗幅值远大于C_bus的阻抗幅值。

附图2为本发明的控制逻辑图，为同时兼顾输入电流纹波抑制效果和动态响应速度，本发明前级转换电路的控制电路的电压调节器具有两种模式。其中脉动抑制模式的电压调节器的传递函数为G_v(s)与G_BSF(s)的乘积，用于稳态时抑制输入电流纹波；快速动态响应模式的传递函数为G_{v_FDR}(s)，用于暂态时快速稳定母线电压。

附图4为升压电路的交流小信号等效电路，根据交流小信号等效电路可以画出前级升压电路工作于脉动抑制模式时的控制框图，如附图5所示。根据此控制框图可以得出快速动态响应模式时，不含母线电容的前级转换电路的闭环输出阻抗为

脉动抑制模式时，不含母线电容的前级转换电路的闭环输出阻抗为

附图3是具体电路连接图，当FDR_on对应的选通开关断开，FDR_off对应的选通开关闭合时，电压调节器工作于脉动抑制模式；当FDR_on对应的选通开关闭合，FDR_off对应的选通开关断开时，电压调节器工作于快速动态响应模式。对前级转换电路进行环路补偿，将电流环带宽补偿至约1/5开关频率处，远高于负载的脉动频率。对脉动抑制模式的电压环进行补偿，将其带宽补偿至约1/10最低脉动频率处，即用R₁₀、C₁、R₁₁、C₂、amp3组成的补偿器将前级转换电路的电压外环带宽补偿至约1/20最低脉动频率处；对快速动态响应模式的电压环进行补偿，将其带宽补偿至约最高脉动频率处，即用R₉、R₁₀、C₁、R₁₁、C₂、amp3组成的补偿器将前级转换电路的电压外环带宽补偿至约最高脉动频率处。脉动抑制模式时，电压补偿器后再串入一个阻频带为负载脉动频带的带阻滤波器，可进一步抑制输入电流脉动。

附图7为进行上述补偿后，两种控制模式下，不含母线电容的前级转换电路的闭环输出阻抗幅值与C_bus的阻抗幅值的对比图。可见在纹波抑制模式下，不含母线电容的前级转换电路的闭环输出阻抗幅值远大于C_bus的阻抗幅值，特别是在目标频段处，由于带阻滤波器的加入，幅值明显增大，可使大部分脉动功率流向母线电容C_bus，达到抑制输入电流脉动的目的。在快速动态响应模式下，低频段内不含母线电容的前级转换电路的闭环输出阻抗幅值小于C_bus的阻抗幅值，可使大部分脉动功率流向前级变换器，快速稳定母线电压。

上述带宽设定值只是一种可行方式，仅供参考。电压环带宽具体设置应考虑实际电路的设计要求进行折中考虑，选取最优值。总体原则为：带宽选取越低，纹波抑制效果越好，但动态响应越慢；带宽选取越高，动态响应速度越快，但可能导致输入电流波动幅度较大。

快速响应触发电路中，采用中间母线电容的电压范围作为判断变换器状态的依据，可以依照中间母线电压的平均值和纹波峰峰值对阈值电压范围进行选取，阈值电压上限要大于稳态工作时母线电压的上限，阈值电压下限要低于稳态工作时母线电压的下限，并根据实际情况留有一定裕量，以上操作可通过一个窗口比较器实现。当母线电压在规定范围内时，窗口比较器输出为低电平，母线电压超出规定范围时，窗口比较器输出为高电平。为了防止控制模式在边界处反复切换，影响变换器的稳定性，在窗口比较器后再接入一个延时电路，当母线电压回到规定范围内时，仍会处于快速动态响应模式一段时间，等母线电压稳定后，再进入脉动抑制模式。

本发明的关键电路连接方法如下：

所述两级式脉动功率抑制变换器的前级转换电路的控制电路包括：电流采样电路(3)通过测量采样电阻上的电压采样升压电路电感电流；电压采样电路(4)采样中间母线电容C_bus两端的电压；电压采样电路(4)采样的电压信号接入电压调节器(5)，转化为电压误差信号；电压调节器(5)输出的电压误差信号作为电流基准输入到电流调节器(6)中，电流调节器比较电流采样信号和电流基准信号，产生电流误差信号与锯齿波交结，再经过驱动电路(8)产生前级转换电路的栅极驱动信号。

所述电压调节器(5)中，电阻R₁₀将母线电压采样信号v_{cb_sense}连接至运算放大器amp3的反向输入端，一个由选通开关S₁与电阻R₉串联组成的支路并接在电阻R₁₀两端，选通开关S₁的开通信号为FDR_on，电压参考信号V_ref接入运算放大器amp3的同相输入端，电容C₁和电阻R₁₁组成的串联支路连接于运算放大器amp3的反向输入端与输出端之间，电容C₂也连接于运算放大器amp3的反向输入端与输出端之间，带阻滤波器和选通开关S₃组成的串联支路连接于运算放大器amp3的输出端与电流调节器中运算放大器amp4的同相输入端之间，选通开关S₃的开通信号为FDR_off，选通开关S₂连接于运算放大器amp3的输出端与电流调节器中运算放大器amp4的同相输入端之间，选通开关S₂的开通信号为FDR_on。选通开关可以选用集成模拟开关芯片实现。

所述快速动态响应触发电路(5)中，母线电压采样信号v_{cb_sense}连接至比较器comp2的同相输入端和比较器comp3的反相输入端，高阈值电压V_RH连接至比较器comp2的反相输入端，低阈值电压V_RL连接至比较器comp3的同相输入端，比较器comp2和比较器comp3的输出端分别连接至二级管D₁和二级管D₂的阳极，二级管D₁和二级管D₂的阴极由电阻R₁₄和电阻R₁₅串连接地，稳压二极管D₃并联在电阻R₁₅两端，并且阳极接地，电阻R₁₄和电阻R₁₅的中点连接二级管D₄的阳极，二级管D₄的阴极连接至电容C₅，电容C₅的另一端接地，电阻R₁₆与电容C₅并联，二级管D₄与电容C₅的中点接至比较器comp4的正向输入端，比较器comp4的反向端接阈值电压V_th，比较器comp4输出快速动态响应的开启标志信号FDR_on，开启标志信号FDR_on经过反相器转化为快速动态响应的关闭标志信号FDR_off。

附图6为本发明使用的带阻滤波器，为低通滤波器和高通滤波器叠加的形式。R₁₇、R₁₈、C₆、C₇和amp5组成低带宽的低通滤波器，其截止频率设计在脉动频率的下限；R₁₉、R₂₀、C₈、C₉和amp6组成高带宽的高通滤波器，其截止频率设计在脉动频率的上限，R₂₁、R₂₂、R₂₃、R₂₄和amp7组成同相加法器，将低通滤波器和高通滤波器的输出相加，上述电路共同构成一个阻隔瓶频段为负载脉动频段的带阻滤波器。

以上实施方式仅为说明本发明的技术思想，并不用于限制本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本发明技术方案基础上所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种两级式低频脉动功率抑制变换器，该变换器为两级式结构，包括前级主功率电路(1)、后级转换电路(2)，以及电流采样电路(3)、电压采样电路(4)、电压调节器(5)、电流调节器(6)和驱动电路(8)等组成的前级控制电路，其特征在于：所述控制电路的电压调节器中含有带阻滤波器和三个选通开关，通过所述三个选通开关可以控制所述电压调节器工作于两种模式，模式一为脉动抑制模式，所述带阻滤波器串接在低带宽补偿器后组成电压调节器；模式二为快速动态响应模式，所述带阻滤波器被所述选通开关从环路中切除，由一个较高带宽补偿器单独构成电压调节器；

所述控制电路还包括一个快速动态响应触发电路(7)，所述快速动态响应触发电路通过所述电压采样电路的采样信号对电路状态做出判断，当判断电路处于暂态时，控制所述选通开关使所述电压调节器工作于快速动态响应模式，反之，则工作于脉动抑制模式。

2.根据权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，带阻滤波器使用低带宽低通滤波器和高带宽高通滤波器叠加的形式。

3.根据权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，所述补偿器可以为单极点补偿器、PI补偿器或者单极点单零点补偿器。

4.根据权利要求1所述的快速动态响应触发电路(7)，其特征在于，电压采样信号经过comp2、comp3、D₁、D₂、R₁₄、R₁₅、D₃组成的窗口比较器后，再经过由D₄、C₅、R₁₆、comp4组成的延时电路产生快速动态响应触发信号。

5.两级式低频脉动功率抑制变换器的控制方法，其特征在于，变换器工作于稳态时，电压调节器处于脉动抑制模式，电压采样电路采样中间母线电压产生采样信号v_{cb_sense}，该采样信号经过R₁₀、C₁、R₁₁、C₂和amp3组成的较低带宽的补偿器和带阻滤波器后作为电流调节器的电流参考信号；工作于暂态时，电压调节器处于快速动态响应模式，所述电压采样信号经过R₉、R₁₀、C₁、R₁₁、C₂和amp3组成的较高带宽的补偿器后作为电流调节器的电流参考信号。

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