CN208209833U - 具有快速动态响应的大功率脉冲负载电源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有快速动态响应的大功率脉冲负载电源装置，供电电源的交流电经过电源匹配网络整流变换为直流电后向脉冲负载供电，通过储能电容、超级电容、双向Buck/Boost变换器及其控制电路来消除脉冲负载特性，采用双向变换器与超级电容相结合，解决脉冲负载与供电电源的电源适应性问题。本实用新型可用于负载脉冲频率和功率任意变化的电子对抗设备，且适应任意供电电源系统，其优点是：供电电源的利用率高、适应性强；控制简单可靠以及瞬态响应速度快。

Description

具有快速动态响应的大功率脉冲负载电源装置

技术领域

本实用新型涉及脉冲负载电源技术领域，具体为一种具有快速动态响应的大功率脉冲负载电源装置。

背景技术

电子对抗设备输出信号一般呈宽频段、脉冲变化特性，该特性对其发电机供电的稳定性提出了更高的要求。当电子对抗设备的脉冲变化功率容量与发电机输出功率容量的占比超过40%、且脉冲变化频率与发电机闭环调节频率一致时，会引起发电机输出电压幅值不稳定、调制系数超过GJB181的标准规定要求，进而影响电子对抗设备稳定和正常工作。

现有技术是采用在供电系统增加储能电容、电阻、开关和反相器来消除脉冲负载对供电电源的不利影响，储能电容用于吸收电子对抗设备脉冲功率变化斜率，电阻、开关和反相器组成的回路来吸收多余的输出功率，该方案会导致多余的输出功率被电阻耗散掉无法利用，电路效率低，且发热量大。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的在于提供一种即可在供电功率大于脉冲负载功率时吸收多余的功率，又可在供电功率小于脉冲负载功率时补充不足的功率，解决了大功率脉冲负载与供电电源的电源适应性问题的具有快速动态响应的大功率脉冲负载电源。技术方案如下：

一种具有快速动态响应的大功率脉冲负载电源，供电电源的交流电经过电源匹配网络整流变换为直流电后向脉冲负载供电，通过储能电容、超级电容、双向Buck/Boost变换器及其控制电路来消除脉冲负载特性；所述储能电容并联于电源匹配网络的输出端，所述双向Buck/Boost变换器包括电感L、开关管S ₁和开关管S ₂；电感L一端连接直流母线正极，另一端连接开关管S ₁的D极，开关管S ₁的S极连接到直流母线负极；开关管S ₂的D极连接到开关管S ₁的D极，开关管S ₂的S极连接到超级电容的正极板，超级电容的负极板连接到开关管S ₁的S极；开关管S ₁和开关管S ₂的G极分别连接到控制电路。

进一步的，所述控制电路包括二阶低通滤波器、减法器SU1、减法器SU2、减法器SU3、PI调节器、PWM控制器、比较器、反相器、多路复用器以及驱动电路；

输出电流采样端同时连接到二阶低通滤波器的输入端和减法器SU1的负输入端，二阶低通滤波器的输出端连接到减法器SU1的正输入端，减法器SU1的输出端连接到减法器SU2的正输入端，减法器SU2的负输入端连接到电感电流采样端，减法器SU2的输出端连接PI调节器的输入端；PI调节器的输出端及锯齿波输出端同时连接到PWM控制器的输入端；PWM控制器的输出端一路连接到多路复用器M1，另一路经过反相器后连接到多路复用器M2；

比较器的同相输入端连接到输出电流采样端，反相输入端连接到二阶低通滤波器的输出端，比较器的输出端一路经过反相器后作为多路复用器M1的选择信号，另一路与减法器SU3的输出信号经过与门后作为多路复用器M2的选择信号；减法器SU3的正输入端连接输出电流采样端，负输入端连接二阶低通滤波器的输出端；

多路复用器M1的输出端通过驱动电路连接到开关管S ₁的G极，多路复用器M2的输出端通过驱动电路连接到开关管S ₂的G极。

本实用新型的有益效果是：

1）本实用新型采用双向Buck/Boost变换器与超级电容相结合，既可在供电功率大于脉冲负载功率时吸收多余的功率，又可在供电功率小于脉冲负载功率时补充不足的功率，解决了大功率脉冲负载与供电电源的电源适应性问题；

2）当电子对抗设备处于待机或者恒功率状态时，控制回路不输出驱动信号，超级电容与母线断开，此时负载功率对供电功率体现恒功率特性，不需要补偿功率，适用于电子对抗设备的各种功率输出模态；

3）多余的供电功率并没有通过其他途径消耗掉，而是通过超级电容存储起来以备电子对抗设备工作时使用，提高了供电电源的利用率，进而提高了系统效率；

4）当供电电源经过电源匹配网络后直接与脉冲负载相接时，控制环路仅需要采样输出电流和双向Buck/Boost变换器电感电流，即可实现供电电源的恒功率控制，控制回路设计简单。

附图说明

图1为本实用新型的大功率脉冲负载电源结构示意图。

图2为本实用新型的双向Buck/Boost变换器及其控制电路示意图。

图3为本实用新型的大功率脉冲负载适应电路工作框图。

图4为本实用新型实施例一中，负载为脉冲功率输出时开关电源的时域仿真波形图。

图5为本实用新型实施例一中，负载为恒定功率输出时开关电源的时域仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。图1为本实用新型提出电路的原理框图，供电电源的交流电经过电源匹配网络整流变换为直流电后向电子对抗设备供电，通过储能电容、超级电容、双向Buck/Boost变换器及其控制电路来消除电子对抗设备的脉冲负载特性，使整流电路的供电输入端呈现恒功率负载特性，来解决电子对抗设备与供电电源的电源适应性问题。

图2为本实用新型的双向Buck/Boost变换器及其控制电路，所述储能电容并联于电源匹配网络的输出端。如图2(a)所示，双向Buck/Boost变换器包括电感L、开关管S ₁和开关管S ₂；电感L一端连接直流母线正极，另一端连接开关管S ₁的D极，开关管S ₁的S极连接到直流母线负极；开关管S ₂的D极连接到开关管S ₁的D极，开关管S ₁的S极连接到超级电容的正极板，超级电容的负极板连接到开关管S ₁的S极；开关管S ₁和开关管S ₂的G极分别连接到控制电路。

双向Buck/Boost变换器与超级电容相结合，即可在供电功率大于脉冲负载功率时吸收多余的功率，又可在供电功率小于脉冲负载功率时补充不足的功率，提高动态响应速度同时降低了系统能耗。

如图2（b）所示，控制电路包括二阶低通滤波器、减法器SU1、减法器SU2、减法器SU3、PI调节器、PWM控制器、比较器、反相器、多路复用器以及驱动电路。输出电流采样端同时连接到二阶低通滤波器的输入端和减法器SU1的负输入端，二阶低通滤波器的输出端连接到减法器SU1的正输入端，减法器SU1的输出端连接到减法器SU2的正输入端，减法器SU2的负输入端连接到电感电流采样端，减法器SU2的输出端连接PI调节器的输入端；PI调节器的输出端及锯齿波输出端同时连接到PWM控制器的输入端；PWM控制器的输出端一路连接到多路复用器M1，另一路经过反相器后连接到多路复用器M2。比较器的同相输入端连接到输出电流采样端，反相输入端连接到二阶低通滤波器的输出端，比较器的输出端一路经过反相器后作为多路复用器M1的选择信号，另一路与减法器SU3的输出信号经过反相器后作为多路复用器M2的选择信号；减法器SU3的正输入端连接输出电流采样端，负输入端连接二阶低通滤波器的输出端；多路复用器M1的输出端通过驱动电路连接到开关管S ₁的G极，多路复用器M2的输出端通过驱动电路连接到开关管S ₂的G极。

当供电电源是恒压输出时，只需要控制电流即可实现输入恒功率控制，具体控制原理如下：输出电流采样后经过二阶低通滤波器后得到脉冲负载输出电流平均值I _{P_av}，输出电流平均值I _{P_av}减去负载输出电流瞬时值i _p即得到双向Buck/Boost变换器电感电流的参考值I _ref。为使双向Buck/Boost变换器电感电流跟随参考值，从电感处采样电感电流瞬时值i _L与电流的参考值I _ref相减后送入PI调节器，经PI调节后的误差信号v _c与锯齿波比较后得到PWM脉冲驱动信号送入多路复用器M1，并将产生的PWM脉冲驱动信号经过反相器取反后送入多路复用器M2，M1的选择信号由输出电流瞬时值i _p与输出电流平均值I _{P_av}经过比较器后得到电流比较信号再经过反相器产生，将输出电流瞬时值i _p与输出电流平均值I _{P_av}相减后得到电流误差信号，电流误差信号与电流比较信号经过与门后作为多路复用器M2的选择信号，多路复用器M1和M2的输出信号分别作为双向Buck/Boost的两组开关驱动信号，通过生成两组开关驱动信号控制超级电容的充放电，实现输出功率的补偿。

如图3所示，当电子对抗设备工作在脉冲负载特性情况下时，其额定输出功率以一定的频率和占空比D进行周期性变化。当电子对抗设备处于轻载状态时，所需负载功率小于供电功率，此时多余供电功率ΔP₁为超级电容充电；当电子对抗设备处于满载状态时，所需功率大于供电功率，此时超级电容以ΔP₂放电补充供电功率。通过超级电容吸收多余功率和补充不足功率，负载脉冲功率需求对于电源匹配网络的输出端来说是恒定的功率，进而供电电源的输入功率也是恒定的，解决了大功率脉冲负载（电子对抗设备）与供电电源的电源适应性问题。储能电容C用于补偿并平滑超级电容补偿电流的响应时间以及由此引起的母线电压V变化，提高了电路的适应性。

当电子对抗设备待机或恒功率负载变化时，无需额外的控制算法，即可实现供电电源的恒功率控制，适用于电子对抗设备的各种功率输出模态。当供电电源经过电源匹配网络后直接与脉冲负载相接时，控制环路仅需要采样输出电流和双向Buck/Boost变换器电感电流，即可实现供电电源的恒功率控制，控制回路设计简单。

仿真结果分析：

图4和图5为采用Psim软件对本实用新型进行时域仿真的结果，图4（a）、（b）、(c)、(d)和(e)的横轴均为时间，单位为s；（a）的纵轴分别为输入电流和负载输出电流，单位为A；（b）的纵轴为输入电流，单位为A；（c）的纵轴为负载输出电流，单位为A；（d）的纵轴为电感电流，单位为A；（e）的纵轴为双向变换器开关管驱动波形，单位为V。图5（a）、（b）、(c)、(d)和(e)的横轴均为时间，单位为s；（a）的纵轴分别为负载输出电流和输入电流，单位为A；（b）的纵轴为输入电流，单位为A；（c）的纵轴为负载输出电流，单位为A；（d）的纵轴为电感电流，单位为A；（e）的纵轴为双向变换器开关管驱动波形，单位为V。仿真条件：母线电压V _in=270V，电感L=400uH，超级电容C=470uF，负载频率200Hz，负载满载功率2000W，脉冲功率的变化幅度为10%-100%变化，开关频率100kHz。

由图4(a)可知，负载脉冲功率由10%跳变到100%时，输入电流经过0.0004ms的动态响应时间后即达到稳定状态，动态响应速度快，图4(b)和(c)分别为输入电流和负载电流的放大波形。由图4(d)可知，当负载功率为满载的10%时，多余供电功率通过双向Buck/Boost变换器为超级电容充电，此时电感电流为正，变换器工作于Boost模式（图4(e)）；当负载功率为满载时，超级电容放电通过双向Buck/Boost变换器补充供电功率，此时电感电流为负，变换器工作于Buck模式（图4(e)）。由图5(a)可知，负载功率由脉动功率跳变到恒定功率时，输入电流经过0.031s的动态响应时间后即达到稳定状态，动态响应速度快，图5(b)和(c)分别为负载恒定功率时，输入电流和负载电流的放大波形，输入电流稳定。由图5(d)和(e)可知，当负载恒定功率时，开关管截止，电感电流为0，双向变换器停止工作。因此，由仿真结果可知：采用双向储能变换器可消除脉冲负载特性，解决电子对抗设备与供电电源的电源适应性问题。电子对抗设备工作时的脉冲频率和功率可任意变化，可适应任意供电电源系统。

Claims (2)

1.一种具有快速动态响应的大功率脉冲负载电源装置，其特征在于，供电电源的交流电经过电源匹配网络整流变换为直流电后向脉冲负载供电，通过储能电容、超级电容、双向Buck/Boost变换器及其控制电路来消除脉冲负载特性；所述储能电容并联于电源匹配网络的输出端，所述双向Buck/Boost变换器包括电感L、开关管S ₁和开关管S ₂；电感L一端连接直流母线正极，另一端连接开关管S ₁的D极，开关管S ₁的S极连接到直流母线负极；开关管S ₂的D极连接到开关管S ₁的D极，开关管S ₂ 的S极连接到超级电容的正极板，超级电容的负极板连接到开关管S ₁的S极；开关管S1和开关管S ₂的G极分别连接到控制电路。

2.根据权利要求1所述的具有快速动态响应的大功率脉冲负载电源装置，其特征在于，所述控制电路包括二阶低通滤波器、减法器SU1、减法器SU2、减法器SU3、PI调节器、PWM控制器、比较器、反相器、多路复用器以及驱动电路；

输出电流采样端同时连接到二阶低通滤波器的输入端和减法器SU1的负输入端，二阶低通滤波器的输出端连接到减法器SU1的正输入端，减法器SU1的输出端连接到减法器SU2的正输入端，减法器SU2的负输入端连接到电感电流采样端，减法器SU2的输出端连接PI调节器的输入端；PI调节器的输出端及锯齿波输出端同时连接到PWM控制器的输入端；PWM控制器的输出端一路连接到多路复用器M1，另一路经过非门后连接到多路复用器M2；

比较器的同相输入端连接到输出电流采样端，反相输入端连接到二阶低通滤波器的输出端，比较器的输出端一路经过反相器后作为多路复用器M1的选择信号，另一路与减法器SU3的输出信号经过与门后作为多路复用器M2的选择信号；减法器SU3的正输入端连接输出电流采样端，负输入端连接二阶低通滤波器的输出端；

多路复用器M1的输出端通过驱动电路连接到开关管S ₁的G极，多路复用器M2的输出端通过驱动电路连接到开关管S ₂的G极。