CN113890198B - 一种基于直流降压和输出电流控制的电感线圈充放电源 - Google Patents

一种基于直流降压和输出电流控制的电感线圈充放电源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于直流降压和输出电流控制的电感线圈充放电源，包括有依序电连接的二极管整流电路、DC/DC降压电路、输出电流控制单元和作为负载的电感线圈；所述输出电流控制单元包含有开关管T2、二极管D2、电容C3及耗能电阻R，其中二极管D2与电容C3串联后与耗能电阻R并联，然后与开关管T2串联形成电流控制支路，所述电流控制支路跨接于DC/DC降压电路后级的直流侧正负母线之间，且耗能电阻R与正母线相接、二极管D2阴极指向正母线，所述电感线圈与耗能电阻R并联；还包括有用于采集输出电流控制单元输出电流的第一电流传感器，以及用于接收第一电流传感器电参数并控制DC/DC降压电路的控制器，所述控制器通过PWM驱动开关管T2进行关断。

Description

一种基于直流降压和输出电流控制的电感线圈充放电源
技术领域
本发明涉及核聚变等离子体运动控制或电磁储能释放等领域，尤其涉及一种基于直流降压和输出电流控制的电感线圈充放电源。
背景技术
在利用磁场对带电粒子进行位置控制的特定研究领域，需要用到一些特殊用途的电感线圈，而这些电感线圈的电流或电压过程波形技术要求特殊。图1所示为电感线圈的典型电流与电压波形示意图。在较长的时间T1时间(比如50秒)内，电感线圈内的直流电流需要在外部电源的控制作用下实现从0逐步增大到某最大值I(比如250A)，而在后续的T2时间段内，其电流又从I变化到0。在T1的时间内，电感线圈的电压非常小，而且一般要求电压高频纹波也非常小，比如小于2V。而在非常短的时间T2(比如150毫秒)内，电感线圈电流需要迅速控制降为0A。针对这样特殊的电流波形，常规的单相逆变电源和控制方法无法全面满足技术指标要求，为此，本发明提出一种能实现类似电流电压严格技术指标要求的电源及实现方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种电源的硬件结构，其在软件人员对控制器编程后，能够实现图1所示的电感线圈的电流波形，并实现充电过程中电感线圈上的谐波电压毛刺较小。
为实现所述目的，依据本发明的一个方面，提供一种基于直流降压和输出电流控制的电感线圈充放电源，包括有依序电连接的二极管整流电路、DC/DC降压电路、输出电流控制单元和作为负载的电感线圈；所述输出电流控制单元包含有开关管T2、二极管D2、电容C3及耗能电阻R，其中二极管D2与电容C3串联后与耗能电阻R并联，然后与开关管T2串联形成电流控制支路，所述电流控制支路跨接于DC/DC降压电路后级的直流侧正负母线之间，且耗能电阻R与正母线相接、二极管D2阴极指向正母线，所述电感线圈与耗能电阻R并联；还包括有用于采集输出电流控制单元输出电流的第一电流传感器，以及用于接收第一电流传感器电参数并控制DC/DC降压电路的控制器，所述控制器通过PWM驱动开关管T2进行关断。
其中，还包括有计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序，所述程序被所述控制器执行时实现以下步骤：
S1.控制输出电流控制单元的输出电流跟踪电流目标波形；
S2.控制DC/DC降压电路的恒定输出直流电压Udc *，其中Udc *为根据电感线圈的电流变化率情况所计算而得的直流电压目标值。
其中，还包括用于采集DC/DC降压电路输出电压的电压传感器、用于采集DC/DC降压电路输出电流的第二电流传感器，所述控制器接收电压传感器、第二电流传感器的电参数，所述DC/DC降压电路采取电压外环电流内环的双闭环控制方式输出直流电压Udc *；和/或
所述输出电流控制单元采取电流闭环控制方式对电感线圈的电流进行控制。
其中，所述双闭环控制方式进一步包括：将输出直流电压目标值Udc *与电压传感器实时采样检测到的实际电压Udc的差值经PI调节器调节，调节器的输出经限幅器限幅后得到电流指令iL *，该电流指令与第二电流传感器实时采样检测到的实际电流iL的差值经PI调节器调节，调节器的输出经限幅器限幅后得到调制波信号，该调制波信号与三角载波信号进行比较得到PWM脉冲信号，用该PWM脉冲信号来控制DC/DC降压电路的快速通断。
其中，所述电流闭环控制方式进一步包括：将电感线圈的目标控制电流Iout *与第一电流传感器实时采样检测到的实际电流iout的差值经PI调节器调节，调节器的输出经限幅器限幅后得到调制波信号，该调制波信号与三角载波信号进行比较得到PWM脉冲信号，用该PWM脉冲信号来控制输出电流控制单元中的开关管T2的快速通断。
其中，所述直流电压目标值按
Figure BDA0003255329740000021
来确定，式中LLoad为电感线圈的电感量，/>
Figure BDA0003255329740000022
为电感线圈在充放电时间内的电流最大变化率；并且，
所述控制目标值的取值不大于X，其中X为会引起电感线圈高频电压谐波的电压。
其中，所述耗能电阻R取值按
Figure BDA0003255329740000023
来设计，式中LLoad为电感线圈的电感量，ΔT为充放电时间。
其中，所述极管整流电路输出侧的正负母线之间跨接支撑电容C1；和/或DC/DC降压电路后级的直流侧正负母线之间跨接有滤波电容C2。
其中，DC/DC降压电路包括开关管T1、二极管D1及电感L，二极管整流电路输出侧的正母线依次串联开关管T1、电感L，所述二极管D1阳极连接二极管整流电路输出侧的负母线，阴极连接开关管T1、电感L之间的接点，所述控制器通过PWM驱动开关管T1进行关断。
其中，所述电感线圈充放电源的输入侧为三相或单相。
本发明是针对控制目标而提出采用一种基于二极管整流、简单的直流降压电路及输出电流控制单元实现的，用到的开关器件数量相比采取H桥逆变的方案小，可靠性高，成本低，因而具有非常高的性价比。
所述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的所述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的台件。
在附图中：
图1示出了电感线圈的电流与电压波形示意图；
图2示出了本发明的电源主电路电气拓扑电路；
图3示出了电感线圈充放电电流控制原理图；
图4示出了DC/DC降压电路双闭环控制的控制原理图；
图5示出了电感线圈电流波形实例图；
图6示出了实例仿真波形；
图7示出了单相交流输入下的电源主电路电气拓扑电路。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
为了实现类似图1所示的电感线圈的电流与电压波形，本发明提出的电源系统采用图2所示的主电路电气拓扑方案，整个系统主电路主要由依序电连接的二极管整流电路1、DC/DC降压电路2、输出电流控制单元3、作为负载使用的电感线圈4组成，其中，二极管整流电路1输出侧的正负母线之间跨接支撑电容C1。
图2中的电感线圈4就是要实现电流控制的纯电感负载。
本发明中，二极管整流电路1的作用是将交流电压变换成后面的直流侧电压。
支撑电容C1用于减少直流纹波，为了减小二极管整流输出的直流侧的纹波电压，直流侧的支撑电容C1尽量取大。
因常规的三相交流电压为380V，直接整流后的直流侧电压太高，在整流电路后面加一级DC/DC降压电路2，将电感线圈4的充电直流电压尽可能减小，通过这种方式来确保负载电感线圈在充电控制过程中只有非常小的电流谐波。其中该降压电路2由带反并联二极管的IGBT开关管T1、快恢复型二极管D1及电感L组成，连接时，将二极管整流电路1输出侧的正母线依次串联IGBT开关管T1、电感L，所述二极管D1阳极连接二极管整流电路1输出侧的负母线，阴极连接IGBT开关管T1、电感L之间的接点。
进一步的，在DC/DC降压电路2后级的直流侧正负母线之间再跨接一滤波电容C2进一步减少直流纹波。
参见图2，输出电流控制单元3由带反并联二极管的IGBT开关管T2、快恢复性二极管D2、电容C3及耗能电阻R组成，其中二极管D2与电容C3串联后再与耗能电阻R并联，然后与IGBT开关管T2串联形成电流控制支路，电流控制支路跨接于DC/DC降压电路2后级的直流侧正负母线之间，且耗能电阻R与正母线相接、二极管D2阴极指向正母线。
本发明中，电感线圈4是直接与耗能电阻R并联。
为了控制DC/DC降压电路2的输出电压，设有电压传感器实时采样检测DC/DC降压电路2后级直流侧的正负母线间的电压大小，设有第二电流传感器实时采样检测电感L的电流大小，并且，为了控制输出电流，对输出电流控制单元3的输出侧电流设置第一电流传感器进行实时检测采样。
为了提高输出电流的控制精度，减小高频谐波毛刺，选取高精度的电压与电流传感器，比如为了使输出电压谐波毛刺幅值小于1V，输出电流谐波毛刺小于1A，则直流母线的电压传感器的采样误差要求≤0.5V，输出的电流传感器的采样误差要求≤0.5A。
本发明中，设置控制器来接收电压传感器、各电流传感器的电参数，并控制IGBT开关管TI、T2的开关导通。
工作时，通过控制IGBT开关管T2的通断来控制电感线圈4在充电过程中的电流大小，具体地，在IGBT开关管T2开通时电感线圈4内的电流是增加的，而IGBT开关管T2关断瞬间，电感线圈4的电流首先经过D2与C3续流，由C3吸收抑制电感线圈4上的电流关断尖峰电压，随着电容C3上的电压升高，电感线圈4的电流转移到耗能电阻R上，从而电感线圈4的电流将下降，因此对IGBT开关管T2采取PWM(脉宽调制控制)，可以实现负载电感线圈的电流控制。在整个控制过程中，电感线圈4两端承受的直流电压即为DC/DC降压电路2的输出电压，该电压值根据参数匹配需要可以控制为尽可能小。由于二极管D2与电容C3的尖峰电压吸收作用，可以消除或抑制负载电感线圈两端的尖峰毛刺电压。
基于上述，设置有计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序，所述程序被所述控制器执行时实现以下步骤：
S1.控制输出电流控制单元的输出电流跟踪电流目标波形；
S2.控制DC/DC降压电路的恒定输出直流电压Udc *，其中Udc *为根据电感线圈的电流变化率情况所计算而得的直流电压目标值。
具体而言，输出电流控制单元3对电感线圈4的电流控制采取电流闭环控制，方法如图3所示，将电感线圈4的目标控制电流Iout *与实时采样检测到的实际电流iout的差值经PI(比例积分)调节器调节，调节器的输出经限幅器限幅后得到调制波信号，该调制波信号与某频率(如20KHZ)的三角载波信号进行比较得到PWM脉冲信号，用该PWM脉冲信号来控制输出电流控制单元中的IGBT开关管T2的快速通断。
为了减小DC/DC降压电路2的输出直流电压的纹波，DC/DC降压电路2采取电压外环电流内环的双闭环控制方式，控制框图如图4所示，将输出直流电压目标指令Udc *与实时采样检测到的实际电压Udc的差值经PI(比例积分)调节器调节，调节器的输出经限幅器限幅后得到降压电感L的电流指令iL *，该电流指令与实时采样检测到的电感L实际电流iL的差值经PI(比例积分)调节器调节，调节器的输出经限幅器限幅后得到调制波信号，该调制波信号与某频率(如20KHZ)的三角载波信号进行比较得到PWM脉冲信号，用该PWM脉冲信号来控制DC/DC降压电路的IGBT开关管T1的快速通断。
本发明中，为了实现电感线圈4充电后的快速放电，对电流控制单元3里的耗能电阻R的阻值大小有要求，假设电感线圈4的电感量大小为LLoad,耗能电阻R取值按
Figure BDA0003255329740000051
来设计，式中ΔT为总充放电时间，而DC/DC的输出电压的控制目标值不能太大，否则会引起电感线圈4的高频电压谐波，因此，直流电压控制目标值按来确定，并且控制目标值的取值不大于X，其中X为会引起电感线圈高频电压谐波的电压，式中，/>
Figure BDA0003255329740000052
为电感线圈在充放电时间内的电流最大变化率。
本发明是针对控制目标而提出采用一种基于二极管整流、简单的直流降压电路及输出电流控制单元实现的，用到的开关器件数量相比采取H桥逆变的方案小，可靠性高，成本低，因而具有非常高的性价比。
图2所示的技术方案中，开关管除了可用IGBT外，还可以用MOS、IGCT等其它自关断半导体器件。
为便于理解上述方案，这里列举一个简单的实例辅助理解，假设电感线圈4的电感量为600mH，其充放电电流波形大致如图5所示，在0到30秒内，需要电源为电感线圈充电的电流从0线性递增到最大值180A，而在30秒的结束时刻，电源又必须实现电感线圈的电流从最大值180A在0.15秒内迅速放电到0。
基于前面提出的方法，参考经验公式Udc*>＝(L×di/dt)，可将DC/DC降压电路的输出直流电压控制目标指令需大于3.6V，取为5V，参考
Figure BDA0003255329740000061
可将耗能电阻设计为16欧。
基于上述参数和本发明当中提出的主电路和控制方法，参考图5的电感线圈目标电流波形进行电流控制，仿真得到的有关波形如图6所示。
图6中的上框图为电感线圈的实际电流波形图，可见电流跟踪效果较好，控制精度高，且基本看不到电流谐波毛刺。图6中的下框为电感线圈的两端电压，可见尖峰毛刺电压较小，小到图示中显示不出来。说明所提出的主电路方案和控制方法是正确可行的。
本发明虽然详细介绍的方案是以输入为三相交流电的情形，倘若只有单相交流电输入的情况下，则可采取单相二极管整流方式，如图7所示。另外，本专利对二极管整流电路只给出了简单示意图，其实真正应用时考虑到上电时对整流后直流侧电容的电流冲击，需要在二极管整流环节增加常规的冲击电流抑制电路，或预充电电路等，这些电路应是在图2和图7基础上的增加改进，其并不影响本专利方案中后半部分直流电压与电感线圈电流的控制部分，因此即使有类似这样的电路改进，这些都应属于本专利为实现电感线圈充放电波形而提出的电气方案的专利保护范围。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

Claims (7)

1.一种基于直流降压和输出电流控制的电感线圈充放电源，其特征在于：
包括有依序电连接的二极管整流电路、DC/DC降压电路、输出电流控制单元和作为负载的电感线圈；
所述输出电流控制单元包含有开关管T2、二极管D2、电容C3及耗能电阻R，其中二极管D2与电容C3串联后与耗能电阻R并联，然后与开关管T2串联形成电流控制支路，所述电流控制支路跨接于DC/DC降压电路后级的直流侧正负母线之间，且耗能电阻R与正母线相接、二极管D2阴极指向正母线，所述电感线圈与耗能电阻R并联；
还包括有用于采集输出电流控制单元输出电流的第一电流传感器，以及用于接收第一电流传感器电参数并控制DC/DC降压电路的控制器，所述控制器通过PWM驱动开关管T2进行关断；
还包括有计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序，所述程序被所述控制器执行时实现以下步骤：
S1.控制输出电流控制单元的输出电流跟踪电流目标波形；
S2.控制DC/DC降压电路恒定输出直流电压Udc *，其中Udc *为根据电感线圈的电流变化率情况所计算而得的直流电压目标值；
所述直流电压目标值按
Figure FDA0004126768480000011
来确定，式中LLoad为电感线圈的电感量，/>
Figure FDA0004126768480000012
为电感线圈在充放电时间内的电流最大变化率；并且，
所述目标值的取值不大于X，其中X为会引起电感线圈高频电压谐波的电压；
所述耗能电阻R取值Rh按
Figure FDA0004126768480000013
来设计，式中LLoad为电感线圈的电感量，ΔT为充放电时间。
2.如权利要求1所述的电感线圈充放电源，其特征在于，
还包括用于采集DC/DC降压电路输出电压的电压传感器、用于采集DC/DC降压电路输出电流的第二电流传感器，所述控制器接收电压传感器、第二电流传感器的电参数，所述DC/DC降压电路采取电压外环电流内环的双闭环控制方式输出直流电压Udc *；和/或
所述输出电流控制单元采取电流闭环控制方式对电感线圈的电流进行控制。
3.如权利要求2所述的电感线圈充放电源，其特征在于，所述双闭环控制方式进一步包括：将输出直流电压目标值Udc *与电压传感器实时采样检测到的实际电压Udc的差值经PI调节器调节，调节器的输出经限幅器限幅后得到电流指令iL *，该电流指令与第二电流传感器实时采样检测到的实际电流iL的差值经PI调节器调节，调节器的输出经限幅器限幅后得到调制波信号，该调制波信号与三角载波信号进行比较得到PWM脉冲信号，用该PWM脉冲信号来控制DC/DC降压电路的快速通断。
4.如权利要求2所述的电感线圈充放电源，其特征在于，所述电流闭环控制方式进一步包括：将电感线圈的目标控制电流Iout *与第一电流传感器实时采样检测到的实际电流iout的差值经PI调节器调节，调节器的输出经限幅器限幅后得到调制波信号，该调制波信号与三角载波信号进行比较得到PWM脉冲信号，用该PWM脉冲信号来控制输出电流控制单元中的开关管T2的快速通断。
5.如权利要求1所述的电感线圈充放电源，其特征在于，
所述二极管整流电路输出侧的正负母线之间跨接支撑电容C1；和/或
DC/DC降压电路后级的直流侧正负母线之间跨接有滤波电容C2。
6.如权利要求1所述的电感线圈充放电源，其特征在于，DC/DC降压电路包括开关管T1、二极管D1及电感L，二极管整流电路输出侧的正母线依次串联开关管T1、电感L，所述二极管D1阳极连接二极管整流电路输出侧的负母线，阴极连接开关管T1、电感L之间的接点，所述控制器通过PWM驱动开关管T1进行关断。
7.如权利要求1所述的电感线圈充放电源，其特征在于，所述电感线圈充放电源的输入侧为三相或单相。
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