一种高频隔离脉冲电源装置及控制方法与流程

1.本发明涉及电源装置技术领域，具体而言，涉及一种高频隔离脉冲电源装置及控制方法。


背景技术：

2.随着科学技术的快速发展，直流电源已经在工业中得到广泛应用。直流可调电源通常采用恒压恒流模式，要求输出电压电流线性可调、快速响应、稳定输出。金属熔炼直流电源通常采用先直流升压，再恒流模式，要求柔性直流输出、快速响应、电压电流模式切换、稳定输出。精密电阻焊接电源通常采用电压间接控制温度模式，要求温度快速响应、温度无超调、稳定输出。传统直流电源基本电压电流可控，或温度可控，但其工作效率低、功率密度低、输出功率小及尺寸大，无法实现直流电源多模式输出融合；传统金属熔炼直流电源主要采用晶闸管可控整流来实现，其输出电压电流的动态响应慢、波动大；而传统热压焊接电源主要采用工频隔离变压器输出整流控制焊接温度，其温度动态响应慢、超调大、波动大。
3.存在的问题是：现有直流电源工作效率低。


技术实现要素：

4.本发明解决了现有直流电源工作效率低的技术问题，实现了提高电源装置的工作效率的技术效果。
5.为解决上述问题，本发明提供一种高频隔离脉冲电源装置，包括：开关启停模块，开关启停模块的输入端与交流电连接；整流模块，开关启停模块的输出端与整流模块连接；高频功率模块；高频整流模块；高频隔离模块，高频隔离模块的输入端与高频功率模块的输出端连接，高频隔离模块的输出端与高频整流模块的输入端连接；驱动模块，驱动模块与高频功率模块连接；控制模块，驱动模块与控制模块连接，控制模块用于采集并处理：开关启停模块的逻辑；高频功率模块的输入电压和输出电流；高频整流模块输出端所连接负载的电流、电压、温度信号中的至少一个；控制模块处理后得到pwm脉冲驱动信号，并通过驱动模块将pwm脉冲驱动信号传输至高频功率模块。
6.与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：本发明提供的电源装置的主电路基于高频功率模块，采用高频脉冲信号和高频隔离模块进行能量传递，提供高压高频隔离、不接触式高精密焊接电源，提高电源装置的工作效率，且结构简单，接线方便，能够适应需要高功率密度、高精度、动态响应快、波动小的直流电源系统。基于负载需求实现多模式脉冲电源装置，将输出电流反馈控制、电压反馈控制和温度反馈控制相结合，实现简单可靠，切换平缓无冲击，有效实现了负载输出的快速跟踪和调节，保证了该电源装置更加高精度、稳定、可靠地使用。具体的，开关启停模块用于开启或关闭整个电源装置；整流模块用于将开关启停模块输入进的交流整流为直流；高频功率模块，用于产生高频交变脉冲电；高频整流模块，能够将高频隔离模块输出的交流电转化为稳定的直流电；高频隔离模块，能够进行能量传递；驱动模块将驱动信号放大，输出驱动信号至高频功率模块；控制模块获得温
度信号，将温度信号作为控制器对高频功率模块脉冲触发，对高频隔离模块输出过流及短路，负载开路及过温进行保护。控制模块针对电源装置中的电流、电压或温度信号反馈控制，响应快、波动小、输出稳定。
7.在本发明的一个实例中，开关启停模块包括：快速熔断器，快速熔断器的一端与交流电连接；接触器，快速熔断器的另一端与接触器的一端连接；预充电电阻，预充电电阻与接触器并联，预充电电阻与接触器的另一端相连接并作为输出端并与整流模块的输入端连接。
8.与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：快速熔断器一端与交流母线连接，用于对交流母线的电流进行保护，当电流超过一定数值时，快速熔断器会产生热量使其溶体融化，从而断开电流，保证了电路的安全性；快速熔断器的另一端与接触器连接，通过接触器的闭合对交流母线传送的电流进行传输和断开的控制。由于接触器直接接触，电流较大，容易造成触电烧灼，因此，在快速熔断器与接触器所在的电路中，并联设有预充电电阻，用于保护接触器，对接触器的电流进行限制，从而减少上电时的冲击电流。
9.在本发明的一个实例中，整流模块为三桥臂二极管整流器。
10.与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：三桥臂二极管整流器的三相交流端为输入端与开关启停模块输出端相连接，触发开关启停模块即可通过交流母线将电能传输给三相二极管整流器进行整流，并将开关启停模块输入进的交流整流为直流后作为输出端与高频功率模块进行连接，工作效率高。
11.在本发明的一个实例中，高频功率模块包括：直流电容器，直流电容器的输入端与整流模块的输出端连接；直流电压传感器；高频h桥功率变换器，高频h桥功率变换器的一端分别与直流电容器、直流电压传感器连接；电流传感器，高频h桥功率变换器的另一端作为输出端并分别与高频隔离模块、电流传感器连接。
12.与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：直流电容器能够为高频功率模块提供平稳的直流电压。直流电压传感器连接直流电容器，能够采集直流电容电压信号。高频h桥功率变换器的导通与关断会形成高频交变脉冲电，进而在高频隔离变压器中进行能量传递。电流传感器能够感受到上述高频交变脉冲电的信息，并能检测感受到的信息，按一定规律变换成为符合一定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
13.在本发明的一个实例中，高频h桥功率变换器为igbt或mosfet功率器件。
14.与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：针对驱动模块，设计了igbt或mosfet功率器件驱动电路、短路和过电压保护电路，实现对高频h桥拓扑的变换器稳定、有效控制。
15.在本发明的一个实例中，高频隔离模块包括非晶高频变压器。
16.与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：非晶高频变压器具有优异的磁性，且高效节能，损耗低，发热少，温升低，运行性能非常稳定。高频隔离模块的一端为输入端接高频功率模块输出，另一端作为输出端连接高频整流模块。通过电磁感应得到高压隔离感应电源输出，通过输出不同匝数线圈，可以获得不同的电压电源。
17.在本发明的一个实例中，高频整流模块包括碳化硅高频二极管。
18.与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：碳化硅高频二极管开关运
行超快且不会受到温度的影响，并且没有额外热沉要求，工作效率相对来说也比较高，可在高频状态下工作。
19.在本发明的一个实例中，高频隔离脉冲电源装置还包括上位机，上位机与控制模块通过rs485总线进行通讯，以使得控制模块的数据能够传输至上位机的显示屏。
20.与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：控制模块将系统的运行状态、信号参数、设定的参数、故障信息等数据传输至上位机的显示屏，进而用户通过显示屏设定和监视系统运行的状态。
21.在本发明的一个实例中，控制模块包括dsp+fpga控制器，dsp进行数据的处理、控制算法的运算以及与上位机的通讯，fpga进行信号采集和驱动信号的输出。
22.与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：采用dsp+fpga数字信号处理器，具有编程灵活、运算快和精度高等优点。
23.本发明还提供一种高频隔离脉冲电源装置的控制方法，控制方法用于控制上述任一实例的高频隔离脉冲电源装置，控制方法包括：设置电流给定值i
*
，将电流给定值i
*
与电流采样反馈值i
^
输入电流调节器，经pi比例积分调节，通过输出pwm电压脉冲占空比间接进行电流闭环控制；设置电压给定值v
*
，将电压给定值v
*
与电压采样反馈值v
^
输入电压调节器，经pi比例积分调节，输出pwm电压脉冲占空比间接进行电压闭环控制；设置温度给定值τ
*
，将温度给定值τ
*
与温度采样反馈值τ
^
输入温度调节器，经pid比例积分微法调节，输出pwm电压脉冲占空比间接进行温度闭环控制。
24.与现有技术相比，采用该技术方案所达到的技术效果：通过多模式闭环反馈控制，将电流、电压或温度调节器进行斜坡切换，不同模式切换下电流、电压或温度斜坡的初始值为当前切换时信号采样值，斜坡的给定值为最终稳定控制值，从而得到不同模式平缓、无冲击切换的闭环控制模式。
附图说明
25.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为本发明实施例提供的一种高频隔离脉冲电源装置的结构示意图；图2为本发明实施例提供的高频h桥功率变换器的拓扑结构；图3为本发明实施例提供的驱动模块的结构示意图；图4为本发明实施例提供的高频隔离模块的结构示意图；图5为本发明实施例提供的一种高频隔离脉冲电源装置的控制方法的示意图；附图标记说明：1-开关启停模块；2-整流模块；3-高频功率模块；4-高频整流模块；5-高频隔离模块；6-驱动模块；7-控制模块；8-上位机；9-输出负载模块。
具体实施方式
26.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面对本发明的具体实施例做详细的说明。
27.实施例一：
参见图1至图4，本发明提供一种高频隔离脉冲电源装置，包括：开关启停模块1，开关启停模块1的输入端与交流电连接；整流模块2，开关启停模块1的输出端与整流模块2连接；高频功率模块3；高频整流模块4；高频隔离模块5，高频隔离模块5的输入端与高频功率模块3的输出端连接，高频隔离模块5的输出端与高频整流模块4的输入端连接，高频整流模块4的输出端连接输出负载模块9；驱动模块6，驱动模块6与高频功率模块3连接；控制模块7，驱动模块6与控制模块7连接，控制模块7用于采集并处理：开关启停模块1的逻辑；高频功率模块3的输入电压和输出电流；高频整流模块4输出端所连接负载的电流、电压、温度信号中的至少一个；控制模块处理后得到脉冲驱动信号，并通过驱动模块6将脉冲驱动信号传输至高频功率模块3里的功率器件。
28.具体的，开关启停模块1用于开启或关闭整个电源装置；整流模块2用于将开关启停模块1输入进的交流整流为直流；高频功率模块3，用于产生高频交变脉冲电；高频整流模块4，能够将高频隔离模块5输出的交流电转化为稳定的直流电；高频隔离模块5，能够进行能量传递；驱动模块6将驱动信号放大，输出驱动信号至高频功率模块3；控制模块7获得温度信号，将温度信号作为控制器对高频功率模块3脉冲触发，对高频隔离模块5输出过流及短路，负载开路及过温进行保护。控制模块7针对电源装置中的电流、电压或温度信号反馈控制，响应快、波动小、输出稳定。
29.具体的，输出负载模块9包括电流传感器，电压传感器，温度传感器中的至少一个，电流传感器能够采集电流，电压传感器能够采集电压，温度传感器能够采集温度。
30.优选的，高频整流模块4的输出端与电流传感器，电压传感器，温度传感器连接，进而控制模块7能够获得电流、电压和温度信号，并对其进行处理。
31.具体的，本发明提供的高频隔离脉冲电源装置针对高频隔离脉冲电源负载的电流、电压和温度信号，实现对这三种模式闭环控制，有效实现了输入输出隔离绝缘，且根据不同输出控制模式能够快速跟踪调节、波动小、输出稳定等优点，保证了该电源更加可靠稳定、安全地使用。
32.具体的，采用高频脉冲信号和高频隔离模块5进行能量传递，提供高压高频隔离、不接触式高精密焊接电源，结构简单，接线方便，能够适应需要高功率密度、高精度、无超调的温度控制系统。控制模块7针对低压高频隔离脉冲焊接电源装置中各个阶段的温度信号反馈控制，具有输入输出隔离绝缘，且输出控制的温度响应快、波动小、不超调、输出稳定等优点，保证了该电源更加可靠稳定、安全地使用。
33.进一步的，开关启停模块1包括：快速熔断器，快速熔断器的一端与交流电连接；接触器，快速熔断器的另一端与接触器的一端连接；预充电电阻，预充电电阻与接触器并联，预充电电阻与接触器的另一端相连接并作为输出端并与整流模块2的输入端连接。
34.具体的，快速熔断器一端与交流母线连接，用于对交流母线的电流进行保护，当电流超过一定数值时，快速熔断器会产生热量使其溶体融化，从而断开电流，保证了电路的安全性；快速熔断器的另一端与接触器连接，通过接触器的闭合对交流母线传送的电流进行传输和断开的控制。
35.优选的，由于接触器直接接触，电流较大，容易造成触电烧灼，因此，在快速熔断器与接触器所在的电路中，并联设有预充电电阻，用于保护接触器，对接触器的电流进行限制，从而减少上电时的冲击电流。
36.进一步的，整流模块2为三桥臂二极管整流器。
37.具体的，开关启停模块1用于对整个电源装置的开关，其输入端接220v或者380v交流母线，输出端接三桥臂二极管整流器的输入端；触发开关启停模块1即可通过交流母线将电能传输给三桥臂二极管整流器进行整流。
38.具体的，三桥臂二极管整流器的三相交流端为输入端与开关启停模块1输出端相连接，触发开关启停模块1即可通过交流母线将电能传输给三相二极管整流器进行整流，并将开关启停模块1输入进的交流整流为直流后作为输出端与高频功率模块3进行连接。
39.具体的，预充电电阻的另一端和接触器的另一端相连接作为输出端并与三桥臂二极管整流器的输入端进行连接，将电流传输给三桥臂二极管整流器。
40.进一步的，高频功率模块3包括：直流电容器，直流电容器的输入端与整流模块2的输出端连接；直流电压传感器；高频h桥功率变换器，高频h桥功率变换器的一端分别与直流电容器、直流电压传感器连接；电流传感器，高频h桥功率变换器的另一端作为输出端并分别与高频隔离模块5、电流传感器连接。
41.具体的，高频功率模块3用于产生高频交变脉冲电。直流电容器为高频功率模块3提供平稳的直流电压。直流电压传感器连接直流电容器，能够采集直流电容电压信号。高频h桥功率变换器的导通与关断会形成高频交变脉冲电，进而在高频隔离变压器中进行能量传递。电流传感器能够感受到上述高频交变脉冲电的信息，并能检测感受到的信息，按一定规律变换成为符合一定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
42.进一步的，高频h桥功率变换器为igbt或mosfet功率器件。
43.具体的，针对驱动模块6，设计了igbt或者mosfet功率器件驱动电路、短路和过电压保护电路，实现对高频h桥拓扑的变换器稳定、有效控制。
44.具体的，驱动模块6可用于igbt或者mosfet功率器件触发，短路、过电压的保护。
45.进一步的，驱动模块6包括pwm脉冲信号和故障反馈信号。pwm脉冲信号用于触发igbt或者mosfet功率器件导通与关断。故障反馈信号用于对igbt或者mosfet功率器件故障检测信号输出。
46.进一步的，高频隔离模块5包括非晶高频变压器。
47.具体的，非晶高频变压器具有优异的磁性，且高效节能，损耗低，发热少，温升低，运行性能非常稳定。高频隔离模块5的一端为输入端接高频功率模块3输出，另一端作为输出端连接高频整流模块4。通过电磁感应得到高压隔离感应电源输出，通过输出不同匝数线圈，可以获得不同的电压电源。参见图4，接口s1-f1与s2-f2并联，接口s3-f3与s4-f4并联。
48.进一步的，高频整流模块4包括碳化硅高频二极管。
49.具体的，碳化硅高频二极管开关运行超快且不会受到温度的影响，并且没有额外热沉要求，工作效率相对来说也比较高，可在高频状态下工作。
50.进一步的，电源装置还包括上位机8，上位机8与控制模块7通过rs485总线进行通讯，以使得控制模块7的数据能够传输至上位机8的显示屏。
51.具体的，控制模块7将系统的运行状态、设定的温度、温度上升和温度维持时间、故障等数据传输至上位机8的显示屏，进而用户通过显示屏设定和监视系统运行的状态。
52.进一步的，控制模块7包括dsp+fpga控制器，dsp进行数据的处理、控制算法的运算
以及与上位机8的通讯，fpga进行信号采集和驱动信号的输出。
53.具体的，采用dsp+fpga数字信号处理器，编程灵活、运算快和精度高等优点。
54.具体的，开关启停模块1中接触器，高频功率模块3中直流电压传感器、电流传感器和功率器件驱动反馈，输出负载模块9的电流、电压和温度采样信号分别传输到控制模块7，控制模块7输出的控制信号驱动高频h桥功率模块。
55.进一步的，将负载的电流、电压和温度采样信号，直流电容电压信号，高频电流信号，功率器件故障反馈信号，接触器信号处理得到控制量；控制模块7输出驱动控制pwm脉冲信号至驱动模块6，驱动模块6将控制信号通过隔离芯片进行光电隔离和通过推挽电路进行驱动信号功率放大，输出igbt或者mosfet功率器件驱动信号至高频h桥功率变换器，触发igbt或者mosfet功率器件导通与关断；同时将igbt或者mosfet功率模块的状态反馈给控制模块7；通过高频h桥功率变换器的导通与关断形成高频交变脉冲电，在高频隔离变压器中进行能量传递；通过高频整流模块4对高频隔离模块5输出进行整流，得到稳定的直流电；将输出负载模块9的电流、电压和温度采样信号进行采样，将电流、电压和温度采样信号作为控制模块7的闭环反馈信号对高频h桥功率变换器脉冲触发，对高频隔离模块5输出过流及短路，输出负载模块9的开路、短路、过流、过压及过温进行保护。
56.实施例二：参见图5，本发明还提供一种高频隔离脉冲电源装置的控制方法，控制方法用于控制上述任一实例的高频隔离脉冲电源装置，控制方法包括：设置电流给定值i
*
，将电流给定值i
*
与电流采样反馈值i
^
输入电流调节器，经pi比例积分调节，通过输出pwm电压脉冲占空比间接进行电流闭环控制；设置电压给定值v
*
，将电压给定值v
*
与电压采样反馈值v
^
输入电压调节器，经pi比例积分调节，输出pwm电压脉冲占空比间接进行电压闭环控制；设置温度给定值τ
*
，将温度给定值τ
*
与温度采样反馈值τ
^
输入温度调节器，经pid比例积分微法调节，输出pwm电压脉冲占空比间接进行温度闭环控制；同时进行分阶段脉冲最大占空比限制，以应对pid调节器快速响应和温度的延迟响应。
57.具体的，pi是一种比例积分控制器，输入电路和反馈电路，pi比例积分调节能够通过pi调节器实现。pid是一个数学物理术语，pid比例积分微法调节能够通过pid调节器实现，受控变数是三种算法（比例、积分、微分）相加后的结果，即为其输出，其输入为误差值（设定值减去测量值后的结果）或是由误差值衍生的信号。
58.具体的，分阶段脉冲最大占空比限制，控制pwm电压脉冲占空比m，包括：在τ
*-τ
^
大于或等于
△
τ的情况下，调整pid的比例，积分，微分参数，优化输出电压脉冲占空比m1；其中，
△
τ为温度的超调值；在τ0《τ
*-τ
^
《
△
τ的情况下，调整关闭pid输出电压脉冲占空比m，通过温度的延时特性进行升温，等待温度平稳；其中，τ0为临近稳态给定温度预设值，3℃ 《τ0《 8℃；在运行一段时间后，实时检测温度采样反馈值τ
^
和温度给定值τ
*
并进行比较判断，通过温度延时响应特性，检测温度变化率，待温度上升到最高处附近，温度达到平稳状态；在τ
*-τ
^
小于或等于τ0的情况下，调整pid的比例，积分，微分参数，优化输出电压脉冲占空比m2，使温度从上升过程平稳、无超调过度到给定温度状态，控制温度上升和稳态过程稳定输出。
59.具体的，通过多模式闭环反馈控制，将电流、电压或温度调节器进行斜坡切换，不同模式切换下电流、电压或温度斜坡的初始值为当前切换时信号采样值，斜坡的给定值为最终稳定控制值，从而得到不同模式平缓、无冲击切换的闭环控制模式。
60.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。