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基于时序前馈抑制脉冲负载补偿变换器超调的方法及装置
申请号	CN202410095049.3	申请日	2024-01-23	公开(公告)号	CN117977912A	公开(公告)日	2024-05-03
申请人	中国电子科技集团公司第二十九研究所;			发明人	白雷; 张莉; 王斌; 张斐; 刘延力; 王凤岩; 黄付刚; 赵伟刚; 王海龙; 陈浩;
摘要	本发明公开了一种基于时序前馈抑制脉冲负载补偿变换器超调的方法及装置，该方法将复杂高频时序作为输入后，对时序进行降频处理，处理后得到的时序与负载电流跳变检测结果进行融合后判断双向变换器的工作模式，并根据工作模式控制双向变换器实现储能控制或释能控制；在储能模式下双向变换器的输入电流根据负载和电源电流确定最大的补偿电流，控制变换器快速响应至最大补偿电流后缓慢减小；在释能模式下双向变换器的输出电流根据负载和电源电流确定最大补偿电流，控制变换器快速响应至最大补偿电流后缓慢减小；通过变功率控制实现功率补偿。本发明减小了控制环节的延时，从而减小了双向变换器补偿脉冲负载时的电流超调。
权利要求	1.一种基于时序前馈抑制脉冲负载补偿变换器超调的方法，其特征在于，包括：时序控制单元对脉冲负载进行控制，将时序控制单元中的复杂高频时序作为输入后，经时序处理单元对时序进行降频处理，处理后得到的时序与负载电流跳变检测结果在工作模式控制单元中进行融合后，判断双向变换器的工作模式，并根据判断出的工作模式，控制双向变换器实现储能控制或释能控制。 2.根据权利要求1所述的基于时序前馈抑制脉冲负载补偿变换器超调的方法，其特征在于，双向变换器使能后直接给储能电容充电，充电完成后进入释能待机模式；在储能模式下，双向变换器的输入电流根据负载和电源电流确定最大的补偿电流，控制双向变换器的输入电流快速响应至最大补偿电流后缓慢减小；在释能模式下双向变换器的输出电流根据负载和电源电流确定最大补偿电流，控制双向变换器的输出快速响应至最大补偿电流后缓慢减小；通过双向变换器的储能和释能控制实现脉冲负载的功率补偿。 3.根据权利要求1所述的基于时序前馈抑制脉冲负载补偿变换器超调的方法，其特征在于，脉冲负载控制时序包括加电控制时序Ton、收发控制时序Ct和纯收时序Rt；Ton为高时，其表示DC‑DC变换器向脉冲负载供电，Ton为低时，其表示脉冲负载断电；当Ton为高时，允许Ct和Rt为高；Ct为高时，其表示脉冲负载处于发射模式，脉冲负载消耗功率大，Ct为低时，其表示脉冲负载处于接收模式，脉冲负载功率降低；Rt为高时，其表示允许脉冲负载发射，Rt为低时，其表示禁止脉冲负载发射，仅Rt为高时，允许Ct为高；Rt为低时，脉冲负载处于低功率状态，Rt为高时，脉冲负载可能为低功率状态，也可能为高功率状态。 4.根据权利要求3所述的基于时序前馈抑制脉冲负载补偿变换器超调的方法，其特征在于，时序处理单元对时序Ton、Ct和Rt进行逻辑处理得到释能控制信号Sr和储能控制信号Ss；其中Ct时序为主时序，Ton与Rt为辅助控制时序；时序处理逻辑中，Ton时序优先级最高，Rt时序优先级居中，Ct时序优先级最低；仅在Ton为高且Rt为高时允许Ct为高电平。 5.根据权利要求4所述的基于时序前馈抑制脉冲负载补偿变换器超调的方法，其特征在于，Sr与Ss默认为低电平，当Ton为低时，Sr与Ss均为低；当Ton为高时，Ss、Sr基于Rt、Ct判断其高低；Ton为高电平状态下，当Rt为低时，Sr同为低电平，Ss为高电平；Ton为高电平状态下，当Rt为高时，Sr、Ss基于Ct判断其高低；当Ct上升沿时，Ss信号立即变低，若Ct高电平时间大于或等于高屏蔽窗口时间Th，则Sr信号变为高电平，否则Sr信号保持为低电平；当Ct下降沿时，若Ct低电平时间大于或等于低屏蔽窗口时间Tl，则Sr信号保持为高电平，否则下降沿延时Tl时间后变为低电平；当Sr下降沿变为低电平后，若Ct的低电平时间大于互斥窗口时间Td，则Ss变为高电平，否则保持为低电平。 6.根据权利要求4所述的基于时序前馈抑制脉冲负载补偿变换器超调的方法，其特征在于，当存在Ton上升沿，或者Rt上升沿，或者Ct的低电平持续时间大于或等于设置低电平最大时间Tlmax时，Ct的首次上升沿出现时Th时间降低，以提升脉冲负载在突加功率时的补偿效果；Th，Tl，Td以及Tlmax时间可以通过上位机根据系统实际工况对其进行配置，以改善不同状态下的时序处理效果，降低时序处理延时。 7.根据权利要求4所述的基于时序前馈抑制脉冲负载补偿变换器超调的方法，其特征在于，时序处理单元得到Sr与Ss信号后，将其送入工作模式控制单元；当Sr为高电平，Ss为低电平，且脉冲负载电流增加情况下，释能控制器控制双向变换器立即工作，将储能电容上的能量释放给脉冲负载；当Ss为高电平，Sr为低电平，且脉冲负载电流减小情况下，储能控制器控制双向变换器立即工作，将电源上的能量储存至储能电容；当Sr与Ss均为低电平，则双向变换器处于待机模式，双向变换器的工作状态仅根据负载电流跳变检测结果进行控制；当负载电流由小电流跳变为大电流状态时，释能控制器控制双向变换器释能工作；当负载电流由大电流跳变为小电流时，储能控制器控制双向变换器储能工作。 8.根据权利要求4所述的基于时序前馈抑制脉冲负载补偿变换器超调的方法，其特征在于，由于时序处理逻辑与互斥窗口存在，不会出现Sr与Ss均为高状态；工作模式控制单元将时序与负载电流跳变检测融合；当时序处理单元存在且工作正常则可减小负载电流跳变检测阈值减小判断延时，从而减小双向变换器的电流超调，最终减小了系统输入电流，减小对发电机容量需求；当无时序控制单元和时序处理单元时，Ss和Sr均为低电平仅检测负载电流跳变也可实现功率补偿，电路可正常工作。 9.一种基于时序前馈抑制脉冲负载补偿变换器超调的装置，用于实现权利要求1‑8任一项所述的基于时序前馈抑制脉冲负载补偿变换器超调的方法，其特征在于，包括：脉冲负载、时序控制单元、时序处理单元、工作模式控制单元、负载电流跳变检测单元、双向变换器、储能电容、储能控制器和释能控制器；时序控制单元的输出端分别与脉冲负载和时序处理单元的输入端连接；时序处理单元的输出端与工作模式控制单元的输入端连接；工作模式控制单元的输出端分别与储能控制器和释能控制器的输入端连接；储能控制器和释能控制器的输出端均与双向变换器的控制输入端连接；双向变换器的输出端与储能电容的两端连接。 10.根据权利要求9所述的基于时序前馈抑制脉冲负载补偿变换器超调的装置，其特征在于，还包括发电机和DC‑DC变换器；发电机的输出端与双向变换器的输入端连接；DC‑DC变换器输入连接在发电机的两端； DC‑DC变换器的输出端与脉冲负载连接；发电机两端的采样电压、储能电容两端的采样电压、发电机的输出电流和双向变换器的输入电流分别输入储能控制器和释能控制器；DC‑DC变换器的输入电流分别输入负载电流跳变检测单元、释能控制器和储能控制器。
说明书全文	基于时序前馈抑制脉冲负载补偿变换器超调的方法及装置技术领域 [0001] 本发明涉及电力电子技术领域，特别是一种基于时序前馈抑制脉冲负载补偿变换器超调的方法及装置。背景技术 [0002] 发射类电子设备存在脉冲负载工作状态，在有限容量电源系统中，任意占频率和任意占空比脉冲负载会影响发电机的响应状态，从而导致发电机输出品质下降问题。交流发电机可能出现电压调制量超标，频率调制量超标等问题，直流发电机可能出现电压脉动幅值增加的问题。 [0003] 为解决百Hz量级的低频脉冲负载问题，最常见的方式是提高组件的静态功耗，从而减小峰值功率和谷值功率的差值；但是该方式只适用于TR组件等能控制静态功耗大幅提高的器件；且常见的TR组件静态功耗一般仅提升至峰值功率的60％左右，在大功率系统中，TR组件导致的脉冲负载由于脉冲负载峰值功率很大，仍可能导致发电机超标的问题。电阻负载串联开关MOSFET电路与电源并联也可用于减小低频脉冲负载对发电机的影响，当脉冲负载处于峰值时，控制MOSFET处于关闭状态，电阻负载不产生功耗，峰值功率不变；当脉冲负载处于谷值功率时，控制MOSFET处于开通状态，电阻负载产生功耗，提高谷值功率；通过提高谷值功率可减小脉冲负载差值，减小脉冲负载影响；但是在脉冲负载峰值或谷值变化应用中，固定的电阻负载难以完全匹配功率差值，导致该方法效果差；而且该方法需增加系统功耗，散热系统体积变大。 [0004] 此外，使用双向变换器和储能电容进行有源补偿的方法可以实时检测功率差值，实现自适应补偿效果；在脉冲负载谷值期间，双向变换器给储能电容充电，增加功率谷值期间发电机的功耗；在脉冲负载峰值期间，双向变换器将储能电容中存储的能量释放给负载，从而减小脉冲负载峰值期间发电机的功耗；但是由于脉冲负载边沿响应较快，需双向变换器的控制算法中的比例积分环节有快速的动态响应，从而能更快补偿边沿期间的功率变化，但是比例积分环节响应加快后会引起更大的超调量，超调量过大可能引起输入的过流保护问题；此外负载突变检测电路为减少误动作工况，需增加电流变换判断阈值，故会引入延迟时间，检测延迟也会导致电流超调。发明内容 [0005] 鉴于此，本发明提供一种基于时序前馈抑制脉冲负载补偿变换器超调的方法及装置，该方法可减小脉冲负载补偿变换器的补偿电流超调量，从而防止输入电流过大的问题，减小对发电机的总功率需求。 [0006] 本发明公开了一种基于时序前馈抑制脉冲负载补偿变换器超调的方法，适用于上述所述的基于时序前馈抑制脉冲负载补偿变换器超调的装置，其包括： [0007] 时序控制单元对脉冲负载进行控制，将时序控制单元中的复杂高频时序作为输入后，经时序处理单元对时序进行降频处理，处理后得到的时序与负载电流跳变检测结果在工作模式控制单元中进行融合后，判断双向变换器的工作模式，并根据判断出的工作模式，控制双向变换器实现储能控制或释能控制。 [0008] 进一步地，双向变换器使能后直接给储能电容充电，充电完成后进入释能待机模式；在储能模式下，双向变换器的输入电流根据负载和电源电流确定最大的补偿电流，控制双向变换器的输入电流快速响应至最大补偿电流后缓慢减小；在释能模式下双向变换器的输出电流根据负载和电源电流确定最大补偿电流，控制双向变换器的输出快速响应至最大补偿电流后缓慢减小；通过双向变换器的储能和释能控制实现脉冲负载的功率补偿。 [0009] 进一步地，脉冲负载控制时序包括加电控制时序Ton、收发控制时序Ct和纯收时序Rt；Ton为高时，其表示DC‑DC变换器向脉冲负载供电，Ton为低时，其表示脉冲负载断电；当Ton为高时，允许Ct和Rt为高；Ct为高时，其表示脉冲负载处于发射模式，脉冲负载消耗功率大，Ct为低时，其表示脉冲负载处于接收模式，脉冲负载功率降低；Rt为高时，其表示允许脉冲负载发射，Rt为低时，其表示禁止脉冲负载发射，仅Rt为高时，允许Ct为高；Rt为低时，脉冲负载处于低功率状态，Rt为高时，脉冲负载可能为低功率状态，也可能为高功率状态。 [0010] 进一步地，时序处理单元对时序Ton、Ct和Rt进行逻辑处理得到释能控制信号Sr和储能控制信号Ss；其中Ct时序为主时序，Ton与Rt为辅助控制时序；时序处理逻辑中，Ton时序优先级最高，Rt时序优先级居中，Ct时序优先级最低；仅在Ton为高且Rt为高时允许Ct为高电平。 [0011] 进一步地，Sr与Ss默认为低电平，当Ton为低时，Sr与Ss均为低；当Ton为高时，Ss、Sr基于Rt、Ct判断其高低；Ton为高电平状态下，当Rt为低时，Sr同为低电平，Ss为高电平；Ton为高电平状态下，当Rt为高时，Sr、Ss基于Ct判断其高低；当Ct上升沿时，Ss信号立即变低，若Ct高电平时间大于或等于高屏蔽窗口时间Th，则Sr信号变为高电平，否则Sr信号保持为低电平；当Ct下降沿时，若Ct低电平时间大于或等于低屏蔽窗口时间Tl，则Sr信号保持为高电平，否则下降沿延时Tl时间后变为低电平；当Sr下降沿变为低电平后，若Ct的低电平时间大于互斥窗口时间Td，则Ss变为高电平，否则保持为低电平。 [0012] 进一步地，当存在Ton上升沿，或者Rt上升沿，或者Ct的低电平持续时间大于或等于设置低电平最大时间Tlmax时，Ct的首次上升沿出现时的Th时间降低，以提升脉冲负载在突加功率时的补偿效果；Th，Tl，Td以及Tlmax时间可以通过上位机根据系统实际工况对其进行配置，以改善不同状态下的时序处理效果，降低时序处理延时。 [0013] 进一步地，时序处理单元得到Sr与Ss信号后，将其送入工作模式控制单元；当Sr为高电平，Ss为低电平，且脉冲负载电流增加情况下，释能控制器控制双向变换器立即工作，将储能电容上的能量释放给脉冲负载；当Ss为高电平，Sr为低电平，且脉冲负载电流减小情况下，储能控制器控制双向变换器立即工作，将电源上的能量储存至储能电容；当Sr与Ss均为低电平，则双向变换器处于待机模式，双向变换器的工作状态仅根据负载电流跳变检测结果进行控制；当负载电流由小电流跳变为大电流状态时，释能控制器控制双向变换器释能工作；当负载电流由大电流跳变为小电流时，储能控制器控制双向变换器储能工作。 [0014] 进一步地，由于时序处理逻辑与互斥窗口存在，不会出现Sr与Ss均为高状态；工作模式控制单元将时序与负载电流跳变检测融合；当时序处理单元存在且工作正常则可减小负载电流跳变检测阈值减小判断延时，从而减小双向变换器的电流超调，最终减小了系统输入电流，减小对发电机容量需求；当无时序控制单元和时序处理单元时，Ss和Sr均为低电平仅检测负载电流跳变也可实现功率补偿，电路也可正常工作。 [0015] 本发明还公开了一种基于时序前馈抑制脉冲负载补偿变换器超调的装置，其包括：脉冲负载、时序控制单元、时序处理单元、工作模式控制单元、负载电流跳变检测单元、双向变换器、储能电容、储能控制器和释能控制器； [0016] 时序控制单元的输出端分别与脉冲负载和时序处理单元的输入端连接；时序处理单元的输出端与工作模式控制单元的输入端连接；工作模式控制单元的输出端分别与储能控制器和释能控制器的输入端连接；储能控制器和释能控制器的输出端均与双向变换器的控制输入端连接；双向变换器的输出端与储能电容的两端连接。 [0017] 进一步地，还包括发电机和DC‑DC变换器； [0018] 发电机的输出端与双向变换器的输入端连接；DC‑DC变换器输入连接在发电机的两端；DC‑DC变换器的输出端与脉冲负载连接； [0019] 发电机两端的采样电压、储能电容两端的采样电压、发电机的输出电流和双向变换器的输入电流分别输入储能控制器和释能控制器；DC‑DC变换器的输入电流分别输入负载电流跳变检测单元、释能控制器和储能控制器。由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点： [0020] 本发明采用时序前馈方法减小了控制环节的延时，从而减小了双向变换器补偿脉冲负载时的电流超调，最终实现减小了系统输入电流，减小对发电机容量需求的目的。附图说明 [0021] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0022] 图1为本发明实施例的一种基于时序前馈抑制脉冲负载补偿变换器超调的装置示意图； [0023] 图2为传统的控制框图； [0024] 图3为本发明实施例的时序处理框图； [0025] 图4(a)为传统的控制超调波形示意图； [0026] 图4(b)为本发明实施例的超调波形示意图。具体实施方式 [0027] 结合附图和实施例对本发明作进一步说明，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。 [0028] 参见图3，本发明提供了一种基于时序前馈抑制脉冲负载补偿变换器超调的方法的实施例，其包括： [0029] 时序控制单元对脉冲时序的负载进行控制，本方法将时序控制单元中的复杂高频时序作为输入后经时序处理单元对时序进行降频处理，处理后得到的时序与负载电流跳变检测结果在工作模式控制单元中进行融合后判断双向变换器的工作模式，并根据判断出的工作模式控制双向变换器实现储能控制或释能控制；双向变换器使能后直接给储能电容充电，充电完成后进入释能待机模式。在储能模式下，双向变换器的输入电流根据负载和电源电流确定最大的补偿电流，控制双向变换器的输入电流快速响应至最大补偿电流后缓慢减小；在释能模式下双向变换器的输出电流根据负载和电源电流确定最大补偿电流，控制双向变换器的输出快速响应至最大补偿电流后缓慢减小；通过双向变换器的储能和释能控制实现脉冲负载的功率补偿。 [0030] 脉冲负载控制时序包括加电控制时序Ton、收发控制时序Ct和纯收时序Rt；Ton为高时，其表示DC‑DC变换器向脉冲负载供电，Ton为低时，其表示脉冲负载断电；当Ton为高时，允许Ct和Rt为高；Ct为高时，其表示脉冲负载处于发射模式，脉冲负载消耗功率大，Ct为低时，其表示脉冲负载处于接收模式，脉冲负载功率降低；Rt为高时，其表示允许脉冲负载发射，Rt为低时，其表示禁止脉冲负载发射，仅Rt为高时，允许Ct为高；Rt为低时，脉冲负载处于低功率状态，Rt为高时，脉冲负载可能为低功率状态，也可能为高功率状态。 [0031] 时序处理单元对时序Ton、Ct和Rt进行逻辑处理得到释能控制信号Sr和储能控制信号Ss；其中Ct时序为主时序，Ton与Rt为辅助控制时序；时序处理逻辑中，Ton时序优先级最高，Rt时序优先级居中，Ct时序优先级最低；仅在Ton为高且Rt为高时允许Ct为高电平。 [0032] Sr与Ss默认为低电平，当Ton为低时，Sr与Ss均为低；当Ton为高时，Ss、Sr基于Rt、Ct判断其高低。Ton为高电平状态下，当Rt为低时，Sr同为低电平，Ss为高电平；Ton为高电平状态下，当Rt为高时，Sr、Ss基于Ct判断其高低；当Ct上升沿时，Ss信号立即变低，若Ct高电平时间大于或等于高屏蔽窗口时间Th，则Sr信号变为高电平，否则Sr信号保持为低电平；当Ct下降沿时，若Ct低电平时间大于或等于低屏蔽窗口时间Tl，则Sr信号保持为高电平，否则下降沿延时Tl时间后变为低电平；当Sr下降沿变为低电平后，若Ct的低电平时间大于互斥窗口时间Td，则Ss变为高电平，否则保持为低电平。 [0033] 当存在Ton上升沿，或者Rt上升沿，或者Ct的低电平持续时间大于或等于设置低电平最大时间Tlmax时，Ct的首次上升沿出现时的Th时间降低，以提升脉冲负载在突加功率时的补偿效果。Th，Tl，Td以及Tlmax时间可以通过上位机根据系统实际工况对其进行配置，以改善不同状态下的时序处理效果，降低时序处理延时。 [0034] 时序处理单元得到Sr与Ss信号后，将其送入工作模式控制单元；当Sr为高电平，Ss为低电平，且脉冲负载电流增加情况下，释能控制器控制双向变换器立即工作，将电容Cs(储能电容)上的能量释放给脉冲负载；当Ss为高电平，Sr为低电平，且脉冲负载电流减小情况下，储能控制器控制双向变换器立即工作，将电源上的能量储存至电容Cs；当Sr与Ss均为低电平，则双向变换器处于待机模式，双向变换器的工作状态仅根据负载电流跳变检测结果进行控制；当负载电流由小电流跳变为大电流状态时，释能控制器控制双向变换器释能工作；当负载电流由大电流跳变为小电流时，储能控制器控制双向变换器储能工作。 [0035] 参见图1，本发明提供了一种基于时序前馈抑制脉冲负载补偿变换器超调的装置的实施例，用于实现上述实施例所述的基于时序前馈抑制脉冲负载补偿变换器超调的方法，本实施例包括：脉冲负载、时序控制单元、时序处理单元、工作模式控制单元、负载电流跳变检测单元、双向变换器、储能电容、储能控制器和释能控制器； [0036] 时序控制单元的输出端分别与脉冲负载和时序处理单元的输入端连接；时序处理单元的输出端与工作模式控制单元的输入端连接；工作模式控制单元的输出端分别与储能控制器和释能控制器的输入端连接；储能控制器和释能控制器的输出端均与双向变换器的控制输入端连接；双向变换器的输出端与储能电容的两端连接。 [0037] 本实施例中，还包括发电机和DC‑DC变换器； [0038] 发电机的输出端与双向变换器的输入端连接；DC‑DC变换器输入连接在发电机的两端；DC‑DC变换器的输出端与脉冲负载连接； [0039] 发电机两端的采样电压、储能电容两端的采样电压、发电机的输出电流和双向变换器的输入电流分别输入储能控制器和释能控制器；DC‑DC变换器的输入电流分别输入负载电流跳变检测单元、释能控制器和储能控制器。 [0040] 相较于图2所示的传统控制装置，本发明增加时序处理环节，并对工作模式控制环节进行优化。其中脉冲负载、双向变换器和储能电容是该方法实现的硬件基础，时序控制单元、时序处理单元、工作模式控制单元、负载电流跳变检测单元储能控制器和释能控制器是该方法的核心控制逻辑。 [0041] 根据本发明控制框图，使用270V电源、脉冲负载以及脉冲负载补偿双向变换器对本发明进行测试。 [0042] 设置脉冲负载为4500W谷值和8000W峰值，脉冲负载频率100Hz，脉冲负载占空比90％。 [0043] 图4(a)和图4(b)为传统控制超调波形与本发明超调波形对比，图中为脉冲负载电流波形(通道4)，发电机电流波形(通道3)，电容Cs电压波形(通道1)，脉冲负载驱动波形(通道2)。图4(a)为传统控制双向变换器电流超调波形，超调电流10A，图4(b)为本发明控制双向变换器电流超调波形，超调电流为3A；使用本发明方法后，超调电流下降70％，显著减小系统输入电流峰值以及发电机容量需求。 [0044] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

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