CN113922664B - 低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电能变换装置的直流‑直流变换器技术领域，特别涉及低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置。该变换器包括主功率电路和控制电路，其中控制电路包括Boost变换器控制及驱动电路、双向Buck‑Boost变换器控制及驱动电路。由输出电压反馈电路和Boost控制及驱动电路实现主电路Boost变换器双闭环控制，由输出电流检测电路、基于变电感的可调准谐振控制器、运算电路和Buck‑Boost控制及驱动电路实现双向变换器可调双闭环控制。本发明实现了脉动负载电源输出电压恒定，输出电压和输入电流低纹波，并且控制电路中的可变电感可以调节控制器，适应不同负载频率工况。

Description

低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置

技术领域

本发明涉及电能变换装置的直流-直流变换器技术领域，特别涉及一种基于双向变换器的低频脉动负载功率变换装置。

背景技术

脉冲电源是一种特殊的供电电源，它的输出电压或者电流表现形式为周期性的正弦波、方波和三角波等，脉冲电源被广泛应用于电镀、雷达发射机和逆变器等场合。根据负载脉动的频率可以分为低频脉冲电源和高频脉冲电源，根据输出电压等级可以分为高压脉冲电源和低压脉冲电源。其中，当负载接逆变器或电机等负载时，输出电流为正弦脉动形式，输出电压为恒定值。脉冲电源的输出电压恒定，输出电流为正弦波动，因此电源的输出功率也表现为正弦波动，与此同时，电源的输入电压恒定，输入电流也要求平直，以免影响前级供电电源，所以必须平衡输入与输出间的瞬时功率差。通常采用在输出端并联一个储能电容的方式，但当负载波动频率较低时，所需的储能电容较大，这会大大影响整个电源的体积和质量。常用的解决方式有两级式变换器结构和三端口变换器等，这些功率变换装置能够有效减小储能电容容值和体积，但是增加的电路结构比较复杂，控制也复杂。

实际应用中常采用在输出端并联一个双向变换器代替储能电容来处理不平衡部分功率。双向变换器被广泛应用于单相逆变器和单相PFC变换器中，同样，双向变换器在LED驱动电源中也得到了广泛的应用，用来吸收两倍工频的脉动电流，由此大幅度减小电容容量。总体而言，选用双向变换器都是为了取代庞大的母线电容，并为脉动部分功率提供一条路径。同样地，这种方式也可以应用到本发明脉动直流电源的设计中来。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟控制的低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置，采用了变电感技术控制的可变谐振频率的准比例谐振控制器，克服了传统比例谐振控制器只对单一频率有作用，且整个系统只用到模拟控制，

本发明提出了一种低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置，包括主功率电路和控制电路。

所述主功率电路包括主电路Boost变换器和Buck-Boost双向变换器，Boost变换器有输入电压源V_in、主电感L、开关管Q₁、二极管D、滤波电容C_o和负载；Buck-Boost双向变换器包括电感L_b、开关管Q₂、Q₃、二极管D_b、储能电容C_b。所述Boost变换器输入电压源V_in的正极与主电感L的一端连接，负极与采样电阻R_s1一端连接，样电阻R_s1另一端和开关管Q₁的源极连接到参考零电位，开关管Q₁的漏极和主电感L的另一端连接到二极管D的阳极，二极管D的阴极连接滤波电容C_o和负载的正极，滤波电容C_o和负载的负极和参考零电位相连，负载为一脉动电流源，串联一电流检测电阻R_s2。所述Buck-Boost双向变换器电感一端和负载正极相连，另一端连接Q₂的漏极连和Q₃的源极，Q₃的漏极连接储能电容C_b的正极，C_b的负极和Q₂的源极连接采样电阻R_s3，R_s3另一端连接到参考零电位。

所述的控制电路包括Boost变换器控制电路和Buck-Boost双向变换器控制电路。Boost变换器控制电路包括输出电压反馈控制电路、电感电流采样控制电路和Boost驱动电路。Buck-Boost双向变换器控制电路包括输出电流采样滤波电路，储能电压电压采样控制电路，减法电路，双向变换器电流采样控制电路和双向变换器驱动电路。

进一步地，所述的低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置，其Boost输出电压反馈控制电路包括分压电阻R_a、R_b，第一第二电阻R₁、R₂，第一第二电容C₁、C₂和第一运放opa1。

R_a和R_b串联并联到负载两端，R_a的一端连到输出正极，R_b的另一端连到参考零电位。R_a和R_b的连接点连到R₁，R₁和C₁、C₂连到第一运放opa1的反向输入端，R₂和C₁相连，R₂和C₂的另一端连到第一运放opa1的输出端。

进一步地，所述的一种低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置，其Boost电感电流采样控制电路包括分压电阻R_a、R_b，第三第四电阻R₃、R₄，第三第四电容C₃、C₄和控制芯片SG3525a。

第三电阻R₃连到主电路采样电阻R_s1的一端，R₃和C₃、C₄连到3525a内部运放的反向输入端，R₄和C₃相连，R₄和C₄相的另一端连到内部运放的输出端。

进一步地，所述的一种低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置，其Boost驱动电路包括控制芯片3525和或门OR1。

3525a的11和14脚输出接到或门OR1的两个输入，或门OR1的输出连接到开关管Q₁的栅极作为驱动。

进一步地，所述的一种低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置，其Buck-Boost双向变换器控制电路中输出电流采样滤波电路包括第五电容C₅、第五电阻R₅和第二运放opa2。

第五电容C₅连到主电路采样电阻R_s2的一端，另一端和第五电阻R₅连接到第二运放opa2的同向输入端，opa2的反向输入端连接到输出端。

进一步地，所述的一种低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置，其特Buck-Boost双向变换器储能电容电压采样控制电路包括分压电阻R_c、R_d，第六第七电阻R₇、R₈，第六第七电容C₇、C₈和第三运放opa3。

R_c和R_d串联并联到C_b两端，R_c的一端连到输出正极，R_d的另一端连到参考零电位。R_c和R_d的连接点连到R₆，R₆和C₆、C₇连到第三运放opa3的反向输入端，R₇和相连，R₇和C₇的另一端连到第三运放opa3的输出端。

进一步地，所述的一种低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置，其Buck-Boost双向变换器控制电路中减法电路包括第八到第十一电阻R₈～R₁₁和第四运放opa4。

第八电阻R₈连到第二运放opa2的输出端，另一端和第九电阻R₉连接到第四运放opa4的反相输入端，R₉另一端连接到参考地，第十电阻R₁₀连到第三运放opa3的输出端，另一端和第十一电阻R₁₁连接到第四运放opa4的反相输入端，第十一电阻R₁₁另一端连接到第四运放opa4的输出端。

进一步地，所述的一种低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置，其Buck-Boost双向变换器控制电路中电流环包括第十二到第十九电阻R₁₂～第五第六第七运放opa5、opa6、opa7。

第十四和十二连到采样电阻R_s3的一端，第十四电阻R₁₄另一端和可变电感L_v、第十电容C₁₀串联，最后第十电容C₁₀另一端连接到第六运放opa6的反相输入端，第十五电阻R₁₅一端和opa6的反相输入端相连，另一端和opa6的输出端相连。R₁₂和C₈、C₉连到第五运放opa5的反相输入端，R₁₃和C₈相连，R₁₃和C₉的另一端连到第五运放opa5的输出端。第十六电阻R₁₆连到第六运放opa6的输出端，第十七电阻R₁₇连到第五运放opa5的输出端，R₁₆、R₁₇另一端连接到第七运放opa7的同相输入端，R₁₈另一端连接到参考地，第十九电阻R₁₉连到第三运放opa3的输出端，另一端和第十八电阻R₁₈连接到第七运放opa7的反相输入端。

进一步地，所述的一种低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置，其Buck-Boost双向变换器驱动电路包括SG3525b、或门OR2和非门。

SG3525b的二脚连到第七运放opa7的输出端，SG3525b的11和14输出脚经过或门后连到Q₂的栅极作为驱动，再经过非门后连到Q₃的栅极作为驱动。

本发明实现了脉动负载电源输出电压恒定，输出电压和输入电流低纹波，控制电路中加入了准谐振控制器，可以控制双向变换器更好跟随正弦电流基准，减小输入电流脉动，而且控制电路中的可变电感可以调节准谐振控制器，适应不同负载频率工况。

附图说明

图1是本发明实施例中低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置的电路结构示意图。其中，1为主功率电路，包括Boost变换器控制电路和Buck-Boost双向变换器控制电路。2为Boost变换器控制电路包括输出电压反馈控制电路。3为电感电流采样控制电路。4为Boost驱动电路。5为Buck-Boost双向变换器控制电路包括输出电流采样滤波电路。6为储能电压电压采样控制电路。7为减法电路。8为双向变换器电流采样控制电路。9为双向变换器驱动电路。

图2是变换器主功率电路。

图3是本功率变换装置稳态工作下关键波形图。

图4是为设计的可调准谐振控制器伯德图。

图5是可变电感基本模型。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，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，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1

低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置的工作原理

图2是变换器主功率电路

设定：1.所有器件均为理想元件；2.开关频率远高于输入电压和负载脉动频率。

图3是本功率变换装置稳态工作下关键波形图。

此时，在负载脉动周期内，主功率电路中Boost变换器仅处理恒定的直流功率，输出电压恒定，输入电流平直，输出电压与输入电压满足关系

双向变换器处理负载中脉动部分功率，输出电流表达式为

i_o＝I_o+I_msinωt (2)

双向变换器电感电流为输出电流的脉动分量，即

i_b＝I_msinωt (3)

则，双向变换器处理的功率为：

p_b(t)＝V_oI_msinωt (4)

在一个脉动周期内，从0到T/2时间段内，双向变换器储能电容电压从V_{cb_max}下降，电容处理的能量表达式为

同时，还可以写为

可得双向变换器电容电压表达式为：

实施例2

实现低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置的控制策略

本发明提出的低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置的控制策略，可以实现宽负载脉动频率范围下，电路输出电压保持恒定，输入电流平直。根据负载脉动频率的不同，调节控制器中准谐振控制电路的谐振频率，从而使得整个控制电路能够适应宽范围的工作模态，而且整个装置都由模拟电路实现。

在低频大脉动电流输出条件下，为了实现输出电压稳定、输入电流平直，主电路采用Boost电路，在输出端并联一双向Buck-Boost变换器。

主电路采用电压电流双闭环控制，主电路输出电压采样控制电路(2)产生电压误差信号v_ea，v_ea作为主电路电感电流采样控制基准，送入主电路电感电流采样控制电路(3)，再由驱动电路产生主电路的驱动信号。实现电压电流双闭环控制。

双向Buck-Boost变换器需要控制储能电容C_b的电压，同时也需要控制变换器输出电流。

双向变换器储能电容电压采样控制电路(6)控制电容电压平均值，产生电压误差信号v_eab。输出电流采样滤波电路可以将输出电流中脉动的交流分量i_o采样出来，减法电路(7)实现i_o与v_eab相减作为双向变换器电流基准i_ref。双向变换器电流采样控制电路(8)集成了三个电路，由R₁₄、R₁₅、C₁₀、L_v和opa6组成的可调准谐振控制器，由R₁₂、R₁₃、C₈、C₉和opa5组成的PI控制器，这两个控制器的输出送入由R₁₇～R₁₉组成的加法器，由PI控制器和准谐振控制器构成的控制电路可以实现对正弦信号的无差跟踪，而电路中的模拟准谐振控制器应用了可变电感技术，通过调节控制电路中的可变电感L_v来实现对不同脉动频率电流基准的跟随，使得整个电路可以适用于更广的应用场合.

准比例谐振控制器传递函数为

图4、5为设计的可调准谐振控制器伯德图，通过改变电感值可以得到谐振频率不同的控制器，从而能够针对不同频率的脉动负载。

实施例3可变电感的实现

可变电感的基本模型如图6所示，由两个侧边的辅助绕组和中间的主绕组构成，通过控制流过辅助绕组N_C的偏置电流i_bias的大小，可以改变主磁芯电感L_v的大小，在本发明中，使用双E型磁芯，如图6所示。主电感绕组N_L缠绕在带有气隙的中间磁芯上，辅助绕组N_C绕在两侧磁芯上，两辅助绕组串联连接，以消除由主电感电流波动引起的感应电压。当无偏置电流时，主绕组维持初始电感值，与正常电感相同；当有偏置电流i_bias流过N_C时，沿着双E型磁芯的外部路径就会产生偏置磁通Φ_bias，随着Φ_bias增加，Φ_bias将磁芯在B-H曲线上的工作点由线性区推向非线性饱和区域，磁芯沿该路径的磁导率μ降低，这时，当主绕组通电时，会产生主磁通Φ_main，由于主磁通Φ_main流过中间磁芯和外部路径，主磁芯也受到偏置电流的影响，磁导率降低。综上，i_bias降低了中间磁芯上的有效磁导率，导致主电感L_v降低。

根据图6可变电感基本模型可推导出可变电感计算公式为：

式中，l₁，l₃，l_g分别是辅助绕组、主绕组和气隙有效磁路长度；A₁、A₃是辅助磁芯和主磁芯的有效截面积；n₃是主绕组的匝数；μ₀是空气磁导率；μ₃和μ_var分别是主绕组和辅助绕组的有效磁导率。

通过式(9)可以知，变电感实质是通过偏置电流改变μ₃和μ_var，即主绕组和辅助绕组的有效磁导率。

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 (9)

1.一种低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置，其特征在于，包括主功率电路和控制电路；

所述主功率电路(1)包括主电路Boost变换器和Buck-Boost双向变换器，Boost变换器有输入电压源V_in、主电感L、开关管Q₁、二极管D、滤波电容C_o和负载；Buck-Boost双向变换器包括电感L_b、开关管Q₂、Q₃、二极管D_b、储能电容C_b，所述Boost变换器输入电压源V_in的正极与主电感L的一端连接，负极与采样电阻R_s1一端连接，样电阻R_s1另一端和开关管Q₁的源极连接到参考零电位，开关管Q₁的漏极和主电感L的另一端连接到二极管D的阳极，二极管D的阴极连接滤波电容C_o和负载的正极，滤波电容C_o和负载的负极和参考零电位相连，负载为一脉动电流源，串联一电流检测电阻R_s2，所述Buck-Boost双向变换器电感一端和负载正极相连，另一端连接Q₂的漏极连和Q₃的源极，Q₃的漏极连接储能电容C_b的正极，C_b的负极和Q₂的源极连接采样电阻R_s3，R_s3另一端连接到参考零电位；

所述的控制电路包括Boost变换器控制电路和Buck-Boost双向变换器控制电路，Boost变换器控制电路包括输出电压反馈控制电路(2)、电感电流采样控制电路(3)和Boost驱动电路(4)，Buck-Boost双向变换器控制电路包括输出电流采样滤波电路(5)，储能电压电压采样控制电路(6)，减法电路(7)，双向变换器电流采样控制电路(8)和双向变换器驱动电路(9)。

2.根据权利要求1所述的一种低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置，其特征在于所述的Boost输出电压反馈控制电路包括分压电阻R_a、R_b，第一第二电阻R₁、R₂，第一第二电容C₁、C₂和第一运放opa1；

R_a和R_b串联并联到负载两端，R_a的一端连到输出正极，R_b的另一端连到参考零电位，R_a和R_b的连接点连到R₁，R₁和C₁、C₂连到第一运放opa1的反向输入端，R₂和C₁相连，R₂和C₂的另一端连到第一运放opa1的输出端。

3.根据权利要求1所述的一种低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置，其特征在于所述的Boost电感电流采样控制电路包括分压电阻R_a、R_b，第三第四电阻R₃、R₄，第三第四电容C₃、C₄和控制芯片SG3525；

第三电阻R₃连到主电路采样电阻R_s1的一端，R₃和C₃、C₄连到SG3525a内部运放的反向输入端，R₄和C₃相连，R₄和C₄相的另一端连到内部运放的输出端。

4.根据权利要求1所述的一种低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置，其特征在于所述的Boost驱动电路包括控制芯片SG3525a和或门OR1；

SG3525a的11和14脚输出接到或门OR1的两个输入，或门OR1的输出连接到开关管Q₁的栅极作为驱动。

5.根据权利要求1所述的一种低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置，其特征在于所述的Buck-Boost双向变换器控制电路中输出电流采样滤波电路包括第五电容C₅、第五电阻R₅和第二运放opa2；

第五电容C₅连到主电路采样电阻R_s2的一端，另一端和第五电阻R₅连接到第二运放opa2的同向输入端，opa2的反向输入端连接到输出端。

6.根据权利要求1所述的一种低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置，其特征在于所述的Buck-Boost双向变换器储能电容电压采样控制电路包括分压电阻R_c、R_d，第六第七电阻R₇、R₈，第六第七电容C₇、C₈和第三运放opa3；

R_c和R_d串联并联到C_b两端，R_c的一端连到输出正极，R_d的另一端连到参考零电位，R_c和R_d的连接点连到R₆，R₆和C₆、C₇连到第三运放opa3的反向输入端，R₇和相连，R₇和C₇的另一端连到第三运放opa3的输出端。

7.根据权利要求1所述的一种低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置，其特征在于所述的Buck-Boost双向变换器控制电路中减法电路包括第八到第十一电阻R₈～R₁₁和第四运放opa4；

第八电阻R₈连到第二运放opa2的输出端，另一端和第九电阻R₉连接到第四运放opa4的反相输入端，R₉另一端连接到参考地，第十电阻R₁₀连到第三运放opa3的输出端，另一端和第十一电阻R₁₁连接到第四运放opa4的反相输入端，第十一电阻R₁₁另一端连接到第四运放opa4的输出端。

8.根据权利要求1所述的一种低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置，其特征在于所述的Buck-Boost双向变换器控制电路中电流环包括第十二到第十九电阻R₁₂～第五第六第七运放opa5、opa6、opa7；

第十四和十二连到采样电阻R_s3的一端，第十四电阻R₁₄另一端和可变电感L_v、第十电容C₁₀串联，最后第十电容C₁₀另一端连接到第六运放opa6的反相输入端，第十五电阻R₁₅一端和opa6的反相输入端相连，另一端和opa6的输出端相连，R₁₂和C₈、C₉连到第五运放opa5的反相输入端，R₁₃和C₈相连，R₁₃和C₉的另一端连到第五运放opa5的输出端，第十六电阻R₁₆连到第六运放opa6的输出端，第十七电阻R₁₇连到第五运放opa5的输出端，R₁₆、R₁₇另一端连接到第七运放opa7的同相输入端，R₁₈另一端连接到参考地，第十九电阻R₁₉连到第三运放opa3的输出端，另一端和第十八电阻R₁₈连接到第七运放opa7的反相输入端。

9.根据权利要求1所述的一种低频大脉动电流输出无脉动电流输入的功率变换装置，其特征在于所述的Buck-Boost双向变换器驱动电路包括SG3525b、或门OR2和非门；

SG3525b的二脚连到第七运放opa7的输出端，SG3525b的11和14输出脚经过或门后连到Q₂的栅极作为驱动，再经过非门后连到Q₃的栅极作为驱动。