CN114583997A - 低压大功率脉冲电源及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压大功率脉冲电源，包括n个斩波电路，每个斩波电路均由功率开关管、电力二极管和电感组成一个支路，n个支路的斩波电路的直流输入侧和直流输出侧分别并联，直流输入侧连接同一直流输入电压，直流输出侧并联连接滤波电容和负载电阻。本发明公开了一种低压大功率脉冲电源控制方法。该低压大功率脉冲电源及控制方法，解决了传统的脉冲电源存在电源效率低、只能输出小电流的问题。

Description

低压大功率脉冲电源及控制方法

技术领域

本发明属于电力电子控制技术领域，具体涉及一种低压大功率脉冲电源，还涉及一种低压大功率脉冲电源控制方法。

背景技术

为了提高机床的加工品质，利用脉冲电源产生电火花进行加工技术受到人们广泛关注。脉冲电源作为电火花加工技术的核心技术，电流控制方式至关重要。传统的脉冲电源通常采用功率开关管串联限流电阻构成一个支路，多个支路并联后为公共负载提供脉冲电流，其中各支路中功率开关管的驱动脉冲信号相同，通过不同的功率开关管的开断组合来选择不同的加工电流。由于限流电阻仅起到限流作用，消耗很大的能量，导致脉冲电源效率很低，同时该电路结构只能输出小电流，瞬间输出能量不高，无法加工大的工件，只适用于超高频小功率电加工脉冲电源，另外，针对几kHz及以下中低频率的电流脉冲电源也不适用，因此本发明基于多路斩波器并联，提出一种低压大电流脉冲电源控制方法，来解决传统脉冲电源所存在的问题。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种低压大功率脉冲电源，解决传统的脉冲电源存在电源效率低、只能输出小电流的问题。

为了达到上述第一个目的，本发明所采用的技术方案是：一种低压大功率脉冲电源，包括n个斩波电路，每个斩波电路均由功率开关管、电力二极管和电感组成一个支路，n个支路的斩波电路的直流输入侧和直流输出侧分别并联，直流输入侧连接同一直流输入电压，直流输出侧并联连接滤波电容和负载电阻。

作为本发明的一种优选的技术方案，第n个斩波电路包含功率开关S_n、电力二极管D_n、电感L_n和电流传感器，其中n表示：1、2、3……、n；其中：功率开关S_n的漏极与直流输入电源的正极相连，功率开关S_n的源极分别连接电力二极管D_n的阴极和电感L_n的一端，电感L_n的另一端连接电流传感器的一端，其输出采样电流为i_Ln，电流传感器的另一端与输出滤波电容C_o的阳极相连，电力二极管D_n的阳极与直流输入电源的负极相连；滤波电容C_o的阳极也与输出电流传感器的一端相连，输出电流传感器的输出采样电流为i_o，输出电流传感器的另一端与负载电阻R一端相连，负载电阻R另一端连接直流输入电源负极，滤波电容C_o的阴极也与直流输入电源负极相连。

作为本发明的一种优选的技术方案，所述功率开关管为功率MOSFET。

本发明的第二个目的是提供一种低压大功率脉冲电源控制方法，解决传统的脉冲电源存在电源效率低、只能输出小电流的问题。

为了达到上述第二个目的，本发明所采用的技术方案是：一种低压大功率脉冲电源控制方法，基于n路并联的斩波电路，将输出电流反馈控制、输出电压前馈控制和电感电流均流控制相结合，进行脉冲电流控制。

作为本发明的一种优选的技术方案，具体按照以下步骤实施：

步骤1，对输出电流参考值i_oref和实际输出电流反馈值i_o之差通过比例积分(PI)调节器进行控制，得到反馈调制系数d_fk，由实际直流输出电压u_o除以直流输入电压u_in得到前馈调制系数d_fw，将反馈调制系数d_fk和前馈调制系数d_fw相加之和用C₁表示；以n分之一的输出电流作为参考值，由C₂表示；C₂减去第n个斩波电路的电感电流值i_Ln之差乘以比例系数K_n，得到均流调制系数d_mn，于是可得第n个斩波电路功率开关的调制系数d_n＝C₁+d_mn＝d_fk+d_fw+d_mn；

步骤2，对于n个斩波电路，采用载波移相技术，生成PWM波的载波信号都为锯齿波，载波周期都为T_s；第n个斩波电路的载波信号cf_n比第一个斩波电路的载波信号cf₁滞后(n-1)Ts/n；

期望的输出电流脉冲波形为：在一个输出电流脉冲周期T_o内，0～t_on时间段内输出电流参考值为I_o，t_on～T_o时间段内输出电流参考值为0；接下来的T_o周期重复上述期望输出电流脉冲波形，周而复始；改变I_o即可改变输出脉冲电流大小，改变T_o即可输出脉冲电流频率，改变t_on即可改变输出脉冲电流宽度；

于是，第n个斩波电路的调制信号d_n与对应的载波信号cf_n进行比较，得到PWM信号pwm_n；期望输出电流脉冲周期为T_o，T_o远大于T_s，输出电流脉冲宽度为t_on，且2T_s≤t_on≤T_o，将期望输出电流脉冲转化为逻辑电平信号，期望输出电流脉冲幅值为I_o时对应高电平，期望输出电流脉冲幅值为零时对应低电平，将高低电平信号T_o与pwm_n进行“逻辑与”操作，得到第n个斩波电路功率开关S_n的控制信号g_n，从而控制第n个斩波电路功率开关进行动作。

本发明的有益效果是：本发明的一种低压大功率脉冲电源及控制方法，基于n路并联的斩波电路，将输出电流反馈控制、输出电压前馈控制和电感电流均流控制相结合，得到新的脉冲电流控制方法，该控制方法简单、可靠，易于实现，既可以实现中低频率的电流脉冲，输出大电流且抗负载电流扰动，具有优良的动静态性能，利于大工件的精细加工，也可以大幅提高脉冲电源效率，模块化的设计方便电源容量扩充。

附图说明

此处说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明中n个斩波电路并联的电路拓扑图；

图2是本发明中n个斩波电路并联的控制方法示意图；

图3是本发明中n个斩波电路的载波信号示意图；

图4是本发明中参考电流脉冲波形图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1所示，本发明的一种低压大功率脉冲电源，采用n个斩波电路并联，其中功率开关S₁、S₂、┄S_n采用功率MOSFET。

具体来说：

功率开关S₁的漏极与直流输入电源的正极相连，功率开关S₁的源极分别连接电力二极管D₁的阴极和电感L₁的一端，电感L₁的另一端连接电流传感器的一端，其输出采样电流为i_L1，电流传感器的另一端与输出滤波电容C_o的阳极相连，电力二极管D₁的阳极与直流输入电源的负极相连，上述连接电路构成第一个斩波电路；

功率开关S₂的漏极与直流输入电源的正极相连，功率开关S₂的源极分别连接电力二极管D₂的阴极和电感L₂的一端，电感L₂的另一端连接电流传感器的一端，其输出采样电流为i_L2，电流传感器的另一端与输出滤波电容C_o的阳极相连，电力二极管D₂的阳极与直流输入电源的负极相连，上述连接电路构成第二个斩波电路；

依此类推，功率开关S_n的漏极与直流输入电源的正极相连，功率开关S_n的源极分别连接电力二极管D_n的阴极和电感L_n的一端，电感L_n的另一端连接电流传感器的一端，其输出采样电流为i_Ln，电流传感器的另一端与输出滤波电容C_o的阳极相连，电力二极管D_n的阳极与直流输入电源的负极相连，上述连接电路构成第n个斩波电路；

滤波电容C_o的阳极也与输出电流传感器的一端相连，其输出采样电流为i_o，输出电流传感器的另一端与负载电阻R一端相连，负载电阻R另一端连接直流输入电源负极，滤波电容C_o的阴极也与直流输入电源负极相连。

实施例2

本发明的一种低压大功率脉冲电源控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，如图2所示，对输出电流参考值i_oref和实际输出电流反馈值i_o之差通过比例积分(PI)调节器进行控制，得到反馈调制系数d_fk，由实际直流输出电压u_o除以直流输入电压u_in得到前馈调制系数d_fw，将反馈调制系数d_fk和前馈调制系数d_fw相加之和用C₁表示；以n分之一的输出电流作为参考值，由C₂表示。

C₂减去第一个斩波电路的电感电流值i_L1之差乘以比例系数K₁，得到均流调制系数d_m1；于是可得第一个斩波电路功率开关的调制系数d₁＝C₁+d_m1＝d_fk+d_fw+d_m1；

C₂减去第二个斩波电路的电感电流值i_L2之差乘以比例系数K₂，得到均流调制系数d_m2；于是可得第二个斩波电路功率开关的调制系数d₂＝C₁+d_m2＝d_fk+d_fw+d_m2；

C₂减去第三个斩波电路的电感电流值i_L3之差乘以比例系数K₃，得到均流调制系数d_m3；于是可得第三个斩波电路功率开关的调制系数d₃＝C₁+d_m3＝d_fk+d_fw+d_m3；

依此类推，C₂减去第n个斩波电路的电感电流值i_Ln之差乘以比例系数K_n，得到均流调制系数d_mn；于是可得第二个斩波电路功率开关的调制系数d_n＝C₁+d_mn＝d_fk+d_fw+d_mn。其中，K₁＝K₂＝┄＝K_n。

步骤2，如图3所示，对于n个斩波电路，采用载波移相技术，生成PWM波的载波信号都为锯齿波，载波周期都为T_s；第二个斩波电路的载波信号cf₂比第一个斩波电路的载波信号cf₁滞后T_s/n，第三个斩波电路的载波信号cf₃比第一个斩波电路的载波信号cf₁滞后2Ts/n，第四个斩波电路的载波信号cf₄比第一个斩波电路的载波信号cf₁滞后3Ts/n，依此类推，第n个斩波电路的载波信号cf_n比第一个斩波电路的载波信号cf₁滞后(n-1)Ts/n；

如图4所示，期望的输出电流脉冲波形为：在一个输出电流脉冲周期T_o内，0～t_on时间段内输出电流参考值为I_o，t_on～T_o时间段内输出电流参考值为0；接下来的T_o周期重复上述期望输出电流脉冲波形，周而复始；改变I_o即可改变输出脉冲电流大小，改变T_o即可输出脉冲电流频率，改变t_on即可改变输出脉冲电流宽度；

于是，第一个斩波电路的调制信号d₁与对应的载波信号cf₁进行比较，得到PWM信号pwm₁；期望输出电流脉冲周期为T_o，T_o远大于T_s，输出电流脉冲宽度为t_on，且2T_s≤t_on≤T_o，将期望输出电流脉冲转化为逻辑电平信号，期望输出电流脉冲幅值为I_o时对应高电平，期望输出电流脉冲幅值为零时对应低电平，将该高低电平信号T_o与pwm₁进行“逻辑与”操作，得到第1个斩波电路功率开关S₁的控制信号g₁，从而控制第1个斩波电路功率开关进行动作；

第二个斩波电路的调制信号d₂与对应的载波信号cf₂进行比较，得到PWM信号pwm₂；同理将高低电平信号T_o与pwm₂进行“逻辑与”操作，得到第2个斩波电路功率开关S₂的控制信号g₂，从而控制第2个斩波电路功率开关进行动作；

依此类推，第n个斩波电路的调制信号d_n与对应的载波信号cf_n进行比较，得到PWM信号pwm_n；同理将高低电平信号T_o与pwm_n进行“逻辑与”操作，得到第n个斩波电路功率开关S_n的控制信号g_n，从而控制第n个斩波电路功率开关进行动作。

因此，于现有技术相比，发明的一种低压大功率脉冲电源及控制方法，基于n路并联的斩波电路，将输出电流反馈控制、输出电压前馈控制和电感电流均流控制相结合，得到新的脉冲电流控制方法，该控制方法简单、可靠，易于实现，既可以实现中低频率的电流脉冲，输出大电流且抗负载电流扰动，具有优良的动静态性能，利于大工件的精细加工，也可以大幅提高脉冲电源效率，模块化的设计方便电源容量扩充。

上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种低压大功率脉冲电源，其特征在于，包括n个斩波电路，每个斩波电路均由功率开关管、电力二极管和电感组成一个支路，n个支路的斩波电路的直流输入侧和直流输出侧分别并联，直流输入侧连接同一直流输入电压，直流输出侧并联连接滤波电容和负载电阻。

2.根据权利要求1所述的低压大功率脉冲电源，其特征在于，第n个斩波电路包含功率开关S_n、电力二极管D_n、电感L_n和电流传感器，其中n表示：1、2、3……、n；其中：功率开关S_n的漏极与直流输入电源的正极相连，功率开关S_n的源极分别连接电力二极管D_n的阴极和电感L_n的一端，电感L_n的另一端连接电流传感器的一端，其输出采样电流为i_Ln，电流传感器的另一端与输出滤波电容C_o的阳极相连，电力二极管D_n的阳极与直流输入电源的负极相连；滤波电容C_o的阳极也与输出电流传感器的一端相连，输出电流传感器的输出采样电流为i_o，输出电流传感器的另一端与负载电阻R一端相连，负载电阻R另一端连接直流输入电源负极，滤波电容C_o的阴极也与直流输入电源负极相连。

3.根据权利要求2所述的低压大功率脉冲电源，其特征在于，所述功率开关管为功率MOSFET。

4.一种低压大功率脉冲电源控制方法，基于权利要求1-3中任一项的低压大功率脉冲电源实现，其特征在于，基于n路并联的斩波电路，将输出电流反馈控制、输出电压前馈控制和电感电流均流控制相结合，进行脉冲电流控制。

5.根据权利要求4所述的低压大功率脉冲电源控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，对输出电流参考值i_oref和实际输出电流反馈值i_o之差通过比例积分调节器进行控制，得到反馈调制系数d_fk，由实际直流输出电压u_o除以直流输入电压u_in得到前馈调制系数d_fw，将反馈调制系数d_fk和前馈调制系数d_fw相加之和用C₁表示；以n分之一的输出电流作为参考值，由C₂表示；C₂减去第n个斩波电路的电感电流值i_Ln之差乘以比例系数K_n，得到均流调制系数d_mn，于是可得第n个斩波电路功率开关的调制系数d_n＝C₁+d_mn＝d_fk+d_fw+d_mn；

步骤2，对于n个斩波电路，采用载波移相技术，生成PWM波的载波信号都为锯齿波，载波周期都为T_s；第n个斩波电路的载波信号cf_n比第一个斩波电路的载波信号cf₁滞后(n-1)Ts/n；

期望的输出电流脉冲波形为：在一个输出电流脉冲周期T_o内，0～t_on时间段内输出电流参考值为I_o，t_on～T_o时间段内输出电流参考值为0；接下来的T_o周期重复上述期望输出电流脉冲波形，周而复始；改变I_o即可改变输出脉冲电流大小，改变T_o即可输出脉冲电流频率，改变t_on即可改变输出脉冲电流宽度；

于是，第n个斩波电路的调制信号d_n与对应的载波信号cf_n进行比较，得到PWM信号pwm_n；期望输出电流脉冲周期为T_o，T_o远大于T_s，输出电流脉冲宽度为t_on，且2T_s≤t_on≤T_o，将期望输出电流脉冲转化为逻辑电平信号，期望输出电流脉冲幅值为I_o时对应高电平，期望输出电流脉冲幅值为零时对应低电平，将高低电平信号T_o与pwm_n进行“逻辑与”操作，得到第n个斩波电路功率开关S_n的控制信号g_n，从而控制第n个斩波电路功率开关进行动作。

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