一种电容充电电路及电容充电方法与流程

1.本公开涉及高压电容充电技术领域，尤其涉及一种充电电路及电容充电方法。


背景技术：

2.在实际应用中，为了使脉冲激光器产生能量可控的脉冲激光，需要精确控制每个脉冲放电的能量大小。最常用的方法是使用一个高压电容作为载体，通过精确控制电容上的电压，来控制每个激光脉冲的能量。如何精确控制高压电容上的电压大小成为了高压电容充电技术领域的研究热点。


技术实现要素：

3.鉴于上述问题，本发明提供了一种充电电路及电容充电方法，以解决精确控制高压电容的电压大小的问题。
4.本公开的一个方面提供了一种充电电路，用于对一电容进行充电，包括第一充电模块及第二充电模块，其中：在预设时间段内，所述第一充电模块用于对所述第二充电模块充能，同时，所述第一充电模块及第二充电模块分别对所述电容进行充电，以使所述电容达到第一电压；在所述预设时间段后，所述第一充电模块断开，以使所述第二充电模块放能，以将所述电容从所述第一电压充电至预定电压。
5.可选地，所述第二充电模块包括一用于充能和放能的电感。
6.可选地，所述第二充电模块还包括与所述电感串联的续流二极管。
7.可选地，所述电容充电至所述预定电压时，所述第二充电模块放能完毕。
8.可选地，还包括一控制模块，用于控制所述第一充电模块在所述预设时间段后断开。
9.本公开另一方面提供了一种电容充电方法，包括：在预设时间段中，利用电源分别对lc电路中的电容和电感充能，同时，所述电感对电容进行充能，以使所述电容达到第一电压；在所述预设时间段后，断开所述电源，通过所述电感放能，以将所述电容从所述第一电压充电至一预定电压。
10.可选地，所述电感放能时，所述lc电路与一续流二极管构成串联回路。
11.可选地，所述电容充电至所述预定电压时，所述电感放能完毕。
12.可选地，还包括：根据所述预定电压设置所述预设时间段。
13.可选地，所述根据所述预定电压设置所述预设时间段，具体包括：设置预定电压；基于所述预定电压和计算电压的映射关系，拟合出所述计算电压；根据所述计算电压与所述预设时间段的对应关系，得到所述预设时间段。
14.在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
15.本公开实施例提供的一种充电电路及电容充电方法，可以实现对高压电容的快速充放电，且能实现高压电容的电压的可控，该过程能耗小，发热量低，还能将电容电压充电至比电源电压高的一个电压值。
附图说明
16.为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
17.图1示意性示出了一种lc电路的示意图；
18.图2示意性示出了本公开实施例提供的一种lc电路中的电容电压示意图；
19.图3示意性示出了本公开实施例提供的一种充电电路的示意图；
20.图4示意性示出了本公开实施例提供的电容的预定电压和计算电压的拟合关系示意图；
21.图5示意性示出了本公开实施例提供的一种电容充电方法的流程图。
具体实施方式
22.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
23.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
24.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
25.附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解，方框图和/或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。
26.因此，本公开的技术可以硬件和/或软件(包括固件、微代码等)的形式来实现。另外，本公开的技术可以采取存储有指令的计算机可读介质上的计算机程序产品的形式，该计算机程序产品可供指令执行系统使用或者结合指令执行系统使用。在本公开的上下文中，计算机可读介质可以是能够包含、存储、传送、传播或传输指令的任意介质。例如，计算机可读介质可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置、器件或传播介质。计算机可读介质的具体示例包括：磁存储装置，如磁带或硬盘(hdd)；光存储装置，如光盘(cd-rom)；存储器，如随机存取存储器(ram)或闪存；和/或有线/无线通信链路。
27.目前，为了实现充电能量可控，通常将电容作为充电载体，其控制原理为：
[0028][0029]
其中，w表示电容存储的能量，c为电容容量，u为电容上的电压。根据公式看来，只要能精确控制电容上的电压值，也就控制了电容内的能量。
[0030]
如图3所示，本公开实施例提供了一种充电电路及电容充电方法，其中，充电电路包括第一充电模块310及第二充电模块320，在预设时间段，第一充电模块310对第二充电模
块320充能，并将电容c充电至第一电压，在第一充电模块310断开后，第二充电模块320放能，继续给电容c充电，将电容c从第一电压充电至一预定电压，从而实现了电容电压可控。本公开实施例提供的电容充电方法可应用于该充电电路，以实现上述充电过程。
[0031]
本公开实施例提供的一种充电电路基于lc电路可以对电容进行充电的原理改进得到，图1示意性示出了一种lc电路的示意图。
[0032]
如图1所示，lc电路由电阻r、电感l、电容c构成，当lc电路的开关k由断开状态变为导通状态时，电容c两端的电压公式为：
[0033]
uc＝2e(1-π/4q)；
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0034]
其中，q为回路品质因数，e为电源电压，uc为电容c两端的电压。回路品质因素q表示该lc电路损耗能量的质量指标，q越大，该lc电路的能耗越小，质量越高。当q趋于无穷大时，有：uc≈2e，因此，使用lc电路对电容进行充电，理论上电源电压e的大小只需要为电容c所需的电压的一半。
[0035]
为了实现电流可控，需在电源和电容之间增加了限流元件，防止开关管打开瞬间产生巨大的冲击电流。如果使用电阻r和电容c构成rc充电电路，那么每次对电容充电流经电阻的电流，都会产生不必要的热量造成电能损耗浪费。电阻r在电路里属于耗能元件，而电感l属于能量转换元件。与使用电阻r相比，使用电感l先将电能转换为磁能，然后再将磁能转换为电能，不会对能量进行消耗，同时，通过调整电感l的大小，可实现电流可控。
[0036]
图2示意性示出了本公开实施例提供的一种lc电路中的电容电压示意图。
[0037]
如图2所示，在lc充电电路中，电容通过电感获得电能时，随着能量在电路中传输，电容电压随着振荡周期逐渐趋向于电源电压e。如图2所示，在前1/2的振荡周期，电容电压是逐渐升高的，且能量损耗较小，因此，在前1/2的振荡周期的时间，可利用lc电路给电容进行较稳定的充电。
[0038]
基于上述理论基础，本公开实施例提供了一种充电电路，用于对一电容进行充电。该电路包括：第一充电模块310和第二充电模块320。其中，在预设时间段内，第一充电模块310和第二充电模块320共同给电容c充能，具体的，第一充电模块310分别对电容c和第二充电模块320充能，同时，第二充电模块320利用存储的能量对电容c进行放能，以使电容c达到第一电压；当电容c达到第一电压后，第一充电模块310断开，第二充电模块320利用剩余的能量继续放能，以将电容c从第一电压充电至一预定电压。
[0039]
图3示意性示出了本公开实施例提供的一种充电电路的示意图。
[0040]
如图3所示，第一充电模块310具体包括一直流电源u，第二充电模块320包括一用于充能和放能的电感l，直流电源u与电感l和待电容串联构成充电电路。
[0041]
根据本公开的实施例，将第一开关k1闭合后，直流电源u给电感l和电容c充电，其中，由于该充电电路是一个直流振荡电路，在直流电源u给电容c、电感l充能的过程中，电感l反复的将电能转换为磁能，再将磁能转换为电能，从而实现了电感l也对电容c进行充能；当电容c的电压大小到达了第一电压，根据公式(2)，该第一电压的大小在e至2e之间，e表示直流电源u的电压。此时，将第一开关k1断开，使直流电源u停止给电容c充电，电感l将剩余的磁能继续转换为电能，继续给电容c充电，将电容c从第一电压充电至预定电压后，停止给电容c充电。
[0042]
如图3所示，本公开实施例提供的电路还包括：控制模块，用于控制第一充电模块
310在预设时间段后断开。该控制模块与第一开关k1连接，用于控制第一开关k1闭合，使第一充电模块310和第二充电模块320共同给给电容c充能；当第一开关k1闭合时长达到预设时长时，电容c的电压达到第一电压，控制模块控制第一开关k1断开，使第一充电模块310停止给电容c充能，第二充电模块320继续给电容c充能，直至电容c的电压达到预定电压为止，实现了对电容c电压进行精确控制的目的。
[0043]
另外，由于本实施例所述的充电电路中，有电感l的存在，使得电容c最后的电压(预定电压)比第一电压高，也在e至2e之间，由此，本实施例所述的充电电路可以用提高充电效率。
[0044]
需要说明的是，在lc电路的前1/2的振荡周期内，电容电压是逐渐升高，且电路的能量损耗是最小的，因此，在本公开实施例提供的充电电路的应用中，第一充电模块310给电容c充能的预设时间段不得超过该电路的前1/2的振荡周期。
[0045]
具体的，计算第一充电模块310给电容c充能的预设时间段的计算方法如下。
[0046]
电感l和电容c构成的振荡电路的频率计算公式为：则其振荡周期的计算公式为：
[0047][0048]
根据公式uc＝2e(1-π/4q)，q值按无穷大计算，可认为最大的uc电压约为2e。
[0049]
如果电路内只有第一开关k1、电感l和电容c，且在周期起始的0时刻将第一开关k1打开，uc的电压波形应该是一个频率为f，幅值为2e的正弦波曲线，则uc随时间变化的公式为：
[0050][0051]
将公式(1)带入上述方程内有：
[0052][0053]
将公式进行转换，可以得到电容c的电压与充电时长的对应关系：
[0054][0055]
其中，uc为电容c的期望电压，e为直流电源u的电压。
[0056]
在本公开实施例中，若将预定电压作为期望电压计算预设时长，由于第一开关k1断开后，第二充电模块320继续给电容c充电，根据预定电压计算出的预设时长运用到实际中，得到的电容c的实际电压将大于预定电压。
[0057]
因此，本发明通过拟合计算的方式，将期望电压uc的电压值缩小，得到计算电压，用计算电压代替预定电压带入公式(6)进行计算。
[0058]
需要说明的是，计算电压并不等同于第一电压，第一电压仅为将电容c充电至预定
电压的一个中间电压，数值在e～2e之间，计算电压只有一定概率在数值上会等于第一电压。
[0059]
为了计算准确的充电时长t，可以通过实际测量对计算电压和预定电压的数值进行测量标定，以获取计算电压与预定电压的对应关系。在本公开实施例中，计算电压和预定电压的拟合关系式为：
[0060]
vt＝av
s2
+bvs+c；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0061]
其中，vs表示电容c的预定电压，vt表示计算电压。
[0062]
在本公开实施例中，预定电压vs可根据实际需要进行设置，将电容c的预定电压vs带入公式(7)，计算出计算电压vt，再将该计算电压vt作为期望电压uc带入公式(6)，得到第一开关k1闭合的预设时间段的时长。
[0063]
当第一开关k1断开后，电容c的电压到达第一电压、第一充电模块310停止给电容c充电；然后，第二充电模块320继续向电容c放能，当电容c充电至预定电压时，第二充电模块320结束放能。在本公开实施例中，电感l在第一充电模块310给电容c充电的过程中作为限流元件，防止电路中产生巨大的冲击电流，损坏电容c，另一方面，电感l在第一充电模块310给电容c充电的过程中将部分电能转换为磁能，并将磁能转换为电能给电容c充能，且不会对能量进行消耗。当电容c的电压达到预定电压后，完成了一次对电容c的充能。
[0064]
在本公开实施例中，为了使电容c的电压能到达预定电压，当第一开关k1断开时，电感l中剩余存储的能量至少为将电容c的电压从第一电压充电至预定电压所需的能量。当电容c的电压达到第一电压后，可以通过控制模块将电感l断开，使电感l停止给电容c充能，将剩余磁能进行存储，用于在下一次给电容c充能。
[0065]
如图3所示，本公开实施例提供的第二充电模块320还包括：续流二极管d，续流二极管d与电感l串联且与电容c构成回路，且该续流二极管d两端并联在直流电源u(即第一充电模块310)上。当第一开关k1闭合时，续流二极管d反向截止，其所在支路上没有电流通过，第一充电模块310给电容c充电，同时，电感l将第一充电模块310提供的电能转换为磁能存储；当电容c充电至第一电压后，第一开关k1断开，此时，电感l将存储的磁能转换为电能，并向电容c放能，将电容c从第一电压充电至预定电压，其中，当电感l向电容c放能时，续流二极管d与电感l、电容c构成回路，使该回路稳定续流。
[0066]
此外，需要说明的是，在理想情况下，lc电路上的电容电压最大可以达到2倍的电源电压。在本公开实施例中，考虑到器件损耗等，可将直流电源的电压设置为电容c的输出电压的0.6倍。例如，假设需要将电容充电到1000v，理论上500v的电源电压就够了，在实际应用中，往往会给电压损耗留一些余量，将电源电压定为600v。
[0067]
根据本公开的实施例提供的一种电容充电电路，可以实现对高压电容的快速充放电，且能实现高压电容的电压的精确控制，且能耗小，发热量低。
[0068]
图5示意性示出了本公开实施例提供的一种电容充电方法的流程图。
[0069]
如图5所示，本公开实施例提供的一种电容充电方法，应用于如图3所示的电路，包括步骤s510～s520。
[0070]
s510，在预设时间段中，利用电源u分别对lc电路中的电容c和电感l充能，同时，电感l对电容c进行充能，以使电容c达到第一电压。
[0071]
s520，在预设时间段后，断开电源u，通过电感l放能，以将电容c从第一电压充电至
一预定电压。
[0072]
根据本公开的实施例，在预设时间段中，直流电源u给电感l和电容c充电，参阅图2、3，该充电电路是一个直流振荡电路，直流电源u给电容c、电感l充能，在此过程中，电感l将电能转换为磁能存储，并将磁能转换为电能给电容c充能，经过预设时间段后，当电容c的电压达到第一电压时，断开第一开关k1，使直流电源u停止给电感l和电容c充能，电感l将剩余的磁能转换为电能，继续电容c进行充能，直到电容c的电压值达到预定电压。该方法利用直流电源u和电感l共同给电容c充电，能实现电容c的快速充电，且电容c电压的可控，使电容c的电压能稳定充电至预定电压，根据公式(2)，该预定电压在e至2e之间。
[0073]
在本公开实施例中，控制电容精确充电的方法还包括步骤s530：
[0074]
s530，根据预定电压设置预设时间段。
[0075]
步骤s530具体包括步骤s531～s533。
[0076]
s531，设置预定电压。
[0077]
预定电压的大小根据实际需要给电容c充电的大小进行设置。
[0078]
s532，基于预定电压和计算电压的映射关系，拟合出计算电压。
[0079]
在本公开实施例中，计算电压与预定电压存在对应关系。设计算电压和预定电压的拟合关系式为：
[0080]
vt＝av
s2
+bvs+c；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0081]
其中，vs表示电容c的预定电压，vt表示计算电压。
[0082]
该拟合关系式中的参数a、b、c可根据电容c的计算电压vt和预定电压vs的实际测量值计算得到。
[0083]
如表1所示，表1列举了一种本公开实施例提供的充电电路中电容c的计算电压vt和电预定电压vs的几组对应的数据，根据该对应关系，可以求解得出a＝0.0004，b＝-0.0433，c＝41.484，即拟合关系式为：
[0084]
vt＝0.0004v
s2-0.0433vs+41.484；
[0085]
计算电压vt和预定电压vs的拟合关系示意图如图4所示。
[0086]
表1
[0087]
vs/vvt /v1287650149988016311046188513852093170922642007
[0088]
s533，根据计算电压和预定时间段对应关系，得到预设时间段。
[0089]
在本公开实施例中，预设时间段根据计算电压计算得到，其中，预设时间段的起始时刻为充电电路的谐振周期的起点时刻，预设时间段的时长可根据公式(6)计算得到：
[0090]
[0091]
其中，uc为计算电压，e为直流电源电压。
[0092]
根据操作s531～s533，设置预定电压vs后，将电容c的预定电压vs带入公式(7)，计算出计算电压vt，再将该计算电压带入公式(6)，即可得到第一充电模块310和第二充电模块320同时给电容c充电的预设时间段的时长。
[0093]
参考图3，根据本公开实施例提供的电容充电方法，当第一开关k1闭合，且直流电源u和电感l共同给电容c充电时，续流二极管d反向截止，续流二极管所在支路上没有电流通过，不会消耗充电电路中的电能。当第一开关k1断开后，电感l放能时，lc电路与一续流二极管构成串联回路，使该电路稳定续流，以使电感l能稳定的将存储的磁能转换为电能，并向电容c放能，将电容c从第一电压充电至预定电压。
[0094]
在本公开实施例中，当电容c充电至预定电压时，电感l放能完毕。为了使电容c的电压能到达预定电压，电感l中剩余存储的能量至少为将电容c的电压从第一电压充电至预定电压所需的能量。当电容c的电压达到第一电压后，可以通过控制模块将电感l断开，使电感l停止给电容c充能，将剩余磁能进行存储，用于在下一次给电容c充能。
[0095]
本公开实施例提供的电路实际上为脉冲激光器的电源电路，通过电容c向脉冲激光器放电，给脉冲激光器提供产生激光的能量，由于脉冲激光器产生的激光具有脉冲周期，因此，需要通过本公开提供的电路周期性的给电容c充电，为脉冲激光器持续的提供产生激光的能量。
[0096]
下面通过一实施例对上述方法进行说明。
[0097]
假设电容c的预定电压是1600v，电感l的电感值为110uh，电容c的电容值为1.98uf，直流电源的输入电压为1192v，电感当前温度为45℃。当控制电路接收到充电信号指令后，预设时长计算模块根据上面的参数，计算得出第一开关k1需要闭合导通的时间为32us。控制电路将第一开关k1闭合，计时模块开始计时，当时间达到32us时，控制电路使第一开关k1断开。电感l通过自身存储的能量继续为电容c充电，直到能量耗尽，即完成了对电容c的一次充电。
[0098]
根据本公开实施例提供的一种电容精确充电方法，可实现电容c的实际电压大小与预定电压之间的差值在
±
10v左右。
[0099]
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
[0100]
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。