CN114355765A - 一种多激励输出的全桥激励源和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多激励输出的全桥激励源和控制方法，所述激励源包括：调制电源；全桥，由第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件连接组成，所述全桥连接所述调制电源，所述全桥的桥臂和所述激励源的输出端之间均连接有滤波元件，多个所述滤波元件分别通过连接多个开关来控制是否接入电路；继电器控制模块，用于控制所述多个开关的开闭；闭环控制模块，通过PWM调制模块控制所述激励源的输出；本发明通过改变所述开关的开闭和PWM调制模块的输出的不同组合获取不同的激励输出。本发明能够产生尽可能覆盖各种实际工况的激励波形，进而准确地得到磁元件在应用工况下的损耗情况。

Description

一种多激励输出的全桥激励源和控制方法

技术领域

本发明涉及测量测试领域，具体涉及一种多激励输出的全桥激励源和控制方法。

背景技术

在磁元件的损耗测量过程中，需要在待测磁元件施加一定水平的激励以测量其在该工况下的损耗。通常使用的激励手段有两种，一种是函数发生器和功率运放，优点是能够产生任意的激励波形，缺点是激励水平较低，且无法产生直流偏置；二是通过全桥逆变器激励待测磁元件，优点是能够有较高的激励水平，缺点是只能产生方波和梯形波激励，无法分离基波损耗与纹波损耗。

为了优化电力电子装备中磁元件的设计，进一步提高功率密度，需要准确地得到磁元件在应用工况下的损耗情况。另一方面，磁元件的表现与多个参数非线性相关，间接的估计结果往往误差很大。为了直接测量得到待测磁元件在实际工况下的损耗情况，需要激励源能够产生尽可能覆盖各种实际工况的激励波形。

发明内容

本发明提供一种多激励输出的全桥激励源和控制方法，能够解决需要准确地得到磁元件在应用工况下的损耗情况以及磁元件的表现与多个参数非线性相关，间接的估计结果往往误差很大的问题。为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种多激励输出的全桥激励源，包括：

调制电源；

全桥，由第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件连接组成；连接所述调制电源，所述全桥的桥臂和所述激励源的输出端之间均连接有滤波元件，多个所述滤波元件分别通过连接多个开关来控制是否接入电路；

继电器控制模块，用于控制所述多个开关的开闭；

闭环控制模块，通过PWM调制模块控制所述激励源的输出；

通过改变所述开关的开闭和PWM的输出的不同组合获取不同的激励输出。

较佳地，所述滤波元件为电容和/或电感。

较佳地，所述第一开关元件和第三开关元件连接第一电容和第二电容，所述第一电容和第二电容并联连接；第二开关元件和第四开关元件连接第三电容和第四电容，所述第三电容和第四电容并联连接；第三开关元件和第四开关元件连接第一电感；第一开关元件和第二开关元件连接第二电感。

较佳地，所述多个开关包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，所述第一开关和所述第一电感并联连接后连接激励输出第一端，所述第二开关和所述第二电感并联连接激励输出第二端，所述第二电容和第三电容连接后再连接第三开关，所述第一电容和第四电容连接后再连接第四开关，所述第三开关连接激励输出第一端，所述第四开关连接激励输出第二端。

较佳地，所述第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件为碳化硅MOSFET。

较佳地，所述闭环控制模块预设的基波信号为正弦波、直流或0。

较佳地，所述闭环控制模块通过PR控制策略或PI控制策略通过PWM调制模块控制所述激励源的输出。

本发明还提供一种多激励输出的全桥激励源的控制方法，采用上述的多激励输出的全桥激励源，通过控制所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的通断，以及选用闭环控制模块的PR控制策略或PI控制策略，控制所述全桥激励源输出不同波形。

本发明的有益效果是：

（1）采用全碳化硅开关器件的全桥逆变拓扑，可以产生很高水平的激励，并且满足高频测量需要。

（2）在交流侧集成了由继电器控制的滤波电路，能够分离基波损耗与纹波损耗。

（3）通过改变所述开关的开闭和PWM调制模块的输出的不同组合获取不同的激励输出，拥有灵活多样的控制手段，产生的激励参数可控，且输出电流应用闭环控制，实现精确控制。

（4）能够实现四种激励模式，基本覆盖磁元件在电力电子领域的工作波形。

附图说明

图1为实施例1中的多激励输出的全桥激励源示意图；

图2(a)为实施例2中的第一种控制方式等效电路的示意图；

图2(b)为实施例2中的第一种控制方式的波形图；

图3(a)为实施例2中的第二种控制方式等效电路的示意图；

图3(b)为实施例2中的第二种控制方式的波形图；

图4(a)为实施例2中的第三种控制方式等效电路的示意图；

图4(b)为实施例2中的第三种控制方式的波形图；

图5(a)为实施例2中的第四种控制方式等效电路的示意图；

图5(b)为实施例2中的第四种控制方式的波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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，本领域普通技术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，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种多激励输出的全桥激励源，如图1所示，包括：调制电源1；全桥2，与调制电源1相连接，所述全桥2由第一开关元件2-1、第二开关元件2-2、第三开关元件2-3和第四开关元件2-4连接组成；全桥2的桥臂上均连接有滤波元件，滤波元件分别通过连接多个开关来控制是否接入电路；继电器控制模块3，用于控制所述多个开关的开闭；闭环控制模块4，通过PWM调制模块17控制调制电源1的输出；通过改变所述开关的开闭和PWM的输出的不同组合获取不同的激励输出。

本实施例中，全桥2由第一开关元件2-1、第二开关元件2-2、第三开关元件2-3和第四开关元件2-4连接组成，其中第一开关元件2-1、第二开关元件2-2、第三开关元件2-3和第四开关元件2-4可全为碳化硅MOSFET，也可全为IGBT或其他功率元件。作为一种优选的实施方式，选为碳化硅MOSFET，采用全碳化硅开关器件的全桥逆变拓扑，可以产生很高水平的激励，并且满足高频测量需要。

本实施例中，所述滤波元件包括第一电容5、第二电容6、第三电容7和第四电容8，以及第一电感9和第二电感10。控制上述滤波元件是否接入电路的开关有第一开关11、第二开关12、第三开关13和第四开关14。在交流侧集成了由继电器控制的滤波电路，能够分离基波损耗与纹波损耗。

本实施例中，第一开关元件2-1和第三开关元件2-3之间连接一组并联连接第一电容5和第二电容6，第二开关元件2-2和第四开关元件2-4之间连接一组并联连接的第三电容7和第四电容8，同时第二电容6与第三电容7串联，第一电容5与第四电容8串联。

本实施例中，第二电容6与第三电容7串联连接后再连接第三开关13，该第三开关13连接激励源输出的第一端15。第三开关13的开闭控制着第三电容6和第四电容7是否接入电路，当第三开关13闭合时，则第三电容6和第四电容7接入电路，当第三开关13断开时，则第三电容6和第四电容7无法接入电路。

本实施例中，第一电容5与第四电容8串联连接后再连接第四开关14，该第四开关14连接激励源输出的第二端16。第四开关14的开闭控制着第一电容5和第四电容8是否接入电路，当第四开关14闭合时，则第一电容5和第四电容8接入电路，当第四开关14断开时，则第一电容5和第四电容8无法接入电路。

本实施例中，第三开关元件2-3和第四开关元件2-4连接第一电感9，该第一电感9与第一开关11并联后连接激励源输出的第一端15。当第一开关11的闭合时，第一电感9被短路，则第一电感9无法接入电路；当第一开关11断开时，第一电感9接入电路，连接激励源输出的第一端15。

本实施例中，第一开关元件2-1和第二开关元件2-2连接第二电感10，该第二电感10与第二开关12并联后连接激励源输出的第二端16。当第二开关12的闭合时，第二电感10被短路，则第二电感10无法接入电路；当第二开关12断开时，第二电感10接入电路，连接激励源输出的第二端16。

本实施例中，闭环控制模块4根据预设的基波信号和选择的控制策略，并经过PWM调制模块17控制调制电源1输出，基波信号可为正弦波、直流和0。基波信号为正弦波时，采用PR控制策略；基波信号为直流或0时，采用PI控制策略。

所述PWM调制模块17、闭环控制模块4和继电器控制模块3在控制和驱动系统中实现，所述控制和驱动系统可采用工业控制板等电控板实现，所述控制和驱动系统还包括工作模块和参数给定模块，所述工作模块和参数给定模块为所述调制电源1提供可调制的电压，为所述PWM调制模块17提供死区时间和开关频率，为所述闭环控制模块4提供基波电流参考，为所述继电器控制模块3提供开关信号。所述控制和驱动系统通过给定直流电压、控制所述PWM调制模块17的开关频率、死区时间进而实现对全桥2的输出。

另外，所述全桥2的其中一个输出电路上还设置有能够感应输出电流的霍尔元件，用于为所述闭环控制模块4提供电流反馈，借以通过闭环控制模块控制PWM调制模块调整PWM波形。

实施例2

本实施例提供一种多激励输出的全桥激励源的控制方法，采用实施例1中的多激励输出的全桥激励源，通过控制所述第一开关11、第二开关12、第三开关13和第四开关14的通断，以及选用闭环控制模块4的PR控制策略或PI控制策略，控制所述全桥激励源输出不同波形。所述全桥2的其中一个输出电路上还设置有能够感应输出电流的霍尔元件，用于为所述闭环控制模块4提供电流反馈，借以通过闭环控制模块控制PWM调制模块调整PWM波形的空占比。如图2-5所示，配置的电路参数如下所示：母线电压（Udc）为600V，开关频率（D）为100kHz，正弦基波频率为50Hz，基波幅值为200A，死区时间（Ts）为0.5μs待测感值（L）为200μH，则计算出来的锯齿波的幅值为15V。具体有如下四种控制方式：

在第一种控制方式下，继电器控制模块4中第一开关11和第二开关12闭合，则第一电感9和第二电感10被短路；第三开关13和第四开关14断开，则第二电容6和第三电容7，第一电容5和第四电容8都不接入电路，等效电路如图2(a)所示。基波给定正弦波，采用PR控制策略，通过PWM调制模块17控制调制电源1输出，产生正弦基波叠加高频纹波的电流波形，其中正弦基波幅值为200A，频率50Hz，高频纹波为锯齿波，如图2(b)所示。

在第二种控制方式下，继电器控制模块4中第一开关11和第二开关12断开，则第一电感9和第二电感10接入电路，第一电感9接入激励输出的第一端15，第二电感10接入激励输出的第二端16；第三开关13和第四开关14闭合，则第二电容6和第三电容7接入电路，第一电容5和第四电容8接入电路，且第二电容6和第三电容7接入激励输出的第一端15，第一电容5和第四电容8接入激励输出的第二端16，等效电路如图3(a)所示。基波给定正弦参考，采用PR控制策略，通过PWM调制模块17控制调制电源输出，产生纯正弦基波的电流波形，正弦基波幅值为200A，频率50Hz，如图3(b)所示。

在第三种控制方式下，继电器控制模块4中第一开关11和第二开关12闭合，则第一电感9和第二电感10被短路；第三开关13和第四开关14断开，则第二电容6和第三电容7，第一电容5和第四电容8都不接入电路，等效电路如图4(a)所示。基波给定直流参考，采用PI控制策略，通过PWM调制模块17控制调制电源输出，产生直流偏置叠加高频纹波的电流波形，平均电流为200A，高频纹波为锯齿波，如图4(b)所示。

在第四种控制方式下，继电器控制模块4中第一开关11和第二开关12闭合，则第一电感9和第二电感10被短路；第三开关13和第四开关14断开，则第二电容6和第三电容7，第一电容5和第四电容8都不接入电路，等效电路如图5(a)所示。基波给定参考为0，采用PI控制策略，通过PWM调制模块17控制调制电源输出，产生纯高频开关纹波的电流波形, 高频纹波为锯齿波，如图5(b)所示。

上述四种激励模式基本覆盖磁元件在电力电子领域的工作波形。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种多激励输出的全桥激励源，其特征在于，包括：

调制电源；

全桥，由第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件连接组成，所述全桥连接所述调制电源，所述全桥的桥臂和所述激励源的输出端之间均连接有滤波元件，多个所述滤波元件分别通过连接多个开关来控制是否接入电路；

继电器控制模块，用于控制所述多个开关的开闭；

闭环控制模块，通过PWM调制模块控制所述激励源的输出；

通过改变所述开关的开闭和PWM的输出的不同组合获取不同的激励输出。

2.如权利要求1所述的多激励输出的全桥激励源，其特征在于，所述滤波元件为电容和/或电感。

3.如权利要求1所述的多激励输出的全桥激励源，其特征在于，所述第一开关元件和第三开关元件连接第一电容和第二电容，所述第一电容和第二电容并联连接；第二开关元件和第四开关元件连接第三电容和第四电容，所述第三电容和第四电容并联连接；第三开关元件和第四开关元件连接第一电感；第一开关元件和第二开关元件连接第二电感。

4.如权利要求3所述的多激励输出的全桥激励源，其特征在于，所述多个开关包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，所述第一开关和所述第一电感并联连接后连接激励输出第一端，所述第二开关和所述第二电感并联连接激励输出第二端，所述第二电容和第三电容连接后再连接第三开关，所述第一电容和第四电容连接后再连接第四开关，所述第三开关连接激励输出第一端，所述第四开关连接激励输出第二端。

5.如权利要求1-4任一项所述的多激励输出的全桥激励源，其特征在于，所述第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件为碳化硅MOSFET。

6.如权利要求1-4任一项所述的多激励输出的全桥激励源，其特征在于，所述闭环控制模块预设的基波信号为正弦波、直流或0。

7.如权利要求6所述的多激励输出的全桥激励源，其特征在于，所述闭环控制模块通过PR控制策略或PI控制策略通过PWM调制模块控制所述激励源的输出。

8.一种多激励输出的全桥激励源的控制方法，其特征在于，采用如权利要求7所述的多激励输出的全桥激励源，通过控制所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的通断，以及选用闭环控制模块的PR控制策略或PI控制策略，控制所述全桥激励源输出不同波形。

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