技术领域
[0001] 本
发明属于电源技术领域，特别涉及一种具有恒功率输入恒流输出特性的电容器充电方法及装置。
背景技术
[0002] 脉冲功率系统应用于高功率激光和高功率
微波等领域。电容器充电电源是脉冲功率系统的重要组成部分，随着脉冲功率系统向高功率、高重复
频率、长运行时间和高功率
密度方向发展，对充电电源系统提也出了同样的要求。近年来，随着充电系统功率容量和重复频率的增加，充电电源系统对
电网不利影响也逐渐体现出来。对电网而言，充电电源是非线性和瞬变负载，不仅会产生大量的谐波，还会引起电网频率和
电压的
波动，影响供电网络可靠性和
稳定性，对其他用电设备也会造成干扰，因而充电系统在电网侧的性能也得到重视。
[0003] 基于常规技术路线的
串联谐振充电电源具有恒流输出和固有抗
短路特性，因而广泛应用于电容器充电电源中。然而，恒流输出电源的输出功率随着负载电容器电压的升高逐渐增加，输入端的供电功率逐渐变化，这会引起较大的
电流谐波，降低电网供电效率；其次，要求电网要能够提供电源所需的
峰值功率，会增加配电成本；最后，在充电结束后，供电功率瞬间从峰值功率降为0，会造成电网电压的剧烈波动，甚至引起电网频率的波动，特别是脉冲重复频率接近电网频率运行条件下，可能引起电网振荡，对电网的稳定性和可靠性造成不利影响。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的，就是上述恒流输出的电容器充电电源在供电端存在的问题，提出了具有恒功率输入恒流输出特性的电容器充电方法及其装置。
[0005] 本发明的技术方案为，一种具有恒功率输入恒流输出特性的电容器充电方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006] a.电容器充电电源启动后，计算模
块通过采集
电路实时采集负载电压UL、直流
母线电压U1和临时储能电容电压U2；同时，计算模块通过
存储器获取预设的
阈值电压Uset；
[0007] b.计算模块根据外部输入的充电
信号判断当前时刻是否为充电起始时刻，若是，则更新充电起始电压Us为当前负载电压，即Us＝UL；更新充电结束电压Ue为阈值电压，即Ue＝Uset；若否，则进入步骤c；
[0008] c.在当前控制周期Tc中，根据当前采集与获取的负载电压UL、
直流母线电压U1、充电起始电压Us、充电结束电压Ue，获取控制参数tx，具体方法如下：
[0009] 设在一个谐振周期T内，母线电压U1和临时储能电容电压U2保持恒定，并取近似处理，即U2＝U1；
[0010] 根据串联谐振断续工作模式特性，谐振电流前半周电流峰值I1m为：
[0011] |I1m|＝(U1+UL)/Z；
[0012] 后半周电流峰值I2m为：
[0013] |I2m|＝(U1-UL)/Z；
[0014] 则输出平均充电电流Ichg为：
[0015] Ichg＝M(|I1m|+|I2m|)/π＝2MU1/(πZ)；
[0016] 其中M为占空系数，为谐振周期T与控制周期Tc的比值，即M＝T/Tc，Z为电源谐振回路中谐振电感Lr和谐振电容Cr的特征阻抗，
[0017] 则充电过程电源输出的起始功率Ps可表示为：
[0018] Ps＝UsIchg；
[0019] 充电过程结束时的功率Pe可表示为：
[0020] Pe＝UeIchg；
[0021] 充电过程电源输出的
平均功率Pm可表示为：
[0022] Pm＝Ichg(Us+Ue)/2＝MU1(Us+Ue)/(πZ)；
[0023] 谐振电流前半周电流ir的表达式为：
[0024]
[0025] 式中t为工作时间，ω为谐振
角频率，即
[0026] 直流母线在电流前半周内提供的
能量E1可表示为：
[0027]
[0028] 式中tx为直流母线工作持续时间，也为切换时刻；
[0029] 通过控制直流母线在单脉冲提供的平均功率等于负载需要的平均功率Pm即可实现供电端的功率恒定，且为平均功率，即令：
[0030] E1/Tc＝Pm；
[0031] 结合Pm和E1的表达式，可得控制参数tx：
[0032]
[0033] d.采用串联谐振断续工作模式，将直流母线和储能电容进行组合的方式对谐振回路进行激励，即采用3过程的工作模式，谐振电流前半周包括两个过程，后半周包含一个过程，具体为：第一个工作过程将母线电压U1接入谐振回路；第二个过程将临时储能电容电压U2接入谐振回路，以上两个过程中电压源均是输出功率的；第三个工作过程将储能电容接入回路，此过程电流方向发生改变，电压源是吸收功率的；
[0034] e.根据c步骤获得的控制参数tx，并按照d步骤的工作模式，产生4路通用的时序
控制信号；
[0035] f.根据交替输出的谐振电流极性，将对应功率
开关的驱动信号连接到通用的4路信号上；
[0036] g.功率开关按照f步骤得到的信号完成对谐振回路的激励，并根据负载电压是否达到预设阈值电压判断工作是否结束，若否，则返回步骤a，若是，则关断所有开关。
[0037] 一种具有恒功率输入恒流输出特性的电容器充电装置，包括三相
整流桥D3、直流母线滤波电感L1、直流母线滤波电容C1、临时储能电容C2，第一预充电
电阻R1、第一预充电
二极管D1、第二预充电电阻R2、第二预充电二极管D2、第一带有并联二极管的开关S1、第二带有并联二极管的开关S2、第三带有并联二极管的开关S3、第四带有并联二极管的开关S4、第五带有并联二极管的开关S5、第六带有并联二极管的开关S6、第七带有并联二极管的开关S7、第八带有并联二极管的开关S8、谐振电感Lr、谐振电容Cr、
变压器T和输出整流桥D4；所述三相整流桥D3的正相输出端通过直流母线滤波电感L1后接直流母线滤波电容C1的一端、第一带有并联二极管的开关S1的一端、第二带有并联二极管的开关S2的一端和第一预充电电阻R1的一端，其负相输出端接直流母线滤波电容C1的另一端、第七带有并联二极管的开关S7的一端和第二预充电二极管D2的
阴极；第一带有并联二极管的开关S1的另一端接第五带有并联二极管的开关S5的一端、第三带有并联二极管的开关S3的一端和谐振电容Cr的一端；第二带有并联二极管的开关S2的另一端接第六带有并联二极管的开关S6的一端、第四带有并联二极管的开关S4的一端和谐振电感Lr的一端；第六带有并联二极管的开关S6的另一端连接第五带有并联二极管的开关S5的另一端、第一预充电二极管D1的阴极和临时储能电容C2的一端；第一预充电电阻R1的另一端连接第一预充电二极管D1的
阳极；临时储能电容C2的另一端连接第二预充电电阻R2和第八带有并联二极管的开关S8的一端；第二预充电电阻R2的另一端连接第二预充电二极管D2的阳极；第八带有并联二极管的开关S8的另一端连接第七带有并联二极管的开关S7的另一端、第三带有并联二极管的开关S3的另一端和第四带有并联二极管的开关S4的另一端；谐振电感Lr的另一端和谐振电容Cr的另一端分别接变压器T一侧绕组的两个输入端；变压器T另一侧绕组的两个输出端接输出整流桥D4的输入端；整流桥D4输出的两端分别连接负载电容C3的两端；其特征在于，还包括母线电压采集电路1、储能环节电压采集电路2、负载电压采集电路3、
人机界面4、计算模块5、时序生成模块6、开关状态控制单元7和开关驱动模块8；所述母线电压采集电路1、储能环节电压采集电路2、负载电压采集电路3、人机界面模块4和时序生成模块分别与计算模块连接；所述时序生成模块接外部充
电信号9开关状态控制单元7；所述开关状态控制单元7接开关驱动8；
[0038] 所述母线电压采集电路1用于采集直流母线滤波电容C1上的直流母线电压U1，并将采集到的信号发送到计算模块5；
[0039] 所述负载电压采集电路3用于采集负载电容C3两端的负载电压UL，并将采集到的信号发送到计算模块5；
[0040] 所述储能环节电压采集电路2用于采集临时储能电容C2上的临时储能电容电压U2，并将采集到的信号传递到计算模块5；
[0041] 所述计算模块5中包含存储器，用于存储从人机界面4获得的预设阈值电压Uset；
[0042] 所述计算模块5根据当前采集与获取的负载电压UL、直流母线电压U1、充电起始电压Us、充电结束电压Ue，获取控制参数tx并发送到时序生成模块6；
[0043] 所述时序生成模块6根据控制参数tx和外部充电信号9生成控制信号并发送到开关状态控制单元7；
[0044] 所述开关状态控制单元7用于控制开关驱动模块8；
[0045] 所述开关驱动模块8在开关状态控制单元7的控制下驱动开关；所述开关驱动模块8的第一输出端接第一带有并联二极管的开关S1的控制端、其第二输出端接第二带有并联二极管的开关S2的控制端、其第三输出端接第三带有并联二极管的开关S3的控制端、其第四输出端接第四带有并联二极管的开关S4的控制端、其第五输出端接第五带有并联二极管的开关S5的控制端、其第六输出端接第六带有并联二极管的开关S6的控制端、其第七输出端接第七带有并联二极管的开关S7的控制端、其第八输出端接第八带有并联二极管的开关S8的控制端。
[0046] 本发明的有益效果为，可以减小恒流充电电源对电网峰值功率的需求，降低恒流充电电源输入端的瞬变功率，提高功率因数和降低谐波，从而可以提高电网的供电效率和减小充电电源对电网的干扰；由于不需要辅助变换器连接母线和储能环节，因而可以实现高的效率和功率密度。本发明尤其适用于重频运行的大功率恒流充电电源。
附图说明
[0047] 图1是采用4个双向开关模块的充电装置；
[0048] 图2是采用2个半桥和2个双向开关模块的拓扑；
[0049] 图3是采用4个半桥模块的拓扑；
[0050] 图4是负载吸收的功率随时间的变化；
[0051] 图5是采用4个双向开关模块的简化电路和参数标示；
[0053] 图7是电流切换过程实验结果；
[0054] 图8是通用时序信号。
具体实施方式
[0055] 基于串联谐振断续工作模式的电源在谐振电流前半周激励源接入向谐振回路提供能量，而在后半周谐振回路会将多余能量返回到激励源。本发明正是利用断续工作模式的特点，将返回的多余能量转存到临时储能环节，从而实现对负载充电过程中就可以对储能环节充电，另外，本发明采用在谐振电流前半周切换激励源的方式构建储能环节对谐振回路输出能量的通路，实现在对负载充电期间，临时储能环节起到与电网并行提供功率的辅助作用。由于临时储能环节为电压源，而DC-link的直流母线也为电压源，为了避免两不同电压的电压源之间的短路，因此在两电压源分别串接了双向开关后再连接到谐振回路，从而可以实现谐振电流在电压源之间的可靠切换。
[0056] 图4为恒流充电方式下负载电容器吸收功率随时间的变化关系，定义：Ps为充电起始时刻的功率，Pe为充电结束时刻的功率，Pm为充电过程的平均功率，Pmax为电源可输出的最大功率，时间轴上的start、middle和end分别为充电起始时刻、中间时刻和充满时刻。功率曲线在时间轴上的投影面积即为能量，充电过程负载吸收的总能量为E2和E3面积之和，如果采用平均功率Pm供电，则在start和middle之间，电网提供的能量将有剩余，能量值为E1，在middle和end之间，电网提供的能量将不足以满足负载需求，存在能量缺口，缺口值为E3；
[0057] 由于恒流充电方式下，面积E1与E3相等，如果将剩余能量E1搬移到缺口能量E3
位置，则平均功率供电方案可实现，能量在时间上的转移可通过临时储能电容C2实现；工作期间，临时储能电容C2上的电压在start和middle期间逐渐增加，在middle和end期间逐渐减小到起始值。由于临时储能电容容量较大，因而C2上的电压变化幅度并不大，并接近于供电直流母线电压。
[0058] 图5是采用4个双向开关模块的简化电路和参数标示，4个双向开关模块连接够通过谐振电感Lr和谐振电容Cr构成的谐振回路后与
整流器(rectifier)连接。
[0059] 储能环节还可以采用与母线电压不同的
电池或超级电容，通过将输出整流桥D4输出端短路的方式，可实现供电端向储能环节的单独充电，调节tx或者控制周期Tc可以控制对储能环节的充电电流。本控制方法也适用于两个电压源共同实现对电容器进行充电的混合供电应用中，这两个电压源不仅均可以向负载传递能量，两电压源之间也可进行能量的双向传递。
[0060] 本发明的具体控制方法为：
[0061] ①图1中的电源装置接入三相电后，所有开关均处于关断状态，直流母线滤波电容器C1电压升高，同时直流母线也通过第一预充电电阻R1、第一预充电二极管D2、第二预充电电阻R2和第二预充电二极管D2对临时储能电容C2充电。
[0062] ②
控制器上电后判断直流滤波电容C1电压和临时储能电容C2电压是否达到正常的稳态值，若达到，则控制电源处于就绪状态，否则处于等待状态。
[0063] ③控制器10根据人机界面4的设定是否需要采用恒功率供电工作方式，若否，则控制图1中的第七带有并联二极管的开关S7处于一直开通状态，同时控制图1中的第五带有并联二极管的开关S5、第六带有并联二极管的开关S6和第八带有并联二极管的开关S8均处于关断状态，则图1中电路退化为常规的全桥串联
谐振电路，第一至第四带有并联二极管的开关S1～S4的控制与常规控制方式相同；若需要采用恒功率供电方式，则继续以下步骤；
[0064] ④计算模块5通过母线电压采集电路1、储能环节电压采集电路2、负载电压采集电路3和人机界面4分别得到负载电压UL、直流母线电压U1、临时储能电容电压U2和设置的阈值电压Uset。
[0065] ⑤计算模块5判断当前状态是否是充电起始时刻，若是，则更新充电起始电压Us为当前负载电压，即Us＝UL，更新充电结束电压Ue为设置阈值电压，即Ue＝Uset；若否，则跳过此步骤；
[0066] ⑥在当前控制周期Tc中，根据当前采集与获取的负载电压UL、直流母线电压U1、充电起始电压Us、充电结束电压Ue，获取控制参数tx，具体方法如下：
[0067] 在当前控制周期Tc中，根据当前采集与获取的负载电压UL、直流母线电压U1、充电起始电压Us、充电结束电压Ue，获取控制参数tx，具体方法如下：
[0068] 设在一个谐振周期T内，母线电压U1和临时储能电容电压U2保持恒定，并取近似处理，即U2＝U1；
[0069] 根据串联谐振断续工作模式特性，谐振电流前半周电流峰值I1m为：
[0070] |I1m|＝(U1+UL)/Z；
[0071] 后半周电流峰值I2m为：
[0072] |I2m|＝(U1-UL)/Z；
[0073] 则输出平均充电电流Ichg为：
[0074] Ichg＝M(|I1m|+|I2m|)/π＝2MU1/(πZ)；
[0075] 其中M为占空系数，为谐振周期T与控制周期Tc的比值，即M＝T/Tc，Z为电源谐振回路中谐振电感Lr和谐振电容Cr的特征阻抗，
[0076] 则充电过程电源输出的起始功率Ps可表示为：
[0077] Ps＝UsIchg；
[0078] 充电过程结束时的功率Pe可表示为：
[0079] Pe＝UeIchg；
[0080] 充电过程电源输出的平均功率Pm可表示为：
[0081] Pm＝Ichg(Us+Ue)/2＝MU1(Us+Ue)/(πZ)；
[0082] 谐振电流前半周电流ir的表达式为：
[0083]
[0084] 式中t为工作时间，ω为谐振角频率，即
[0085] 直流母线在电流前半周内提供的能量E1可表示为：
[0086]
[0087] 式中tx为直流母线工作持续时间，也为切换时刻；
[0088] 通过控制直流母线在单脉冲提供的平均功率等于负载需要的平均功率Pm即可实现供电端的功率恒定，且为平均功率，即令：
[0089] E1/Tc＝Pm；
[0090] 结合Pm和E1的表达式，可得控制参数tx：
[0091]
[0092] ⑦采用串联谐振断续工作模式，将直流母线和储能电容进行组合的方式对谐振回路进行激励，即采用3过程的工作模式，谐振电流前半周包括两个过程，后半周包含一个过程，具体为：第一个工作过程将母线电压U1接入谐振回路；第二个过程将临时储能电容电压U2接入谐振回路，以上两个过程中电压源均是输出功率的；第三个工作过程将储能电容接入回路，此过程电流方向发生改变，电压源是吸收功率的，如图6所示；
[0093] 之所以采用先接低压U1后接高压U2的控制策略，是因为这种切换方式下开关两端不存在硬关断产生的电压尖峰，因而不用加吸收电路，虽然开关存在硬开通过程，但是由于开通前后电压差较小，引起的
开关损耗并不大，激励源切换对应着各激励源输出电流的变化，采用低压源向高压源切换过程平稳，电流切换过程如图7所示。
[0094] 在外部充电信号9无效或计算模块5提供的充满信号有效时，时序生成模块6
输出信号全为0，即不工作，否则，时序生成模块6根据上述控制过程和计算模块5给出的tx，产生4路通用的包含有换流过程的时序信号，如图8所示，min为谐振电流前半周直流母线接入控制信号，mid为临时储能电容C2接入谐振电流前半周的控制信号，max为直流母线和临时储能电容谐振电流前半周接入的公共控制信号，rvs为谐振电流后半周返回电流通道的控制信号。
[0095] ⑧开关状态控制单元7根据交替的电流输出极性将对应的开关信号连接到时序生成模块6产生的通用信号，其余开关信号为关断状态，具体逻辑如下：
[0096] 谐振电流前半周为正极性时：
[0097] S1＝min；S2＝0；S3＝0；S4＝max；S5＝mid；S6＝0；S7＝0；S8＝rvs；
[0098] 谐振电流前半周为负极性时：
[0099] S1＝0；S2＝min；S3＝max；S4＝0；S5＝0；S6＝mid；S7＝0；S8＝rvs；
[0100] ⑨开关驱动8将开关状态控制单元7输出的信号进行功率放大和隔离后连接到主电路部分相应的开关驱动端，最终实现对谐振回路的激励。计算模块5根据负载电压是否达到预设阈值电压判断工作是否结束，若否，则返回步骤③；
[0102] 以根据本发明所述的控制方法直接得到的控制装置为例，来进一步描述本发明的应用方式，图1、图2和图3电路的本质是相同的，即增加临时储能电容参与谐振过程的方式实现供电端功率恒定。在大功率应用时，采用包含有多个开关的模块更有利于提高功率密度，图1～图3中虚线框为市场上存在的2开关封装模块。图2中开关的连接关系最为简单；图3中采用了更为常见的半桥模块代替双向开关模块，可以一定程度降低成本，另外半桥模块可选用的等级更多，有利于实现不同功率等级的电源；图1中为本发明推荐的方案，因为相比常规全桥电路而言，主电路电流回路中仅增加一个通态开关压降，而图2和图3中均增加了2个通态开关压降，因而图1方案有利于减小通态损耗，提高效率。
[0103] 下面详细介绍图1的方案，本例主电路部分包括：括三相整流桥D3、直流母线滤波电感L1、直流母线滤波电容C1、临时储能电容C2，第一预充电电阻R1、第一预充电二极管D1、第二预充电电阻R2、第二预充电二极管D2、第一带有并联二极管的开关S1、第二带有并联二极管的开关S2、第三带有并联二极管的开关S3、第四带有并联二极管的开关S4、第五带有并联二极管的开关S5、第六带有并联二极管的开关S6、第七带有并联二极管的开关S7、第八带有并联二极管的开关S8、谐振电感Lr、谐振电容Cr、变压器T和输出整流桥D4；所述三相整流桥D3的正相输出端通过直流母线滤波电感L1后接直流母线滤波电容C1的一端、第一带有并联二极管的开关S1的一端、第二带有并联二极管的开关S2的一端和第一预充电电阻R1的一端，其负相输出端接直流母线滤波电容C1的另一端、第七带有并联二极管的开关S7的一端和第二预充电二极管D2的阴极；第一带有并联二极管的开关S1的另一端接第五带有并联二极管的开关S5的一端、第三带有并联二极管的开关S3的一端和谐振电容Cr的一端；第二带有并联二极管的开关S2的另一端接第六带有并联二极管的开关S6的一端、第四带有并联二极管的开关S4的一端和谐振电感Lr的一端；第六带有并联二极管的开关S6的另一端连接第五带有并联二极管的开关S5的另一端、第一预充电二极管D1的阴极和临时储能电容C2的一端；第一预充电电阻R1的另一端连接第一预充电二极管D1的阳极；临时储能电容C2的另一端连接第二预充电电阻R2和第八带有并联二极管的开关S8的一端；第二预充电电阻R2的另一端连接第二预充电二极管D2的阳极；第八带有并联二极管的开关S8的另一端连接第七带有并联二极管的开关S7的另一端、第三带有并联二极管的开关S3的另一端和第四带有并联二极管的开关S4的另一端；谐振电感Lr的另一端和谐振电容Cr的另一端分别接变压器T一侧绕组的两个输入端；变压器T另一侧绕组的两个输出端接输出整流桥D4的输入端；整流桥D4输出的两端分别连接负载电容C3的两端；其特征在于，还包括母线电压采集电路1、储能环节电压采集电路2、负载电压采集电路3、人机界面4、计算模块5、时序生成模块6、开关状态控制单元7和开关驱动模块8；所述母线电压采集电路1、储能环节电压采集电路2、负载电压采集电路3、人机界面模块4和时序生成模块分别与计算模块连接；所述时序生成模块接外部充电信号9开关状态控制单元7；所述开关状态控制单元7接开关驱动8；
[0104] 所述母线电压采集电路1用于采集直流母线滤波电容C1上的直流母线电压U1，并将采集到的信号发送到计算模块5；
[0105] 所述负载电压采集电路3用于采集负载电容C3两端的负载电压UL，并将采集到的信号发送到计算模块5；
[0106] 所述储能环节电压采集电路2用于采集临时储能电容C2上的临时储能电容电压U2，并将采集到的信号发送到计算模块5；
[0107] 所述计算模块5中包含存储器，用于存储从人机界面4获得的预设阈值电压Uset；
[0108] 所述计算模块5根据当前采集与获取的负载电压UL、直流母线电压U1、充电起始电压Us、充电结束电压Ue，获取控制参数tx并发送到时序生成模块6；
[0109] 所述时序生成模块6根据控制参数tx和外部充电信号9生成控制信号并发送到开关状态控制单元7；
[0110] 所述开关状态控制单元7用于控制开关驱动模块8；
[0111] 所述开关驱动模块8在开关状态控制单元7的控制下驱动开关；所述开关驱动模块8的第一输出端接第一带有并联二极管的开关S1的控制端、其第二输出端接第二带有并联二极管的开关S2的控制端、其第三输出端接第三带有并联二极管的开关S3的控制端、其第四输出端接第四带有并联二极管的开关S4的控制端、其第五输出端接第五带有并联二极管的开关S5的控制端、其第六输出端接第六带有并联二极管的开关S6的控制端、其第七输出端接第七带有并联二极管的开关S7的控制端、其第八输出端接第八带有并联二极管的开关S8的控制端。
