一种低频任意态脉冲负载电源功率匹配方法

1.本发明属于低频多态脉冲负载功率匹配技术领域，尤其涉及一种低频任意态脉冲负载电源功率匹配方法。


背景技术：

2.在针对低频多态脉冲负载的传统解决方案中，母线上会并联一个容值较大的电容c，导致电源体积增大。虽然负载反向功率由负电流吸收模块吸收，但是其原理是通过电阻将负载的反向功率转化为热能耗散于空气中，且负电流吸收模块为了能完全吸收负载的反向电流，并考虑到输入源电压抬升等因素，往往负电流吸收模块电流i
ob
的幅值会大于反向的负载电流i
p
，即此时输入源也会输出部分电流。如图1所示的电路是针对低频多态脉冲负载的传统解决方案，其中低频负载频率范围是1-10hz；脉冲负载会在正脉冲功率、负脉冲功率以及常值功率这3个工作状态内任意切换，且在不同工作状态下的脉冲负载的占空比和周期是随机的；输入源可以是电池和前级变换器等恒压源。
3.在图1所示的电路中，当开关k1闭合，开关k2打开，表示负载为正脉冲功率，其全部功率由输入源提供；开关k2闭合，开关k1打开表示负载为负脉冲功率，开关k2打开，开关k1打开表示空载状态。
4.当负载为正冲功率时，会产生5-10倍的于常值电流的正向峰值电流，影响输入源的稳定性；因为前级恒压变换器的瞬态响应速度较慢或者电池脉冲放电，将会导致输入源的电压跌落过大；当负载为负脉冲功率时，其会产生3-7倍于常值电流的反向峰值电流，同正脉冲功率的工况相似，反向瞬时大电流流入输入源会迫使输入电压抬升；当电压抬升或者跌落过大时，会触发恒压源保护机制；当输入源为电池时，反向或者正向瞬时大电流输入、输出会降低电池的寿命；
5.为了平抑低频多态脉冲负载对前级输入源的影响，避免输入源电压抬升或者压降过大导致母线电压超出负载的电压范围；一般会在母线上并联一个容值较大的电容c，同时利用开关k3串联电阻r2的形式组成负电流吸收模块，吸收负载侧的反向功率。图2所示为在理想状态下，不同工况的输入源输出电流ib、负载电流i
p
和负电流吸收模块电流i
ob
的波形；一般在设计负电流吸收模块中，为了能完全吸收负载的反向电流，同时考虑输入源电压的抬升等因素，往往负电流吸收模块电流i
ob
的幅值会大于反向的负载电流i
p
，即此时输入源也会输出部分电流。
6.综上可以明显地发现，在传统解决方案中，母线上并联容值较大的电容c会影响电源体积，负载的反向功率也不能被有效利用，仅通过电阻将反向功率转化为热能耗散于空气中；其次，输入源在负载功率反向时，也会输出功率，导致输入源能耗增加；再者，利用电阻将负载的反向功率转化为热能耗散于空气中，需要并联大功率电阻，加装体积和重量较大的散热片，从而降低整个装置的功率密度。


技术实现要素：

7.针对上述问题，本发明提供一种低频任意态脉冲负载电源功率匹配方法。
8.本发明的一种低频任意态脉冲负载电源功率匹配方法，为抑制正向脉冲功率p
pr
与反向脉冲功率p
pc
对输入源的扰动，将双向buck/boost变换器并联于输入源两端；双向buck/boost变换器中，解耦电容cs一端接开关s1源极，同时接电源输入源负极；解耦电容cs另一端接开关s2漏极，开关s2源极接开关s1漏极，同时通过电感后接电源输入源正极；电源输入源正极串联数字控制器控制开关k
s1
和电阻rs，数字控制器控制开关k
s1
源再与开关k
s1
和电阻rs并联。
9.对开关s1和开关s2的栅极进行相应的控制，完成对解耦电容cs的充放电，利用解耦电容电压v
cs
的宽电压变化实现提供部分脉冲功率p
pr2
与吸收反向脉冲功率p
pc
；控制过程由缓启动、故障诊断与状态监测构成，具体为：
10.当系统开始工作时，数字控制器控制开关k
s1
、开关s2导通，输入源电流给解耦电容cs进行充电，通过采样电容电压v
cs
对电容状态进行监测；当电容电压v
cs
》0.9vb时，控制开关k
s1
关断、s2导通，并进入模式2，直到电容电压达到预设电压v
csm3
后缓启动结束；系统采样输入源电压vb，输入源电流ib，电感电流i
l
，负载电流i
p
完成故障诊断；当各电流采样值超出预设保护值时，数字控制器中故障捕获模块动作，控制开关k
s1
、s1、s2关断；然后，根据i
p
值的大小，系统实现对负载状态监测，并控制双向buck/boost变换器进入模式0或者模式1。
11.在模式0中，解耦电容cs释放能量通过双向buck/boost变换器提供电流i
lm
与输入源电流ib共同提供负载所需功率，电容电压v
cs
下降；模式1中，将输入源端电流基准设定为0，解耦电容cs通过双向buck/boost变换器吸收反向电流；模式2中，采用控制双向buck/boost变换器中电感电流i
l
的大小对电容进行充电，电流基准设定为电压环输出v
gv
与预设电感电流值i
lc
之和。
12.进一步的，模式0中，输入源的参考基准根据输入源的实际性能设定为0～i
pr
。
13.本发明的有益技术效果为：
14.本发明利用双向buck/boost变换器吸收负载反向功率，并将能量储存在解耦电容中，在负载正脉冲功率来临时将储存在电容中的负载反向功率输出，极大地提高了输入源的能量利用率；同时避免了传统解决方案中，输入源在负载反向输出功率时也会输出功率的现象，减少输入源能耗；此外，取代了负电流吸收模块，即不采用电阻耗散反向功率的方式，散热片和功率电阻的数量将会大大减小，整个装置的功率密度也会随之提高。
附图说明
15.图1为针对低频多态脉冲负载的传统解决方案。
16.图2为传统解决方案中不同负载状态下输入源电流ib、负载电流i
p
和负电流吸收模块电流i
ob
的波形。
17.图3为本发明双向buck/boost变换器接入方案。
18.图4为本发明不同负载工况的主要工作波形。
19.图5为本发明双向buck/boost变换器用于正负脉冲负载时主要工作波形。
20.图6为本发明双向变换器的控制原理图。
21.图7为本发明系统控制流程图。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。
23.双向dc/dc变换器具备双向能量传递的特性，常作为输入与输出端功率不平衡系统的功率解耦装置，被应用于脉冲功率系统中抑制脉冲功率对前级供电系统的冲击。为了抑制正向脉冲功率p
pr
与反向脉冲功率p
pc
对输入源的扰动，提出将双向buck/boost变换器并联于输入源两端，如图3所示。根据负载工况，对开关s1，s2进行相应的控制，完成对解耦电容cs的充放电，利用解耦电容电压v
cs
的宽电压变化实现提供部分脉冲功率p
pr2
与吸收反向功率p
pc
；达到减小母线电容容值和体积，取代并联电阻吸收反向功率的形式，提高了能量利用率和整个装置的功率密度。
24.图4为不同负载工况的主要工作波形，此处取常值功率为0；其中i
p
为负载瞬时电流，p
pr
，p
pc
分别为脉冲功率、反向脉冲功率。在负载正常工作的情况下，脉冲功率p
pr
小于反向功率p
pc
，同时两种功率将对输入源两端电压vb造成扰动，形成压降δvb。
25.图5给出了双向buck/boost变换器用于正负脉冲负载时主要工作波形，i
l
为双向buck/boost变换器中电感电流，其中i
lm
为双向buck/boost变换器提供的最大电流，i
ln
为双向buck/boost变换器吸收的反向电流，为了防止反向电流进入输入源，影响设备工作，令i
ln
＝i
pc
，i
lc
为双向buck/boost变换器给电容充电时的输入电流；ib为输入源电流，v
cs
为解耦电容电压。当负载工作于脉冲功率状态时，即图5中的t1期间，双向buck/boost变换器的电容cs中的能量提供部分脉冲电流i
lm
，电容电压v
cs
下降；当负载工作于反向功率状态时，即图5中的t2期间，双向buck/boost变换器利用反向电流i
pc
对电容cs进行充电，电容电压v
cs
上升；当负载停止工作时，即图5中t
31
与t
32
的期间，其中在t
31
期间，输入源通过双向buck/boost变换器给电容充电至预设电压后，在t
32
期间，双向buck/boost变换器停止工作。在负载工作周期内，输入源两端电压vb波动得到抑制，电压稳定。因此，双向buck/boost变换器能够通过电容的充放电实现负载侧与输入源侧功率的解耦，输入源只需提供平均功率。
26.本发明系统的控制原理图如图6所示，针对负载三种不同特性，提出对针对电容电压的控制采用不同的方法，旨在减轻电压控制环路输出量v
gv
对电流控制环路的影响。在t1与t2期间内，去掉电容电压控制，双向buck/boost变换器仅通过电流环实现提供脉冲电流冗余与吸收反向电流；在t
31
期间内，增加电容电压控制以保证负载周期开始时电容具有足够的能量能够提供脉冲电流触发时所需的功率差值。
27.当负载需要脉冲电流时，根据负载状态监测反馈的信息，切换至模式0，电容释放能量通过双向buck/boost变换器提供电流i
lm
与输入源共同提供负载所需功率，电容电压v
cs
下降；当负载反向电流时，根据负载状态监测反馈的信息，切换至模式1，为了防止反向电流进入输入源，采用将输入源端电流基准设定为0，电容尽可能通过双向buck/boost变换器吸收反向电流；当负载电流为常值零时，切换至模式2，采用控制双向buck/boost变换器中电感电流的大小对电容进行充电，电流基准设定为电压环输出v
gv
与预设电感电流值之和。
28.如图7所示为系统控制流程图，分别以缓启动、故障诊断与状态监测构成。当系统开始工作时，数字控制器控制开关k
s1
、开关s2导通，输入源电流给电容进行充电，通过采样电容电压v
cs
对电容状态进行监测。当电容电压v
cs
》0.9vb时，控制开关k
s1
关断、s2导通，并进入模式2，直到电容电压达到预设电压v
csm3
后缓启动结束。
29.系统采样输入源电压vb，输入源电流ib，电感电流i
l
，负载电流i
p
完成故障诊断。当
各电流采样值超出预设保护值时，数字控制器中故障捕获模块动作，控制开关k
s1
、s1、s2关断。然后，根据i
p
值的大小，系统实现对负载状态监测，并控制双向buck/boost变换器进入相应的工作模式。其中，模式0中，输入源的参考基准可根据输入源的实际性能设定为0～i
pr
，从而决定输入源为负载提供的电流。