一种恒功率宽范围数字程控电源及控制方法与流程

本发明属于电源领域，特别涉及一种恒功率宽范围数字程控电源及控制方法。

背景技术：

程控电源作为一种采用上位机控制可动态调节输出电压、电流的电源广泛应用于实验室等供电电源，也可作为工业现场电源。但目前的程控电源一般采用两级拓扑结构，前级整流稳压，后级直接dc/dc变换输出，而程控电源功率一定，最大输出电流由额定功率及输出最大电源电压决定，因此当程控输出电源电压低于最大输出电源电压时，其功率不能实现满功率，也即程控电源不能实现恒功率输出，制约了程控电源在不同输出电压时输出功率范围.

另一种程控电源为了实现恒功率输出，将dc/dc变换中的变压器按恒功率低电压大电流设计，而要同时满足高压和低压宽范围，实际变压器功率需按照额定功率几倍的要求进行设计，增大变压器体积的同时也增加了变压器设计的难度，从而影响程控电源整体的质量品质。

技术实现要素：

本发明解决的问题是：为克服现有程控电源设计的不足，本发明设计了一种恒功率宽范围数字程控电源及控制方法，以满足实际使用中对程控电源的品质质量要求。

本发明的技术解决方案：

一种恒功率宽范围数字程控电源，包括可控整流ac/dc电路、隔离高压dc/dc电路和程控输出dc/dc电路，

可控整流ac/dc电路包括两级emi共模滤波单元、全桥整流单元、boost变换单元和第一数字信号处理控制单元，

两级emi共模滤波单元对输入的交流电进行两级emi共模滤波；第一数字信号处理控制单元采集全桥整流单元输出的直流电压及反馈的电流信息，控制boost变换单元对全桥整流单元输出的直流电压进行boost整流变换，同时检测boost整流变换后的输出电压；第一数字信号处理控制单元对boost输出电压与设定的整流输出目标电压进行比较，将比较的差值作为输出电压闭环的输入误差指令；对输入误差指令进行电压闭环pid控制计算，实现对boost变换单元输出目标电压控制；

隔离高压dc/dc电路包括dc/dc全桥变换单元、全桥整流滤波单元和第二数字信号处理控制单元，

第二数字信号处理控制单元控制dc/dc全桥变换单元将目标电压变为高频交流电压，并采集高压直流电压，并与高压直流电压目标值进行比较，将比较的差值作为输出电压闭环的输入误差指令；对输入误差指令进行电压闭环pid控制计算，实现对隔离高压dc/dc电路输出高压直流电压控制；

程控输出dc/dc电路包括输出斩波单元、emi直流输出滤波单元、第三数字信号处理控制单元和通信接口单元，

第三数字信号处理控制单元控制输出斩波单元，将高压直流电压变为目标斩波电压，并通过通信接口单元接收来自外部上位机传递的程控电压、电流指令信号，与emi直流输出滤波单元实时输出的电压、电流进行比较，将比较的差值分别作为电压闭环、电流闭环的输入误差指令，对输入误差指令进行电压、电流闭环pid控制计算，实现对高压直流电压的程控输出控制。

第一数字信号处理控制单元、第二数字信号处理控制单元和第三数字信号处理控制单元的功能可扩展在所有的控整流ac/dc电路、隔离高压dc/dc电路、程控输出dc/dc电路上。

将程控电源并联连接，并联的程控电源的通信接口并联连接在综合控制单元上，综合控制单元接收来自外界信号输入，将外界信号输入通过通信接口传递给程控电源，作为程控电源的输入指令，控制程控电源的输出，实现对程控电源的输出均流控制。

对程控电源的输出均流控制方法为：

(1)综合控制单元采集程控电源并联后输出的直流电流，根据程控电源的正常工作个数确定程控电源的均流目标电流；

(2)综合控制单元将均流目标电流通过数字总线通信接口传递给每个程控电源；

(3)程控电源将均流目标电流与自身输出的程控电流进行比较，将其差值作为程控电源电压闭环的修正补偿值，调节程控电源电压输出，实现均流调节。

当程控电源至少一个出现故障，综合控制单元负责度故障进行检查，故障检查确认后抛弃故障单元，重新计算均流目标电流，并下发给各个程控电源模块，程控电源模块根据新的均流目标电流进行输出电压调节，从而实现故障条件下的并联均流。

实现故障条件下的并联均流的方法为：

(1)各个程控电源将自己的工作状态及输出电压、电流信息通过数字总线通信接口高速传输给综合控制单元；

(2)综合控制单元根据各个程控电源传输的工作状态及输出电压、电流判断程控电源的工作状态，确认程控电源故障后，向故障程控电源下发目标输出电压为0或停止输出指令，实现对故障程控电源的切除；

(3)综合控制单元切除故障程控电源后，根据采集到的程控电源并联后输出总直流电流，重新统计正常工作程控电源工作个数，计算新的目标均流目标电流；

(4)综合控制单元将新的均流目标电流通过数字总线通信接口传递给每个正常工作的程控电源；

(5)正常工作的程控电源将新的均流目标电流与自身输出的程控电流进行比较，将其差值作为程控电源电压闭环的修正补偿值，调节程控电源电压输出，实现均流调节。

综合控制单元通过高速数字总线通信接口实现对各个程控电源模块的实时监控，具体实现方法为：

(1)综合控制单元通过高速数字总线通信接口接收来自各个程控电源的运行状态及输出电压、电流信息，同时采集各个并联程控电源总的输出电压、输出电流；

(2)综合控制单元将获取的程控电源状态及输出电压、电流信息，通过串行通信接口下发到串行通信接口显示屏上或通过与外部连接的数字通信接口下发给外部的上位机控制系统，实现对各程控电源模块状态及输出信息的实时监控。

一种恒功率宽范围数字程控电源控制方法，具体步骤如下：

(1)对boost变换单元输出目标电压进行控制，进而实现输入的交流电的功率因数控制，具体方法为：输入的交流电经过熔断单元送入到两级emi共模滤波单元，两级emi共模滤波单元对输入的交流电进行两级emi共模滤波，将两级emi共模滤波后的交流电送入全桥整流单元，将交流电整流为直流电，第一数字信号处理控制单元采集全桥整流单元输出的直流电压及反馈的电流信息，

第一数字信号处理控制单元控制boost变换单元对全桥整流单元输出的直流电压进行boost整流变换，同时检测boost整流变换后的输出电压，第一数字信号处理控制单元对boost输出电压与设定的整流输出目标电压进行比较，将比较的差值作为输出电压闭环的输入误差指令，

对输入误差指令进行电压闭环pid控制计算，将计算后的电压闭环控制输出值与全桥整流单元输出的直流电压值的乘积一起作为输入电流内环的控制指令，输入电流内环的控制指令与全桥整流单元输出的反馈电流之间差值计算形成电流闭环的输入误差指令；

对输入误差指令进行电流闭环pid控制计算，计算后的电流闭环控制输出值输入给boost变换单元，控制boost变换单元的输出电压，从而让输入的交流电跟随输入的交流电电压相位，实现输入的交流电的功率因数控制，同时实现对boost变换单元输出目标电压控制；

(2)对隔离高压dc/dc电路输出高压直流电压进行控制；

(3)对高压直流电压的程控输出进行控制。

步骤(2)中，boost变换单元输出目标电压送入dc/dc全桥变换单元，第二数字信号处理控制单元控制dc/dc全桥变换单元将目标电压变为高频交流电压，高频交流电压经过高频隔离变压器变换隔离后的高频隔离交流电压送入全桥整流滤波单元，将高频隔离交流电压变为高压直流电压输出给输出斩波单元；

第二数字信号处理控制单元采集高压直流电压，并与高压直流电压目标值进行比较，将比较的差值作为输出电压闭环的输入误差指令，

对输入误差指令进行电压闭环pid控制计算，将计算后的电压闭环控制输出值输入给dc/dc全桥变换单元，从而实现对隔离高压dc/dc电路输出高压直流电压控制。

步骤(3)中，第三数字信号处理控制单元控制输出斩波单元，将高压直流电压变为目标斩波电压，目标斩波电压经过emi直流输出滤波单元输出稳定的用户目标电压及限定电流，

第三数字信号处理控制单元通过通信接口单元接收来自外部上位机传递的程控电压、电流指令信号，与emi直流输出滤波单元实时输出的电压、电流进行比较，将比较的差值分别作为电压闭环、电流闭环的输入误差指令，

对输入误差指令进行电压、电流闭环pid控制计算，将计算后的电压、电流闭环控制输出值输入给输出斩波单元，从而实现对高压直流电压的程控输出控制。

本发明的有益效果：

(1)本发明输入原边的高压直流电经dc/dc全桥变换单元后经高频隔离变压器、全桥整流滤波单元后，实现原边高压直流电与副边高压直流电的隔离,对于为固定值的原、副边高压直流电，设计时可根据额定输出功率设计高频隔离变压器，从而可以简化高频隔离变压器的设计难度，也可大大减轻变压器设计的体积，同时满足实际使用中对程控电源的品质质量要求；

(2)本发明数字信号处理控制单元接收来自上位机通信接口的程控电压、电流指令信号，与输出的指令电压、电流采集信号分别进行电压、电流闭环指令控制，形成对输出电压、电流的指令控制，从而实现电源的程控指令输出控制；

(3)本发明综合控制单元通过高速通信接口获取各个程控电源子单元的输出电流，通过数字指令补偿实现各个单元之间的自动电流均流，避免了模拟均流控制时因均流控制电路器件参数不一致导致的程控电源子单元输出电源电压不一致导致的均流问题，相较于模拟均流必需更换硬件器件改变回路参数进行均流调节，本调节无需额外改变或增加电路，降低了硬件设计及生产复杂度，提高了产品一致性；

(4)本发明数字信号处理控制单元对boost输出电压进行检测与设定的整流输出指令电压进行比较作为输出电压环闭环控制，电压环闭环控制输出与全桥整流单元的输出电压一起作为输入电流内环的控制指令，与整流电流反馈值形成电流闭环控制，从而让输入电流跟随输入电压变为同一相位，实现输入交流电源的功率因数控制。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明程控电源并联结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明给出了一种三级拓扑结构的高功率密度恒功率控制宽范围输出的数字程控电源拓扑结构，如图1所示，包括可控整流ac/dc电路、隔离高压dc/dc电路和程控输出dc/dc电路，

可控整流ac/dc电路包括两级emi共模滤波单元、全桥整流单元、boost变换单元和第一数字信号处理控制单元，

在具体实现上，输入的交流电经过熔断单元送入到两级emi共模滤波单元，两级emi共模滤波单元对输入的交流电进行两级emi共模滤波，将两级emi共模滤波后的交流电送入全桥整流单元，将交流电整流为直流电，第一数字信号处理控制单元采集全桥整流单元输出的直流电压及反馈的电流信息，

第一数字信号处理控制单元控制boost变换单元对全桥整流单元输出的直流电压进行boost整流变换，同时检测boost整流变换后的输出电压，第一数字信号处理控制单元对boost输出电压与设定的整流输出目标电压进行比较，将比较的差值作为输出电压闭环的输入误差指令，

对输入误差指令进行电压闭环pid控制计算，将计算后的电压闭环控制输出值与全桥整流单元输出的直流电压值的乘积一起作为输入电流内环的控制指令，输入电流内环的控制指令与全桥整流单元输出的反馈电流之间差值计算形成电流闭环的输入误差指令；

对输入误差指令进行电流闭环pid控制计算，计算后的电流闭环控制输出值输入给boost变换单元，控制boost变换单元的输出电压，从而让输入的交流电跟随输入的交流电电压相位，实现输入的交流电的功率因数控制，同时实现对boost变换单元输出目标电压控制；

隔离高压dc/dc电路包括dc/dc全桥变换单元、全桥整流滤波单元和第二数字信号处理控制单元，boost变换单元输出目标电压送入dc/dc全桥变换单元，第二数字信号处理控制单元控制dc/dc全桥变换单元将目标电压变为高频交流电压，高频交流电压经过高频隔离变压器变换隔离后的高频隔离交流电压送入全桥整流滤波单元，将高频隔离交流电压变为高压直流电压输出给输出斩波单元；

第二数字信号处理控制单元采集高压直流电压，并与高压直流电压目标值进行比较，将比较的差值作为输出电压闭环的输入误差指令，

对输入误差指令进行电压闭环pid控制计算，将计算后的电压闭环控制输出值输入给dc/dc全桥变换单元，从而实现对隔离高压dc/dc电路输出高压直流电压控制；

程控输出dc/dc电路包括输出斩波单元、emi直流输出滤波单元、第三数字信号处理控制单元和通信接口单元，

第三数字信号处理控制单元控制输出斩波单元，将高压直流电压变为目标斩波电压，目标斩波电压经过emi直流输出滤波单元输出稳定的用户目标电压及限定电流，

第三数字信号处理控制单元通过通信接口单元接收来自外部上位机传递的程控电压、电流指令信号，与emi直流输出滤波单元实时输出的电压、电流进行比较，将比较的差值分别作为电压闭环、电流闭环的输入误差指令，

对输入误差指令进行电压、电流闭环pid控制计算，将计算后的电压、电流闭环控制输出值输入给输出斩波单元，从而实现对高压直流电压的程控输出控制。

第一数字信号处理控制单元、第二数字信号处理控制单元和第三数字信号处理控制单元的功能可扩展在所有的控整流ac/dc电路、隔离高压dc/dc电路、程控输出dc/dc电路上。

将程控电源并联连接，并联的程控电源的通信接口并联连接在综合控制单元上，综合控制单元接收来自外界信号输入，将外界信号输入通过通信接口传递给程控电源，作为程控电源的输入指令，控制程控电源的输出，实现对程控电源的输出均流控制。对程控电源的输出均流控制方法为：

(1)综合控制单元采集程控电源并联后输出的直流电流，根据程控电源的正常工作个数确定程控电源的均流目标电流；

(2)综合控制单元将均流目标电流通过数字总线通信接口传递给每个程控电源；

(3)程控电源将均流目标电流与自身输出的程控电流进行比较，将其差值作为程控电源电压闭环的修正补偿值，调节程控电源电压输出，实现均流调节。

当程控电源至少一个出现故障，综合控制单元负责度对故障程控电源进行检查，故障检查确认后抛弃故障程控电源单元，重新计算均流目标电流，并下发给各个程控电源模块，程控电源模块根据新的均流目标电流进行输出电压调节，从而实现故障条件下的并联均流。

实现故障条件下的并联均流的方法为：

(1)各个程控电源将自己的工作状态及输出电压、电流信息通过数字总线通信接口高速传输给综合控制单元；

(2)综合控制单元根据各个程控电源传输的工作状态及输出电压、电流判断程控电源的工作状态，确认程控电源故障后，向故障程控电源下发目标输出电压为0或停止输出指令，实现对故障程控电源的切除；

(3)综合控制单元切除故障程控电源后，根据采集到的程控电源并联后输出总直流电流，重新统计正常工作程控电源工作个数，计算新的目标均流目标电流；

(4)综合控制单元将新的均流目标电流通过数字总线通信接口传递给每个正常工作的程控电源；

(5)正常工作的程控电源将新的均流目标电流与自身输出的程控电流进行比较，将其差值作为程控电源电压闭环的修正补偿值，调节程控电源电压输出，实现均流调节。

综合控制单元通过高速数字总线通信接口实现对各个程控电源模块的实时监控，具体实现方法为：

(1)综合控制单元通过高速数字总线通信接口接收来自各个程控电源的运行状态及输出电压、电流信息，同时采集各个并联程控电源总的输出电压、输出电流；

(2)综合控制单元将获取的程控电源状态及输出电压、电流信息，通过串行通信接口下发到串行通信接口显示屏上或通过与外部连接的数字通信接口下发给外部的上位机控制系统，实现对各程控电源模块状态及输出信息的实时监控。

如图2所示给出了大功率数字程控电源并联实现方法。大功率数字程控电源由程控电源1、程控电源2、……、程控电源n、综合控制单元、通信接口、设置按键以及人机接口串行通信显示屏等组成。

综合控制单元用于接收用户的按键电压、电流设置指令，将电压电流指令通过通信指令接口分发到程控电源1、程控电源2、……、程控电源n等子单元，各子单元模块根据指令电压、电流设置输出电压、电流，接收到总的输出指令后控制各程控电源子单元输出。

综合控制单元通过高速通信接口获取各个程控电源子单元的输出电流，通过数字指令补偿实现各个单元之间的自动电流均流，避免因并联导致的程控电源子单元输出电源电压不一致导致的均流问题。

一种恒功率宽范围数字程控电源控制方法，具体步骤如下：

(1)对boost变换单元输出目标电压进行控制，进而实现输入的交流电的功率因数控制，具体方法为：输入的交流电经过熔断单元送入到两级emi共模滤波单元，两级emi共模滤波单元对输入的交流电进行两级emi共模滤波，将两级emi共模滤波后的交流电送入全桥整流单元，将交流电整流为直流电，第一数字信号处理控制单元采集全桥整流单元输出的直流电压及反馈的电流信息，

第一数字信号处理控制单元控制boost变换单元对全桥整流单元输出的直流电压进行boost整流变换，同时检测boost整流变换后的输出电压，第一数字信号处理控制单元对boost输出电压与设定的整流输出目标电压进行比较，将比较的差值作为输出电压闭环的输入误差指令，

对输入误差指令进行电压闭环pid控制计算，将计算后的电压闭环控制输出值与全桥整流单元输出的直流电压值的乘积一起作为输入电流内环的控制指令，输入电流内环的控制指令与全桥整流单元输出的反馈电流之间差值计算形成电流闭环的输入误差指令；

对输入误差指令进行电流闭环pid控制计算，计算后的电流闭环控制输出值输入给boost变换单元，控制boost变换单元的输出电压，从而让输入的交流电跟随输入的交流电电压相位，实现输入的交流电的功率因数控制，同时实现对boost变换单元输出目标电压控制；

(2)对隔离高压dc/dc电路输出高压直流电压进行控制：boost变换单元输出目标电压送入dc/dc全桥变换单元，第二数字信号处理控制单元控制dc/dc全桥变换单元将目标电压变为高频交流电压，高频交流电压经过高频隔离变压器变换隔离后的高频隔离交流电压送入全桥整流滤波单元，将高频隔离交流电压变为高压直流电压输出给输出斩波单元；

第二数字信号处理控制单元采集高压直流电压，并与高压直流电压目标值进行比较，将比较的差值作为输出电压闭环的输入误差指令，

对输入误差指令进行电压闭环pid控制计算，将计算后的电压闭环控制输出值输入给dc/dc全桥变换单元，从而实现对隔离高压dc/dc电路输出高压直流电压控制。

(3)对高压直流电压的程控输出进行控制：第三数字信号处理控制单元控制输出斩波单元，将高压直流电压变为目标斩波电压，目标斩波电压经过emi直流输出滤波单元输出稳定的用户目标电压及限定电流，

第三数字信号处理控制单元通过通信接口单元接收来自外部上位机传递的程控电压、电流指令信号，与emi直流输出滤波单元实时输出的电压、电流进行比较，将比较的差值分别作为电压闭环、电流闭环的输入误差指令，

对输入误差指令进行电压、电流闭环pid控制计算，将计算后的电压、电流闭环控制输出值输入给输出斩波单元，从而实现对高压直流电压的程控输出控制。

本发明给出了恒功率数字程控电源ac/dc功率因数控制的实现方法。数字信号处理控制单元对boost输出电压进行检测与设定的整流输出指令电压进行比较作为输出电压环闭环控制，电压环闭环控制输出与全桥整流单元的输出电压一起作为输入电流内环的控制指令，与整流电流反馈值形成电流闭环控制，从而让输入电流跟随输入电压变为，实现输入交流电源的功率因数控制。

本发明给出了恒功率数字程控电源隔离高压dc/dc变换电路的原理图。输入原边的高压直流电经dc/dc全桥变换单元后经高频隔离变压器、全桥整流滤波单元后，实现原边高压直流电与副边高压直流电的隔离。本发明的好处在于原、副边高压直流电为固定值，设计时可根据额定输出功率设计高频隔离变压器，从而可以简化高频隔离变压器的设计难度，也可大大减轻变压器设计的体积。

本发明给出了恒功率数字程控电源程控dc/dc变换电路的原理图。隔离的dc/dc高压直流信号经输出斩波电路后经emi滤波电路滤波形成稳定的直流输出电源电压。

本发明给出了恒功率数字程控电源程控dc/dc变换电路的控制方法，数字信号处理控制单元3接收来自上位机通信接口的程控电压、电流指令信号，与输出的指令电压、电流采集信号分别进行电压、电流闭环指令控制，形成对输出电压、电流的指令控制，从而实现电源的程控指令输出控制。

本发明给出了恒功率数字程控电源大功率输出的实现方法，如附图2所示。程控电源大功率根据功率需要由程控电源1、程控电源2、……、程控电源n等输出并联组成，程控电源的总功率等于并联电源功率的总和。综合控制单元用于接收用户的按键电压、电流设置指令，将电压电流指令通过通信指令接口分发到程控电源1、程控电源2、……、程控电源n等子单元，各子单元模块根据指令电压、电流设置输出电压、电流，接收到总的输出指令后控制各程控电源子单元输出。综合控制单元通过高速通信接口获取各个程控电源子单元的输出电流，通过数字指令补偿实现各个单元之间的自动电流均流，避免因并联导致的程控电源子单元输出电源电压不一致导致的均流问题。

本发明给出了恒功率数字程控电源综合参数的数字监控方法。综合控制单元通过高速数字通信接口采集各个功率单元的运行参数及状态信息，通过输出电压、电流传感器采集总的输出电压、电流，通过串行通信接口显示屏将数控电源各功率单元状态及运行信息及数控电源信息进行实时监控显示。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。