CN1588771A - 串联（并联）谐振环能量瞬时值直接控制方法 - Google Patents

Abstract

一种串联(并联)谐振环能量瞬时值直接控制方法，采用频率为f_r的等幅正弦波作为载波，外环调节器输出作为调制波，采用高频乘法器实现载波和调制波的线性相乘，输出的绝对值作为高频谐振信号瞬时值的给定，与相应反馈信号绝对值之差的比例积分调节输出进行正负限幅比较得到功率管的控制要求，经过固有谐振频率f_r的倍频方波的同步调整，及频率为f_r、占空比为50％的方波的脉宽调整，得到相应功率管的驱动信号。本发明能实现过载甚至短路状态下的输出自限流保护功能，当应用于单相串联谐振型高频链单级变换正弦波逆变电源时，能实现电流连续条件下的电源四象限全程功率控制，并实现电源所有功率管的定频定宽、全程零电流软开关。

Description

串联(并联)谐振环能量瞬时值直接控制方法

技术领域

本发明涉及一种串联(并联)谐振环的能量控制技术，该控制技术能够通过对谐振电感电流或者谐振电容电压的瞬时值的直接控制实现谐振环能量瞬时值的直接控制，并能通过对谐振环的控制实现功率的正向、零功率以及反向传递。

背景技术

目前，在电力电子技术中常采用串联(并联)谐振环作为能量传递的中介，利用串联(并联)谐振环的电流、电压的波形转换功能为主功率管提供零电流、零电压开关时刻。公知的串联(并联)谐振环主要应用于半桥、全桥结构的主电路中，而对串联(并联)谐振环能量的控制技术主要有调压控制、移相控制和功率密度控制技术等。调压控制根据输出功率的要求，调节DC/DC变换部分主开关的占空比，实现串联(并联)谐振环输入侧的母线电压的调节，而不改变其余功率管的驱动信号，通过谐振环实现的功率传递；移相控制技术采用调节相应主功率管驱动信号的相位差实现对输出功率的控制；而功率密度控制技术将固有谐振频率f_r $(f_r=1/2\mathrm{\π}\sqrt{L_r{C}_r})$ 的整数倍(一般常取50～100)设为一个控制单元，根据输出功率的要求，一次性集中驱动主功率管，以达到控制目标，一般只适用于存在大滞后响应时间负载的控制调节(例如炉温控制调节等)。以上三种控制方法在实质上都是根据输出功率大小调节加在串联(并联)谐振环上的等效平均电压，从而实现谐振电感电流或者谐振电容电压的调节，在控制策略上，均不能满足串联(并联)谐振环能量瞬时值直接控制的要求；而当输出功率需要大范围调节甚至存在功率零点和反向功率流时(例如感性负载和再生发电负载条件下的正弦波逆变电源)，调压控制、移相控制及功率密度控制均存在控制的难点甚至无法实现；当需要通过调节实现输出电压跟随的控制要求时(例如正弦波逆变电路)，如果出现短路状态，而系统没有附加的保护电路，将给整个电路系统造成破坏性的危害。

发明内容

为了实现对高频变化的串联(并联)谐振环能量瞬时值的直接控制、克服现有串联(并联)谐振环控制技术中功率控制范围小、需外加检测电路实现过载及短路保护等不足，本发明提供一种串联(并联)谐振环能量瞬时值直接控制技术，即谐振电感电流或者谐振电容电压瞬时值的直接控制技术，它不仅能实现输出功率的正向、零功率甚至反向传递；而且可以通过给定限幅实现过载甚至负载短路状况下的输出限流功能；主功率管均可工作在定频、定宽、零电流或者零电压开关状态。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：根据电感存储能量e_Lr和电感电流i_Lr之间的关系 $e_{\mathrm{Lr}}=\frac{1}{2}{L}_r{i_{\mathrm{Lr}}}^2$ 及电容存储能量e_Cr和电容电压u_Cr之间的关系 $e_{\mathrm{Cr}}=\frac{1}{2}{C}_r{u_{\mathrm{Cr}}}^2,$ 可以将对串联(并联)谐振环的能量瞬时值控制转化为对谐振电感电流i_Lr及谐振电容电压u_Cr的绝对值的控制；通过谐振电感电流或者谐振电容电压瞬时值的直接控制实现对串联(并联)谐振环能量的直接控制，从而实现谐振环传输功率大小的控制。根据谐振环工作于固有谐振频率f_r时，谐振电感电流和谐振电容电压波形的正弦波特性，采用频率为f_r的等幅正弦波作为载波，而将外环调节器输出作为调制波(以正弦波逆变电源为例，输出电压瞬时值闭环调节器输出作为调制波)，采用高频乘法器实现载波和调制波的线性相乘，乘法器输出取绝对值后作为谐振电感电流或者谐振电容电压的高频给定。高频给定信号与相应的反馈信号的绝对值之差进行比例或比例积分调节，调节器输出进行正负限幅比较来得到功率管的驱动控制要求，再经过固有谐振频率f_r的倍频方波的同步调整，与频率为f_r、占空比为50％的方波作脉宽调整后，可得到相应功率开关的驱动控制信号，并保证驱动信号为频率为f_r、占空比为50％的方波。

采用数字信号处理实现串联(并联)谐振环能量瞬时值直接控制时，利用高速数字处理器DSP实现智能控制策略下的外环调节，输出引入复杂可编程逻辑器件CPLD或现场可编程门阵列器件FPGA，与可擦可编程只读存储器EPROM内存储的频率为f_r的等幅正弦波在CPLD或FPGA中相乘后取绝对值作为谐振电感电流或者谐振电容电压瞬时值的给定；采用高速A/D检测相应的反馈信号输入CPLD或FPGA；其余绝对值逻辑、比例积分调节、正负限幅比较、同步调整及逻辑合成均由CPLD或FPGA实现，并得到相应功率管的驱动信号。

本发明的有益效果是：通过简单的线性乘法处理，得到谐振电感电流或者谐振电容电压瞬时值的高频给定，并与相应的反馈信号进行比例或比例积分调节就能够确保相应高频信号的实时跟随；实现输出功率的全程大范围控制和调节；所有功率管均可工作在定频、定宽、零电流或零电压开关状态；通过谐振电感电流或者谐振电容电压的高频给定瞬时值的限幅，能实现系统过载和短路状态下的输出限流自保护功能。

附图说明

下面结合附图和和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的控制原理框图；

图2是本发明的模拟器件实现控制的电气连接图；

图3是本发明的采用数字信号处理实现控制的工作原理图。

在图2中，1、频率为f_r的等幅正弦波，2、外环调节器输出，3、谐振电感电流或者谐振电容电压瞬时值的高频给定，4、谐振电感电流或者谐振电容电压瞬时值的绝对值反馈，5、误差正限幅，6、误差负限幅，7、固有谐振频率f_r的倍频方波，8、频率为f_r、占空比50％的方波，9、8的取反信号，10、相应功率管的驱动信号，U1、高速乘法器，U2、U3、U4、U5、高速运算放大器，U6、比较器，U7、D触发器，U8、与逻辑门，D、二极管，R、电阻，RV、滑线变阻器。

具体实施方式

图1所示的控制原理框图为串联(并联)谐振环能量瞬时值直接控制的实施例，功率管的开关频率为固有谐振频率f_r。采用频率为f_r的等幅正弦波1作为载波，而将外环调节器输出2作为调制波(以正弦波逆变电源为例，输出电压瞬时值闭环调节器输出作为调制波)，采用高频乘法器实现载波和调制波的线性相乘，乘法器输出取绝对值后作为谐振电感电流或者谐振电容电压瞬时值的高频给定3。高频给定信号与谐振电感电流或者谐振电容电压瞬时值的绝对值反馈4进行比例或比例积分调节，调节器输出分别与误差正限幅5和误差负限幅6进行比较来得到相应功率管的驱动要求，再经过固有谐振频率f_r的倍频方波7的同步调整，与频率为f_r、占空比为50％的方波8及8的取反信号9作脉宽调整后，可得到相应功率管的驱动信号10，并保证驱动信号为频率为f_r、占空比为50％的方波。

图2为图1具体的模拟器件实现控制的电气连接图。在图2中，频率为f_r的等幅正弦波1和外环调节器输出2作为乘法器U1的输入，乘法器U1的输出经过高速运算放大器U2的差分放大，再由高速运算放大器U3、U4作绝对值，得到谐振电感电流或者谐振电容电压瞬时值的高频给定3，和谐振电感电流或者谐振电容电压瞬时值的绝对值反馈4经过高速运算放大器U5做比例或比例积分调节，调节器的输出和误差正限幅5及误差负限幅6作双限幅比较，比较器U6的输出由D触发器U7实现同步调整，D触发器U7采用的时钟脉冲为固有谐振频率f_r的倍频方波7，同步调整后的信号与频率为f_r、占空比50％的方波8及8的反信号9作逻辑与合成，得到谐振为f_r、占空比为50％的相应功率管的驱动信号10。

在实施例中采用的各集成芯片及其相应的功能如下：高速乘法器U1采用MC1495或MC1494，实现频率为f_r的等幅正弦波与外环调节器输出的线性相乘；高速运算放大器U2、U3、U4、U5、均采用LF356N；比较器U6采用LM339，实现误差输出和正、负限幅的比较；D触发器U7采用CD4013，作比较器输出的同步调整；与逻辑门U8采用CD4081，实现信号的逻辑与合成，得到相应功率管的驱动信号。在图2中采用的固有谐振频率f_r的倍频方波7、频率为f_r、占空比50％的方波8及8的反信号9应确保有同一上升或下降边沿。

在图3所示的采用数字信号处理实现控制的实施例中，采用高速数字信号处理器DSP自带A/D实现输出电压反馈采样，并采用智能控制手段实现输出电压的外环调节；采用可擦可编程只读存储器EPROM存储频率为f_r的等幅正弦波1；利用复杂可编程逻辑器件CPLD或现场可编程门阵列器件FPGA实现DSP外环调节器输出2与EPROM存储的频率为f_r的等幅正弦波1的线性乘法，并由CPLD或FPGA实现高速A/D检测的谐振电感电流或者谐振电容电压瞬时值反馈的绝对值逻辑、比例积分调节、正负限幅比较、同步调整及逻辑合成，最后输出相应功率管的驱动信号10。

Claims (4)

1、一种串联(并联)谐振环能量瞬时值直接控制方法，根据外环调节器的输出，实时调节谐振电感电流或谐振电容电压瞬时值的大小，从而实现输出功率的控制，其特征是：

a、由频率为f_r的等幅正弦波与外环调节器的输出线性相乘并取绝对值，得到谐振电感电流或谐振电容电压瞬时值的直接控制信号的给定；

b、高频瞬时值给定信号与相应的反馈信号瞬时值绝对值之差的比例或比例积分调节来保证相应高频信号的实时跟随；

c、比例或比例积分调节器输出经过误差正负限幅比较得到相应功率管的控制要求；

d、经过固有谐振频率f_r的倍频方波的同步调整，及频率为f_r、占空比为50％的方波的脉宽调整，得到相应功率管的驱动信号并保证驱动信号为频率为f_r、占空比为50％的方波；

e、谐振电感电流或谐振电容电压瞬时值的给定限幅能由控制自身实现过载甚至短路状态下的输出自限流保护功能。

2、一种用于权利要求1所述的采用数字信号处理实现的串联(并联)谐振环能量瞬时值直接控制方法，其特征是：

a、由DSP实现的外环调节器的输出引入复杂可编程逻辑器件CPLD或现场可编程门阵列器件FPGA，与可擦可编程只读存储器EPROM内存储的频率为f_r的等幅正弦波在CPLD或FPGA中相乘后取绝对值作为谐振电感电流或者谐振电容电压瞬时值的给定；

b、采用高速A/D检测相应的反馈信号输入CPLD或FPGA；

c、其余绝对值逻辑、比例积分调节、正负限幅比较、同步调整及逻辑合成均由CPLD或FPGA实现，并得到相应功率管的驱动信号。

3、一种用于权利要求1所述的采用模拟信号处理实现的串联(并联)谐振环能量瞬时值直接控制方法，其特征是：

a、频率为f_r的等幅正弦波(1)和外环调节器输出(2)作为乘法器(U1)的输入；

b、乘法器(U1)的输出经过高速运算放大器(U2)的差分放大，再由高速运算放大器(U3、U4)作绝对值，得到谐振电感电流或者谐振电容电压瞬时值的高频给定(3)；

c、谐振电感电流或者谐振电容电压瞬时值的高频给定(3)和谐振电感电流或者谐振电容电压瞬时值的绝对值反馈(4)经过高速运算放大器(U5)做比例或比例积分调节；

d、调节器的输出和误差正限幅(5)及误差负限幅(6)作双限幅比较，比较器(U6)的输出由D触发器(U7)实现同步调整，D触发器(U7)采用的时钟脉冲为固有谐振频率f_r的倍频方波(7)，同步调整后的信号与频率为f_r、占空比50％的方波(8)及8的反信号(9)作逻辑与合成，得到谐振为f_r、占空比为50％的相应功率管的驱动信号(10)。

4、根据权利要求1或3所述的串联(并联)谐振环能量瞬时值直接控制方法，其特征是：高速乘法器(U1)采用MC1495或MC1494；高速运算放大器(U2、U3、U4、U5、)采用LF356N；比较器(U6)采用LM339；D触发器(U7)采用CD4013与逻辑门(U8)采用CD4081。