一种对高压电容器充电限功率及充电保持控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种对高压电容器充电限功率及充电保持控制方法，所述方法包括：(1)在电容器电压未达到设置电压Vset时，采用PFM控制方式，并逐级改变充电电流的大小，在满足大功率快速充电速率要求的前提下，减小对前级供电系统的功率需求；(2)在电容器电压达到设置电压Vset时，切换到PWM控制方式，提供小功率充电保持，补偿电容器电压的泄漏。本发明方法在快速充电阶段，通过分阶段恒流充电满足了前级供电系统功率限制的要求；在充电保持阶段，通过PWM硬开关方式，提供了窄脉冲充电电流，实现了高精度充电保持。
【专利说明】一种对高压电容器充电限功率及充电保持控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力电子【技术领域】，更具体地，涉及一种对高压电容器充电的限功率 及充电保持控制方法。
【背景技术】
[0002] 脉冲功率技术具有广泛的应用范围，已由最初的科研和军事领域扩展到教育、医 疗、工业、民用等多个领域，而且随着各领域研究的深入，对脉冲功率设备的需求更大。脉冲 功率领域最为常用的初级储能环节就是高压电容器储能，因此高压电容器充电电源是脉冲 功率设备中的极其重要的组成部分。
[0003] 有三种高压电容器充电技术目前比较成熟，即带限流电阻器的高压直流源充电， 工频L-C谐振充电，高频变换器充电。前面两种充电技术由于效率低下、功率密度不高、充 电精度差、无法工作在更新模式等诸多缺点而逐渐被采用高频变换器充电的技术所取代。
[0004] 在高频变换器充电中，串联谐振变换器充电由于其拓扑结构相对简单，具有恒流、 恒特征阻抗、恒谐振频率（即使负载电容在比较大的范围内变化）等优点而成为充电领域 中最为常用的充电技术。当选择串联谐振变换器的工作模式为断续模式，即开关频率小于 0. 5倍的谐振频率时，变换器具有恒流源的输出特性。输出电流与开关频率成正比，开关管 能够实现零电流关断，而且断续下变换器的相关参数也是非常容易设计的。虽然基本的串 联谐振充电具有诸多的优点，但该充电方式仍然存在许多缺陷：
[0005] (1)对传统的恒流充电方式而言，其输入功率随着充电电压的升高而增加，不能适 应前级供电系统限制输出功率的要求。
[0006] (2)对整个脉冲功率系统而言，充电完成到触发放电之间往往存在着一个时间间 隔，由于储能电容器自身特性的影响，其存在着电压泄漏，在充电电压达到设定值之后，传 统的恒流充电无法进行小功率的充电以补充电容器的漏电，因而无法保证在触发放电瞬间 电容器的电压等于设置电压。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题是现有串联谐振电容器充电技术中存在的缺陷，包括 控制恒流充电时无法满足前级供电系统的功率限制要求、无法进行小功率充电保持以补充 电容器的漏电。为解决上述问题，本发明提供了一种同时具有满足前级限功率要求的大功 率快速充电和微小功率充电保持功能的电容器充电方法。
[0008] 按照本发明，为了满足前级限功率要求和实现微小功率充电保持，采用了脉冲频 率调制（Pulse frequency modulation, PFM)软开关方式与脉冲宽度调制（Pulse width modulation，PWM)硬开关方式相结合的充电控制方案。具体的控制方法为：
[0009] (1)在电容器电压未达到设置电压Vset时，采用PFM制方式，并逐级改变充电电流 的大小，在满足大功率快速充电速率要求的前提下，减小对前级供电系统的功率需求；
[0010] ⑵在电容器电压达到设置电压Vsrt时，切换到PWM控制方式，提供小功率充电保 持，补偿电容器电压的泄漏。
[0011] 本发明的一个实施例中，在上述步骤（1)中，由于充电电源的输出电流只与开关 频率有关，而与充电电压无关，所以充电电源具有恒流输出特性，其输出功率和输入功率都 随着充电电压的升高而增加。为限制输入功率，可将充电过程划分为多个阶段，采用分段恒 流的方式，逐级减小充电电流，其中阶段的数量及各阶段的设定电流可根据充电时间的要 求选取，且保证每个阶段末期的功率不超过最大限定功率。
[0012] 具体地，所述充电时间满足
【权利要求】
1. 一种对高压电容器充电限功率及充电保持控制方法，其特征在于，所述方法包括： (1) 在电容器电压未达到设置电压vsrt时，采用PFM控制方式，并逐级改变充电电流的 大小，在满足大功率快速充电速率要求的前提下，减小对前级供电系统的功率需求； (2) 在电容器电压达到设置电压Vsrt时，切换到PWM控制方式，提供小功率充电保持，补 偿电容器电压的泄漏。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1)具体包括： 在电容器电压未达到设置电压时，将充电过程划分为多个阶段，采用分段恒流的方 式，逐级减小充电电流，其中阶段的数量及各阶段的设定电流可根据充电时间的要求选取， 且保证每个阶段末期的功率不超过最大限定功率。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述充电时间需满足
，其中，Td为要求达到的充电时间，η为阶段数，C。为负载电容的电 容量，Α为第i个充电阶段的最高电压，％ = 0, Un = Vsrt，U为第i个充电阶段的设定充 电电流；各阶段末期的输入功率均满足
，其中Pmax是应限制的 最大输入功率，Pi为第i个充电阶段末期的输入功率，L为第i个充电阶段末期的充电效 率。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1)具体包括： (11) 在充电的第一阶段，即充电电压从0V上升到0. 75Vset期间，通过调节开关频率，控 制充电电流恒定为Ira ; (12) 在充电的第二阶段，即充电电压从0. 75Vset上升到0. 85Vset期间，通过调节开关频 率，控制充电电流恒定为U ; (13) 在充电的第三阶段，即充电电压从0. 85Vset上升到0. 9Vset期间，通过调节开关频 率，控制充电电流恒定为Ιω; (14) 在充电的第四阶段，即充电电压从0.9Vset上升到Vsrt期间，通过调节开关频率，控 制充电电流恒定为I M ; 上述充电电流的大小关系为：IQ1>IQ2>IQ3>I Q4。
5. 如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤（2)具体包括：在电容 器电压达到设置电压时，切换到PWM控制方式，此时以电容器电压为控制对象，通过调整开 关管驱动信号的脉宽使得串联谐振电路工作在单脉波输出模式，输出窄脉冲充电电流，从 而补偿电容器的电压泄漏，实现高精度充电保持。
【文档编号】H02M7/12GK104158411SQ201410388833
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月8日 优先权日:2014年8月8日
【发明者】林磊, 钟和清, 邓禹, 王俊 申请人:华中科技大学