一种阵列式脉冲负载供电电路的制作方法

文档序号:15901947发布日期:2018-11-09 21:54
一种阵列式脉冲负载供电电路的制作方法

本发明涉及一种阵列式脉冲负载供电电路。



背景技术:

在航空航天器中,经常会搭载一些具有脉冲负载特性的设备,脉冲负载供电电源就是一种用于为具有脉冲负载特性的设备供电的装置。这类设备的瞬时峰值功率很高,但平均功率却很低,二者相差可达几倍或几十倍。如若以最高瞬时功率选取如蓄电池、发电机等供电一次电源,则会导致供电一次电源的体积及重量过大,超出航空航天器能承受的极限。因此,有必要在一次电源与脉冲负载间添加相应的特殊二次电源来降低脉冲负载设备对一次电源的冲击,使一次电源的体积及重量尽可能的小。

同时,具有脉冲负载特性的设备为了实现能量的叠加,通常需要由多台设备单元构成工作阵列,且同步工作。由于工作于阵列模式,需要供电装置能提供更高的平均功率且可承受更大的功率突变。

对于具有脉冲负载特性设备,当其工作时,通常希望脉冲负载电源能保证输出电压尽可能不随负载的轻重变化而波动。因此,输出电压低纹波是脉冲负载电源的一个重要指标。

目前的脉冲电源特性设备除了沿着阵列式方向发展,还朝低频化方向发展,脉冲频率由原来的1kHz~5kHz向100~300Hz方向发展。因此,脉冲电源能否满足脉冲频率为100~300Hz及占空比为3%~20%的需求也是脉冲电源的一个难点及重要指标。

对于为脉冲负载电源供电的蓄电池,当其输出电流中含有较大的交流纹波电流时,蓄电池会发热导致其快速老化,影响蓄电池的快速老化,严重制约蓄电池的可靠性及寿命。因此,低输入电流纹波是脉冲负载电源的另一重要指标。

为了抑制脉冲负载设备对供电电池的冲击及减小脉冲负载设备输入电压波动,通常需要在供电蓄电池与脉冲负载间添加一个缓冲装置。现在技术中通常采用以下方式实现缓冲。

(1)采用飞轮来实现能量缓冲。其具体实现方式为将负载波谷能量存储在飞轮上,然后波峰时,将飞轮上存储的能量快速释放在脉冲负载设备上。其需要蓄电池的电能过电动机转化为飞轮的机械能,再将飞轮的机械能转化为脉冲负载设置所需要的电能。

(2)直接采用大容量电容作为能量缓冲。其具体通过常规电源将蓄电池电压转换为所需要的电压轨,在常规电源输出并上大容量电容,再由大容量电容给脉冲电源负载供电。

(3)采用快速响应电源变换器来为脉冲负载供电。其具体通过加速电源响应负载电流的速率来使脉冲负载设备的输入端电压保持稳定。

方案一的主要缺点在于存在各种能量间的彼此转换及旋转体,同时输入电流纹波及输出电压纹波也有不是很好。具有体积大、噪声大的缺点。方案二的主要缺点在于电容所占体积偏见大。随着频率的降低会带来输出电压的波动偏大及输入纹波电流偏大的不足。方案三相对于方案二体积有所降低,输出电压的波动也有所降低,但是输入电流纹波比方案二更为恶劣。

在其它应用领域存在一些减小输入电流纹波的方案,例如为减小用电设备向电网注入谐波电流的有源功率滤波(APF)及电磁兼容滤波器。但其输入为交流,与本应用有较大差异,需要进行针对性研究才能与本应用背景相适应。



技术实现要素:

为解决上述技术问题,本发明提供了一种阵列式脉冲负载供电电路,尤其是适用于采用电池作为一次电源,由多组脉冲负载特性设备构成的阵列式负载,且各脉冲负载特性设备同步工作,工作频率为100~300Hz,占空比为3%~20%的应用领域。

本发明通过以下技术方案得以实现。

本发明提供的一种阵列式脉冲负载供电电路,包括输入补偿模块、蓄电池、n个隔离DC-DC模块、n个输出补偿模块、n个脉冲负载;其中,所有输入补偿模块的正极和负极均分别与蓄电池的正极和负极连接,所有隔离DC-DC模块的输入端的正极和负极均分别与蓄电池的正极和负极连接,所有隔离DC-DC模块的输出端的正极和负极均分别与对应的脉冲负载的正极及负极连接,所有输出补偿模块的正极和负极均分别与对应的隔离DC-DC模块输出的正极和负极连接。

所述输出补偿模块包括平稳充电变换器、充电双环控制电路、电容储能器、快速放电变换器、放电峰值控制电路;所述平稳充电变换器包括电感Lo1、开关管VTo1和二极管Do1,电容储能器包括电容Cbo,快速放电变换器包括电感Lo2、开关管VTo2和二极管Do2。

所述的输入补偿模块包括平稳充电变换器、充电双环控制电路、电容储能器、快速放电变换器、放电滞环控制电路;所述平稳充电变换器包括电感Li1、开关管VTi1和二极管Di1,电容储能器包括电容Cbi,快速放电变换器包括电感Li2、开关管VTi2和二极管Di2。

所述开关管VTo1的发射极连接对应隔离DC-DC模块输出端Vo的负极,DC-DC模块输出端Vo的正极与电感Lo1的一端连接,电感Lo1的另一端与开关管VTo1的集电极和二极管Do1的阳极连接,电容Cbo的一端与二极管Do1的阴极和开关管VTo2的集电极连接,电容Cbo的另一端与开关管VTo1的发射极和二极管Do2的阳极连接,开关管VTo2的发射极与二极管Do2的阴极和电感Lo2的一端连接,电感Lo2的另一端与DC-DC模块输出端Vo的正极连接,二极管Do2的阳极与DC-DC模块输出端Vo的负极连接,所述充电双环控制电路的输入端分别输入电容Cbo的电压Vcbo、流过电感Lo1的电流iico和控制电压Vcbo的参考电压Vrbo,充电双环控制电路的输出端PWMo与开关管VTo1的控制端连接,放电峰值控制电路的输入端输入流过对应脉冲负载的电流io和流过电感Lo2的电流ioco,放电峰值控制电路的输出端PWML与开关管VTo2的控制端连接。

所述开关管VTi1的发射极与对应隔离DC-DC模块输入端Vi的负极连接,隔离DC-DC模块输入端Vi的正极与电感Li1的一端连接,电感Li1的另一端与开关管VTo1的集电极和二极管Di1的阳极连接,电容Cbi的一端与二极管Di1的阴极和开关管VTi2的集电极连接,电容Cbi的另一端与开关管VTi1的发射极和二极管Di2的阳极连接,开关管VTi2的发射极与二极管Di2的阴极和电感Li2的一端连接,电感Li2的另一端与隔离DC-DC模块输入端Vi的正极连接,二极管Di2的阳极与隔离DC-DC模块输入端Vi的负极连接,所述充电双环控制电路的输入端输入电容Cbi的电压Vcbi、流过电感Li1的电流iici和控制电压Vcbi的参考电压Vrbi,充电双环控制电路的输出端PWMi与开关管VTo1的控制端连接,所述放电滞环控制电路的输入端输入n个隔离DC-DC模块输入电流的累加电流ii和流过电感Li2的电流ioci,放电滞环控制电路的输出端Drivei与开关管VTi2的控制端连接。

所述的隔离DC-DC模块包括全桥变换器和全桥双环控制电路,所述全桥变换器包括电容Ci,电容Ci与蓄电池V的两极并联连接,蓄电池V的正极与开关管VT1和VT3的集电极连接,蓄电池V的负极与开关管VT2和VT4的发射极连接,开关管VT1的发射集和开关管VT2的集电极与变压器T的N1绕组同名端连接,变压器T的N1绕组异名端与开关管VT3的发射集和开关管VT4的集电极连接,变压器T的N21绕组同名端与二极管D1的阳极连接,变压器T的N21绕组异名端与变压器T的N22绕组同名端与隔离DC-DC模块的输出端Vo的负极连接,变压器T的N22绕组异名端与二极管D2的阳极连接,电感L的一端与二极管D1的阴极和二极管D2的阴极连接,电感L的另一端与输出Vo的正极连接,电容C与隔离DC-DC模块的输出端Vo的两极并联连接,所述全桥双环控制电路的输入端输入隔离DC-DC模块输出端电压Vo、流过电感L的电流IL和用于控制隔离DC-DC模块输出端Vo的参考电压Vref,全桥双环控制电路的输出端PWM1~PWM4分别与开关管VT1~VT4的控制端连接。

本发明的有益效果在于:

1)输出补偿模块抑制了脉冲负载电流突变造成的供电蓄电池电压纹波,可提高脉冲负载设备的供电质量;

2)输出补偿模块、隔离DC-DC模块和输入补偿模块共同作用,抑制了脉冲负载电流突变反射到供电蓄电池源端的电流纹波,可提高供电蓄电池的可靠性及使用寿命;

3)所述的阵列式脉冲负载供电装置,所有功率管均工作于开关状态,效率高;

4)所采用的储能电容,不直接与输入端及输出端接触,其上面容许有较大的电压变动,相同输出纹波电压和输入纹波电流的条件下,储能电容的容量及体积小于输入端及输出端直接并联电容的方式;

5)输出补偿模块和输入补偿模块的充电装置和放电装置,采用两套独立的装置实现,其响应速度优于采用同一装置实现充放电控制的装置;

6)输出补偿模块、隔离DC-DC模块和输入补偿模块采用了峰值电流控制及滞环控制,属于非线性控制,其响应速度优于单纯的线性控制;

7)输入补偿模块的的快速放电变换器采用滞环控制策略来实现放电控制,不存在峰值电流控制中,由于斜率补偿带来的误差,可以实现完全补偿输入电流对供蓄电池的冲击;

8)除采用蓄电池作为一次蓄电池的系统,本发明对于采用发电机作为一次蓄电池系统也有一定的适用性。

附图说明

图1:阵列式脉冲负载供电蓄电池装置结构图;

图2:输出补偿模块的结构图;

图3:中隔离DC-DC模块的结构图;

图4:中输入补偿模块的结构图;

图5:放电峰值控制电路图;

图6:充电双环控制电路图;

图7:全桥双环控制电路图;

图8:放电滞环控制电路图;

图9:充电双环控制电路图;

图10:实施例全桥双环控制参数图;

图11:实施例充电双环控制参数图;

图12:实施例轻、重载切换输出电压波形图;

图13:实施例空、满载切换输出电压波形图;

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案,但要求保护的范围并不局限于所述。

如图1所示的一种阵列式脉冲负载供电电路,可适用于频率为100~300Hz及占空比为3%~20%的脉冲负载特性设备及由其构成的阵列式系统;包括输入补偿模块、蓄电池、n个隔离DC-DC模块、n个输出补偿模块、n个脉冲负载;其中,所有输入补偿模块的正极和负极均分别与蓄电池的正极和负极连接,所有隔离DC-DC模块的输入端的正极和负极均分别与蓄电池的正极和负极连接,所有隔离DC-DC模块的输出端的正极和负极均分别与对应的脉冲负载的正极及负极连接,所有输出补偿模块的正极和负极均分别与对应的隔离DC-DC模块输出的正极和负极连接。

如图2所示所述输出补偿模块包括平稳充电变换器、充电双环控制电路、电容储能器、快速放电变换器、放电峰值控制电路;所述平稳充电变换器包括电感Lo1、开关管VTo1和二极管Do1,电容储能器包括电容Cbo,快速放电变换器包括电感Lo2、开关管VTo2和二极管Do2。

如图4所述的输入补偿模块包括平稳充电变换器、充电双环控制电路、电容储能器、快速放电变换器、放电滞环控制电路;所述平稳充电变换器包括电感Li1、开关管VTi1和二极管Di1,电容储能器包括电容Cbi,快速放电变换器包括电感Li2、开关管VTi2和二极管Di2。

如图2所述开关管VTo1的发射极连接对应隔离DC-DC模块输出端Vo的负极,DC-DC模块输出端Vo的正极与电感Lo1的一端连接,电感Lo1的另一端与开关管VTo1的集电极和二极管Do1的阳极连接,电容Cbo的一端与二极管Do1的阴极和开关管VTo2的集电极连接,电容Cbo的另一端与开关管VTo1的发射极和二极管Do2的阳极连接,开关管VTo2的发射极与二极管Do2的阴极和电感Lo2的一端连接,电感Lo2的另一端与DC-DC模块输出端Vo的正极连接,二极管Do2的阳极与DC-DC模块输出端Vo的负极连接,所述充电双环控制电路的输入端分别输入电容Cbo的电压Vcbo、流过电感Lo1的电流iico和控制电压Vcbo的参考电压Vrbo,充电双环控制电路的输出端PWMo与开关管VTo1的控制端连接,放电峰值控制电路的输入端输入流过对应脉冲负载的电流io和流过电感Lo2的电流ioco,放电峰值控制电路的输出端PWML与开关管VTo2的控制端连接。

如图4所述开关管VTi1的发射极与对应隔离DC-DC模块输入端Vi的负极连接,隔离DC-DC模块输入端Vi的正极与电感Li1的一端连接,电感Li1的另一端与开关管VTo1的集电极和二极管Di1的阳极连接,电容Cbi的一端与二极管Di1的阴极和开关管VTi2的集电极连接,电容Cbi的另一端与开关管VTi1的发射极和二极管Di2的阳极连接,开关管VTi2的发射极与二极管Di2的阴极和电感Li2的一端连接,电感Li2的另一端与隔离DC-DC模块输入端Vi的正极连接,二极管Di2的阳极与隔离DC-DC模块输入端Vi的负极连接,所述充电双环控制电路的输入端输入电容Cbi的电压Vcbi、流过电感Li1的电流iici和控制电压Vcbi的参考电压Vrbi,充电双环控制电路的输出端PWMi与开关管VTo1的控制端连接,所述放电滞环控制电路的输入端输入n个隔离DC-DC模块输入电流的累加电流ii和流过电感Li2的电流ioci,放电滞环控制电路的输出端Drivei与开关管VTi2的控制端连接。

如图3所述的隔离DC-DC模块包括全桥变换器和全桥双环控制电路,所述全桥变换器包括电容Ci,电容Ci与蓄电池V的两极并联连接,蓄电池V的正极与开关管VT1和VT3的集电极连接,蓄电池V的负极与开关管VT2和VT4的发射极连接,开关管VT1的发射集和开关管VT2的集电极与变压器T的N1绕组同名端连接,变压器T的N1绕组异名端与开关管VT3的发射集和开关管VT4的集电极连接,变压器T的N21绕组同名端与二极管D1的阳极连接,变压器T的N21绕组异名端与变压器T的N22绕组同名端与隔离DC-DC模块的输出端Vo的负极连接,变压器T的N22绕组异名端与二极管D2的阳极连接,电感L的一端与二极管D1的阴极和二极管D2的阴极连接,电感L的另一端与输出Vo的正极连接,电容C与隔离DC-DC模块的输出端Vo的两极并联连接,所述全桥双环控制电路的输入端输入隔离DC-DC模块输出端电压Vo、流过电感L的电流IL和用于控制隔离DC-DC模块输出端Vo的参考电压Vref,全桥双环控制电路的输出端PWM1~PWM4分别与开关管VT1~VT4的控制端连接。

本发明电路的控制方法包括以下步骤:

(1)输出补偿模块分别检测并控制脉冲负载的输入电流,减小脉冲负载对隔离DC-DC模块输出电压的影响;

(2)各隔离DC-DC模块分别控制器其输出电流保持平稳;

(3)输入补偿模块检测所有隔离DC-DC模块输入电流的总和ii,控制蓄电池对输入补偿模块的电流进行补偿。

所述步骤(1)中输出补偿模块补偿控制包括以下步骤:

a、在脉冲负载的电流值为峰值时,输出补偿模块分别向对应的脉冲负载提供补偿电流;

b、在脉冲负载的电流值为0时,隔离DC-DC模块分别向对应的补偿模块提供电流。

所述步骤(3)中输入补偿模块补偿控制包括以下步骤:

a、在任一DC-DC模块的输入电流值高于所有DC-DC模块的输入电流总值的平均值时,输入补偿模块向该DC-DC模块提供补偿电流;

b、在任一DC-DC模块的输入电流值低于所有DC-DC模块的输入电流总值的平均值时,蓄电池向该DC-DC模块对应的输入补偿模块提供充电电流。

所述步骤a中补偿电流的大小小于各脉冲负载峰值电流值与各脉冲负载电流平均值的差。

所述步骤a中补偿电流值为该DC-DC模块的输入电流值与所有DC-DC模块的输入电流值的平均值的差。

图1所示为阵列式脉冲负载供电蓄电池装置,包括输入补偿模块,隔离DC-DC模块1、2~n和输出补偿模块1、2~n,是由输入补偿模块的正极和负极分别与蓄电池的正极和负极连接,隔离DC-DC模块1、2~n输入的正极和负极分别与蓄电池的正极和负极连接,隔离DC-DC模块1、2~n输出的正极和负极分别与脉冲负载1、2~n的正极及负极连接,输出补偿模块1、2~n的正极和负极分别与隔离DC-DC模块1、2~n输出的正极和负极连接构成。

输出补偿模块用于抑制脉冲负载电流突变造成的供电蓄电池电压纹波,提高脉冲负载设备的供电质量;输出补偿模块、隔离DC-DC模块和输入补偿模块共同作用,用于抑制脉冲负载电流突变反射到供电蓄电池源端的电流纹波,提高供电蓄电池的可靠性及使用寿命。

图2~图4所述的阵列式脉冲负载供电装置,所有功率管均工作于开关状态,效率高;图2和图4所采用的储能电容,不直接与输出端或输入端接触,其上面容许有较大的电压变动,相同输出纹波电压和输入纹波电流的条件下,储能电容的容量及体积小于输入端及输出端直接并联电容的方式;输出补偿模块和输入补偿模块的充电装置和放电装置,采用两套独立的装置实现,其响应速度优于采用同一装置实现充放电控制的装置。

详细的控制顺序和步骤为:

A.输出补偿模块1、2~n分别检测脉冲负载1、2~n的输入电流io1、io2~ion进行控制,在脉冲负载1、2~n的io1、io2~ion为峰值时,输出补偿模块1、2~n分别向脉冲负载1、2~n提供补偿电流,补偿电流值分别略小于io1、io2~ion峰值与平均值的差,在脉冲负载1、2~n的io1、io2~ion为0时,隔离DC-DC模块1、2~n分别向输出补偿模块1、2~n提供充电电流,以补偿输出补偿模块1、2~n分别在io1、io2~ion为峰值时的能量损耗,进而分别减小脉冲负载1、2~n对隔离DC-DC模块1、2~n输出电压Vo1、Vo2~Von的影响;

B.隔离DC-DC模块1、2~n分别检测输出电压Vo1、Vo2~Von,分别对隔离DC-DC模块1、2~n的输出电流进行控制,分别使隔离DC-DC模块1、2~n的输出电流尽可能保持平稳,进而分别减小隔离DC-DC模块1、2~n输入电流ii1、ii2~iin的波动;

C.输入补偿模块通过检测检测隔离DC-DC模块1、2~n输入电流ii1、ii2~iin的总和ii来进行控制,在ii1、ii2~iin高于ii的平均值时,输入补偿模块向隔离DC-DC模块1、2~n提供补偿电流,电流值为ii1、ii2~iin与ii的平均值的差,在ii1、ii2~iin低于ii的平均值时,蓄电池向输入补偿模块提供充电电流,以补偿输入补偿模块在ii1、ii2~iin为高于ii的平均值时的能量损耗,进而使蓄电池的输出电流is尽可能保持平稳。

步骤A所述的输出补偿模块控制包括以下步骤:

a.放电峰值控制电路的控制原理如图5所示,其采用峰值电流控制,每个PWML周期开始时,将PWML置高,当ioco经过斜率补偿后的值高于io时,将PWML置低;

b.充电双环控制电路的控制原理如图6所示,采用电压外环、峰值电流内环结构,电压外环根据Vrbo和Vcbo产生峰值电流内环的参数信号Iro,峰值电流内环根据Iro和iico产生PWMo,Vrbo经低通滤波器处理后与Vcbo求差形成误差信号,误差信号经PI调节器形成峰值电流内环的参考信号Iro,每个PWMo周期开始时,将PWMo置高,当iico经过斜率补偿后的值高于Iro时,将PWMo置低。

步骤B所述的全桥双环控制包括以下步骤:

全桥双环控制电路的控制原理如图7所示,其采用电压外环、峰值电流内环结构,电压外环根据Vref和Vo产生峰值电流内环的参数信号Iref,峰值电流内环根据Iref和IL产生PWM1~PWM4,Vref经低通滤波器处理后与Vo求差形成误差信号,误差信号经PI调节器形成峰值电流内环的参考信号Iref,在前1/2个全桥变换器的开关周期开始时,将PWM1和PWM4置高,当IL经过斜率补偿后的值高于Iref时,将PWM1和PWM4置低,在后1/2个全桥变换器的开关周期开始时,将PWM2和PWM3置高,当IL经过斜率补偿后的值高于Iref时,将PWM2和PWM3置低。

步骤C所述的输入补偿模块控制包括以下步骤:

a.放电滞环控制电路的控制原理如图8所示,其采用滞环电流控制,ii经高通滤波器获得交流分量iiac,iiac经取反、峰值取样后获得交流分量的负峰值iia,iia与iiac、直流偏置Ib求和后获得迟滞比较器的同相输入Ip,ioci作为迟滞比较器的反相输入IN,迟滞比较器的输出为Drivei,迟滞比较器的滞环宽度为IT,当Drivei为高时,ioci增加到Ip+IT时,Drivei变低,当Drivei为低时,ioci减小到Ip-IT时,Drivei变高;

b.充电双环控制电路的控制原理如图9所示,其采用采用电压外环、峰值电流内环结构,电压外环根据Vrbi和Vcbi产生峰值电流内环的参数信号Iri,峰值电流内环根据Iri和iici产生PWMi,Vrbi经低通滤波器处理后与Vcbi求差形成误差信号,误差信号经PI调节器形成峰值电流内环的参考信号Iri,每个PWMi周期开始时,将PWMi置高,当iici经过斜率补偿后的值高于Iri时,将PWMi置低。

输出补偿模块、隔离DC-DC模块和输入补偿模块采用了峰值电流控制及滞环控制,属于非线性控制,其响应速度优于单纯的线性控制;输入补偿模块的快速放电变换器采用滞环控制策略来实现放电控制,不存在峰值电流控制中,由于斜率补偿带来的误差,理论上可以实现完全补偿输入电流对供蓄电池的冲击。

实施例:利用软件Matlab/Simulink按本专利所述原理构建了由一个隔离DC-DC模块和一个脉冲负载组成脉冲蓄电池装置。输入Vi=100V,输出Vo=50V,隔离DC-DC模块中,频率为20kHz,电感L=400μH,电容C=3000μF;输出补偿模块中,平稳充电变换器和快速放电变换器的频率为40kHz,电感Lo1=200μH,电容Cbo=2000μF,Vcbo=75V,电感Lo2=10μH;隔离DC-DC模块采用图10所示的全桥双环控制参数,输出补偿模块采用图11所示的充电双环控制参数。

在脉冲负载的峰值电流时间/周期/峰值电=1ms/10ms/50A下,全桥变换器输出电感电流平均值为5.5A,纹波电流峰峰值为0.1A,波动百分比为±0.9%,负载端输出电压范围为49.85~50.25V。

在脉冲负载由峰值电流时间/周期/峰值电流=0.5ms/10ms/50A轻载向0.5ms/5ms/50A的重载变换时,输出Vo的波形如图12所示。在脉冲负载由空载向1ms/10ms/50A的重载变换时,输出Vo的波形如图13所示。

实施例仿真表明,所述脉冲负载供电蓄电池装置及控制方法可以实现较好的性能,可适用于频率为100~300Hz及占空比为3%~20%的脉冲负载特性设备及由其构成的阵列式系统。

对于采用发电机替代蓄电池作为一次蓄电池的脉冲蓄电池系统,由于其脉冲负载特性大致相同,只是供电形式不同,故本发明对于采用发电机作为一次蓄电池系统也有一定的适用性。

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