一种高动态高稳定度的脉冲直流电源及其脉冲稳定方法与流程

本发明涉及一种脉冲直流电源，具体涉及一种高动态高稳定度的脉冲直流电源及其脉冲稳定方法。

背景技术：

1、脉冲直流电源是指电源以一定宽度，一定频率脉冲波形式输出，可以是电压源，也可以是电流源，输出波形如图1所示。

2、在一些特殊应用行业，对该类电源输出脉冲波的上升、下降沿速度要求很高，可高达上百安培每微秒，且要求平台值无明显过冲。

3、传统该类电源多采用线性电源拓扑，配合比例积分pi控制策略实现输出稳定，如图2所示。

4、该类电源工作原理为：控制环pi使mos管(金属氧化物半导体型场效应管)q1工作在线性放大态，q1在电路中表现为受门极电压控制的可变电阻。若输出电压或者电流过大，超过目标值时，控制环pi减小q1管门极驱动电压ug，增大q1管导通电阻，从而减小输出电压或者电流。反之，当输出电压或者电流过小，低于目标值时，控制环pi增大q1管门极驱动电压ug，减小q1管导通电阻，从而增大输出电压或者电流，直到输出稳定到设定目标值。

5、该类方案明显的缺点是：

6、q1表现为一个受控可变电阻串联在主回路中，当输入电压很高，负载目标电压很小时，有很大的输入电压降在q1上，从而导致q1损耗很大，发热严重，系统效率很低，该方案无法拓展应用在高压大功率电源中，这是该方案的致命问题。

7、另外由于pi控制环具有延迟响应的特点，为了实现上升下降沿高动态特性，要求尽量提高pi控制环的增益，必然导致输出值存在过冲分量。如果为了实现脉冲平台值无过冲，则要求pi控制环增益尽量小，但这样无法满足上升下降沿高动态要求。因此，该类方案无法实现从轻载到满载全负载范围内高动态和无过冲的综合要求。

8、开关电源拓扑中开关管工作在开关态，利用pwm技术，调节电源输出，具有效率高，体积小的优点。但开关电源主回路一般存在电感、电容等缓冲器件，降低了电源动态特性。如果控制回路只简单采用类似的pi调节器，也存在输出超调问题，同时单路开关电源输出会存在较大开关次纹波。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高动态高稳定度的脉冲直流电源及其脉冲稳定方法，用于解决高压大功率线性电源中系统效率低，且常规电路中pi调节无法满足高动态上升下降要求的问题。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种高动态高稳定度的脉冲直流电源，其特殊之处在于：包括整流稳压单元、斩波单元及控制回路；

4、所述整流稳压单元的输出端连接所述斩波单元的输入端；

5、所述斩波单元的输出端连接电源输出端，电源输出端用于连接外部负载；所述斩波单元包括n个并联的斩波电路，n≥2；

6、所述控制回路包括电压内环、电流外环、加法器、pwm发生单元、输出脉冲给定以及n个载波；

7、所述电压内环用于采集电源输出端的电压信号并进行比例调节；所述电流外环用于采集电源输出端的电流信号并与输出脉冲给定作差后进行比例积分调节；所述电压内环的输出端与电流控制环路的输出端通过所述加法器相加后形成反馈信号，输入pwm发生单元；

8、所述pwm发生单元与斩波单元连接，所述pwm发生单元用于将加法器的输出反馈信号分别与n个依次错相的载波进行比较并驱动放大后输出n个驱动信号，分别送入n个斩波电路的控制端。

9、进一步地，所述电流外环包括输出电流采样电路、输出脉冲给定、减法器以及pi比例积分调节单元；

10、所述输出电流采样电路用于采集电源输出端的电流信号，输出电流采样电路的输出端与所述减法器的一个输入端连接；

11、所述减法器的另一输入端连接输出脉冲给定；

12、所述减法器的输出端与所述pi比例积分调节单元的输入端连接；

13、所述pi比例积分调节单元的输出端与所述加法器的一个输入端连接。

14、进一步地，所述电压内环包括输出电压采样电路和p比例调节单元；

15、所述输出电压采样电路的输入端与电源输出端连接；

16、所述输出电压采样电路的输出端与p比例调节单元的输入端连接，所述p比例调节单元的输出端与所述加法器的另一输入端连接。

17、进一步地，所述斩波电路包括开关mos管，开关mos管的漏极与整流稳压单元的输出端连接，其源极与电源输出端连接；开关mos管的栅极连接pwm发生单元输出的对应的驱动信号。

18、进一步地，所述pwm波发生单元包括n个pwm波发生器，

19、所述pwm波发生器包括比较器及驱动单元；

20、所述比较器的同相输入端连接加法器的输出端；比较器的反相输入端均与对应载波连接；所述比较器的输出端连接驱动单元的输入端；驱动单元的输出端与对应开关mos管的栅极连接。

21、进一步地，所述斩波单元为buck降压电路或boost升压电路或倍频整流输出电路；

22、若斩波单元为buck降压电路或boost升压电路，则n个载波之间的错相角度为360°/n；

23、若斩波单元为倍频整流输出电路，则n个载波之间的错相角度为180°/n。

24、进一步地，所述pi比例积分调节单元具体为pi调节器。

25、所述p比例调节单元具体为输出前馈p调节器。

26、一种高动态高稳定度的脉冲直流电源的脉冲稳定方法，包括以下步骤：

27、步骤1、上电后，整流稳压单元开始工作，稳定斩波单元输入电压；

28、步骤2、斩波单元开始工作，输出脉冲给定和n路载波建立，控制回路开始工作，输出电压采样电路和p积分比例调节单元开始工作，同时输出电流采样电路、减法器和pi比例调节单元也开始工作；n路载波依次错相设置；

29、步骤3、初始时刻电源输出电压为0，电压内环输出为0，电流外环输出为0，输出脉冲给定与电流采样电路的输出信号经过减法器相减后的差值送入pi积分比例调节单元，经信号调理后，再送入加法器，加法器输出的反馈信号送入pwm发生单元的n路比较器，分别与n路载波中的载波信号比较后，输出n路pwm控制信号，n路pwm控制信号分别经n路驱动单元放大后，输出到n路斩波单元中，控制对应的开关mos管工作；

30、步骤4、电源输出电压逐渐建立，电压内环的输出电压采样电路输出电压值，p比例调节单元的输出快速增大，从而快速增大pwm波占空比，使得电源输出脉冲快速上升和下降且无过冲；

31、步骤5、电源输出脉冲平台值时，电流外环的输出电流采样电路输出电流值，通过减法器和pi比例积分调节单元实现电源输出脉冲平台值的微调，消除输出静态误差。

32、进一步地，步骤2中，所述n路载波依次错相设置具体为：

33、斩波单元为buck降压电路或boost升压电路，则n个载波之间的错相角度为360°/n；

34、或者，斩波单元元为倍频整流输出电路，如全桥整流，则n个载波之间的错相角度为180°/n。

35、与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下:

36、1、相比传统线性脉冲电源方案，采用开关电源方案可以明显提高全负载范围内电源的效率，减小发热，减小体积；

37、本技术采用的开关电源方案利用pwm(脉宽调制)技术，开关管(如mos管、igbt)工作在开关态。在一个开关周期内，开关管要么完全导通，要么完全关断。相比线性电源方案中开关管不完全导通的工况，开关管完全导通时，等效电阻很小，所以开关管损耗小很多。特别是当电源输入电压和输出电压相差很大，电源输出功率很大时，开关电源的效率优势尤为突出。

38、2、电源输出脉冲动态特性高，又无明显过冲；

39、开关电源因为输出滤波电感等阻抗元件，电源具有一定的内阻，会降低电源输出的动态响应。本技术采用的多路交错并联技术，通过多路相同参数的拓扑错相并联，能够按并联路数等比例减小电源等效内阻，从而提高电源动态特性。结合控制上采用输出电压比例前馈技术，基于比例控制无过冲的优点，实现电源脉冲平台无明显过冲。

40、3、相比单路开关电源，输出纹波明显较小。

41、开关电源中开关管工作在开关态，所以电源输出电压、电流有开关次或开关倍频次纹波。本技术采用多路交错并联技术，通过将控制回路中多路载波依次错相(错相角度与拓扑类型和并联路数有关)，使电源输出纹波因相位差而相互抵消，与单路开关电源相比，输出电压、电流纹波小。随着并联路数增多，输出电压电流纹波效果与线性电源接近。