本發(fā)明屬于高壓電容充電技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種分段線性電容器恒流充電電源。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)能源系統(tǒng)一般以電容器作為核心儲(chǔ)能裝置，因此對(duì)電容器充電電源的研究具有重要的價(jià)值和意義。

目前，串聯(lián)諧振電容器充電電源，簡(jiǎn)稱串聯(lián)諧振ccps，因其具有抗負(fù)載短路能力強(qiáng)、輸出電流恒定的優(yōu)點(diǎn)，在高壓電容充電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在高重復(fù)頻率充電場(chǎng)合，串聯(lián)諧振ccps常常采用欠諧振工作方式，工作于欠諧振方式下的串聯(lián)諧振ccps具有易于實(shí)現(xiàn)零電流開通關(guān)斷、平均充電電流恒定的特點(diǎn)，可以有效的減少開關(guān)損耗和電磁干擾，特別適用于高重復(fù)頻率充電場(chǎng)合。但是，這種電源大多采用開環(huán)的方式直接充電，充電電流的速率無(wú)法得到控制。特別地，在大電流充電時(shí)，由于充電速率特別快，會(huì)造成充電電壓過(guò)沖，導(dǎo)致能源系統(tǒng)的達(dá)值精度降低，甚至損壞能源系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有電容器充電電源在快速充電時(shí)精度不高和過(guò)充的問(wèn)題，提供一種分段線性電容器恒流充電電源。

技術(shù)方案如下：

一種分段線性電容器恒流充電電源，包括原邊全橋串聯(lián)諧振模塊、副邊整流模塊、測(cè)量采樣模塊、雙閉環(huán)控制模塊、控制器和驅(qū)動(dòng)模塊；所述原邊全橋串聯(lián)諧振模塊由第一功率開關(guān)管s1、第二功率開關(guān)管s2、第三功率開關(guān)管s3、第四功率開關(guān)管s4、諧振電感l(wèi)r、諧振電容cr組成；所述副邊整流模塊由第一整流二極管d1、第二整流二極管d2、第三整流二極管d3、第四整流二極管d4、儲(chǔ)能電容器cq組成；所述測(cè)量采樣模塊由用于采樣電流的霍爾電流環(huán)rwsi和用于采樣電壓的第一分壓電阻器r1、第二分壓電阻器r2組成，霍爾電流環(huán)串聯(lián)在原邊全橋串聯(lián)諧振模塊的諧振電路中；第一分壓電阻器r1、第二分壓電阻器r2串聯(lián)后并聯(lián)于副邊整流模塊的儲(chǔ)能電容器cq兩端；所述雙閉環(huán)控制模塊連接測(cè)量采樣模塊和控制器，采用電壓和電流雙閉環(huán)反饋方式，用于將測(cè)量采樣模塊采集的采樣電流、采樣電壓送入控制器；所述控制器連接雙閉環(huán)控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊，用于將電源充電劃分為快速充電區(qū)域和軟充電區(qū)域，控制死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)及開機(jī)充電關(guān)機(jī)停充操作；所述驅(qū)動(dòng)模塊連接控制器和原邊全橋串聯(lián)諧振模塊，用于將控制器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大并傳送至原邊全橋串聯(lián)諧振模塊。

所述雙閉環(huán)控制模塊還包括用于產(chǎn)生達(dá)值信號(hào)的電壓比較器，電壓比較器輸出端與控制器相連，輸入端連接至第一分壓電阻r1和第二分壓電阻r2串聯(lián)的中間，電壓比較器的輸入端還連接有電源充電參考電壓uref。

所述控制器還用于將軟充電區(qū)域劃分成n段，n大于1。

一種分段線性電容器恒流充電電路，包括由4個(gè)功率開關(guān)管s1～s4及4個(gè)二極管d5～d8組成的全橋逆變電路，lc諧振電路，變壓器t，由4個(gè)二極管d1～d4組成的全橋整流電路，儲(chǔ)能電容器cq，由霍爾電流環(huán)rwsi，第一分壓電阻器r1、第二分壓電阻器r2和電壓比較器組成的反饋電路及由控制器和驅(qū)動(dòng)器組成的控制電路，直流電源正極接全橋逆變電路第一功率開關(guān)管s1、第二功率開關(guān)管s2漏極，直流電源負(fù)極接全橋逆變電路第三功率開關(guān)管s3、第四功率開關(guān)管s4的源極；第一功率開關(guān)管s1的源極接第三功率開關(guān)管s3的漏極、第二功率開關(guān)管s2的源極接第四功率開關(guān)管s4的漏極；第一至第四二極管d5～d8分別反并聯(lián)在第一至第四功率開關(guān)管s1～s4的漏極和源極上；第一功率開關(guān)管s1的源極依次連接諧振電感l(wèi)r、變壓器t原邊線圈、諧振電容cr后連接至第二功率開關(guān)管s2的源極；反饋電路中的霍爾電流環(huán)rwsi串聯(lián)在諧振電路中，霍爾電流環(huán)rwsi的輸出端連接至控制電路的控制器中；變壓器t的副邊接全橋整流電路的交流輸入端，全橋整流電路的直流輸出端接儲(chǔ)能電容器cq的兩端，反饋電路的第一分壓電阻器r1、第二分壓電阻器r2串聯(lián)后并聯(lián)在儲(chǔ)能電容器cq的兩端；第一分壓電阻器r1、第二分壓電阻器r2之間引出接線連接至電壓比較器的一個(gè)輸入端，電壓比較器的另一個(gè)輸入端接電源充電參考電壓uref，電壓比較器的輸出端接入控制電路的控制器中，控制電路的控制器連接驅(qū)動(dòng)器使用總線輸出四路控制電路分別連接至第一至第四功率開關(guān)管s1～s4的柵極。

所述全橋逆變電路中的第一至第四功率開關(guān)管s1～s4為n溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。

所述控制電路中的驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)芯片型號(hào)為ir2112。

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，本發(fā)明采用電壓電流雙閉環(huán)反饋的技術(shù)方案，可以對(duì)充電速率進(jìn)行分段控制實(shí)現(xiàn)分段線性恒流充電，可以有效地防止充電過(guò)壓，同時(shí)使電源在不失充電速率的條件下提高充電的精度，滿足本領(lǐng)域技術(shù)人員的不同要求。

附圖說(shuō)明

圖1為一種分段線性電容器恒流充電電源的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的控制流程圖。

圖3為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式和傳統(tǒng)電源充電效果對(duì)比圖。

圖中，t：升壓變壓器；s1～s4：第一至第四功率開關(guān)管；d5～d8：第一至第四二極管；lr：諧振電感；cr：諧振電容；d1～d4：第一至第四整流二極管；cq：儲(chǔ)能電容器；r1，r2：第一，第二分壓電阻器；uq：采樣電壓；ir：采樣電流；rwsi：霍爾電流環(huán)；dzxh：達(dá)值信號(hào)；uref：電源充電參考電壓；controller：控制器；driver：驅(qū)動(dòng)模塊。

圖3中，a：傳統(tǒng)電源充電技術(shù)充電曲線；b：本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例充電曲線；q_c：快速充電區(qū)域；s_c1：軟充電區(qū)域1；s_c2：軟充電區(qū)域2；s_c3：軟充電區(qū)域3。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，現(xiàn)結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示，一種分段線性電容器恒流充電電源，包括原邊全橋串聯(lián)諧振模塊、副邊整流模塊、測(cè)量采樣模塊、雙閉環(huán)控制模塊、控制器和驅(qū)動(dòng)模塊；所述原邊全橋串聯(lián)諧振模塊由第一功率開關(guān)管s1、第二功率開關(guān)管s2、第三功率開關(guān)管s3、第四功率開關(guān)管s4、諧振電感l(wèi)r、諧振電容cr組成；所述副邊整流模塊由第一整流二極管d1、第二整流二極管d2、第三整流二極管d3、第四整流二極管d4、儲(chǔ)能電容器cq組成；所述測(cè)量采樣模塊由用于采樣電流的霍爾電流環(huán)rwsi和用于采樣電壓的第一分壓電阻器r1、第二分壓電阻器r2組成，霍爾電流環(huán)串聯(lián)在原邊全橋串聯(lián)諧振模塊的諧振電路中；第一分壓電阻器r1、第二分壓電阻器r2串聯(lián)后并聯(lián)于副邊整流模塊的儲(chǔ)能電容器cq兩端；所述雙閉環(huán)控制模塊連接測(cè)量采樣模塊和控制器，采用電壓和電流雙閉環(huán)反饋方式，用于將測(cè)量采樣模塊采集的采樣電流、采樣電壓送入控制器；所述控制器連接雙閉環(huán)控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊，用于將電源充電劃分為快速充電區(qū)域和軟充電區(qū)域，控制死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)及開機(jī)充電關(guān)機(jī)停充操作；所述驅(qū)動(dòng)模塊連接控制器和原邊全橋串聯(lián)諧振模塊，用于將控制器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大并傳送至原邊全橋串聯(lián)諧振模塊。

所述雙閉環(huán)控制模塊還包括用于產(chǎn)生達(dá)值信號(hào)的電壓比較器，電壓比較器輸出端與控制器相連，輸入端連接至第一分壓電阻r1和第二分壓電阻r2串聯(lián)的中間，電壓比較器的輸入端還連接有電源充電參考電壓uref。

測(cè)量采樣模塊利用第一分壓電阻器r1、第二分壓電阻器r2采集采樣電壓uq，利用霍爾電流環(huán)采集采樣電流ir，雙閉環(huán)控制模塊一方面將采樣電壓uq、采樣電流ir直接傳送給控制器，控制器設(shè)置電源充電參考電壓uref、初始充電電流iavg，劃分快速充電區(qū)域和軟充電區(qū)域的區(qū)域限位電壓us1，控制器根據(jù)采樣電壓uq和軟充電區(qū)域限位電壓us1的比較結(jié)果來(lái)判斷電源充電所屬的區(qū)域，進(jìn)而逐漸改變死區(qū)時(shí)間減小充電電流，死區(qū)時(shí)間的改變是控制器根據(jù)初始充電電流iavg和采樣電流ir之間的誤差信號(hào)進(jìn)行pi控制實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊放大后驅(qū)動(dòng)原邊全橋串聯(lián)諧振模塊工作，改變充電電流以使充電電壓平穩(wěn)的達(dá)到電源充電參考電壓值，實(shí)現(xiàn)分段線性恒流充電的功能；另一方面通過(guò)電壓比較器將采樣電壓uq與電源充電參考電壓uref進(jìn)行比較，當(dāng)采樣電壓uq大于電源充電參考電壓uref時(shí)產(chǎn)生達(dá)值信號(hào)dzxh輸入控制器，控制器接收到達(dá)值信號(hào)dzxh進(jìn)行關(guān)機(jī)停充操作。

在電源充電初期設(shè)置采樣電壓uq＝[0，us1]為快速充電區(qū)域，其中，us1＝k*uref；k為快充系數(shù)0<k<1，uref為電源充電參考電壓，設(shè)定較小死區(qū)時(shí)間，采用大電流充電。當(dāng)采樣電壓uq>us1時(shí)，電源充電進(jìn)入軟充電區(qū)域，控制器把軟充電區(qū)域劃分成n段，設(shè)定各段區(qū)域限位電壓值為us1，us2…usn，控制器通過(guò)增大死區(qū)時(shí)間使每段區(qū)域的充電電流逐漸減小，逐漸降低充電速率，使充電電壓平穩(wěn)的達(dá)到電源充電參考電壓值，從而改變充電電流的大小以此達(dá)到改變充電速率的目的。具體死區(qū)時(shí)間由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際確定。初始充電電流iavg大小與死區(qū)時(shí)間td的關(guān)系如式(1)所示。

式中，cr、lr、ui分別為諧振電容、諧振電感、輸入電壓。

霍爾電流環(huán)采樣充電電流ir，由初始充電電流iavg和采樣電流ir可得到誤差信號(hào)如式(2)所示。

e(t)＝iavg-ir

(2)

死區(qū)時(shí)間通過(guò)式(3)所示的pi控制進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)線性恒流充電的功能。

式中，kp為比例系數(shù)，ti為積分系數(shù)。

控制器根據(jù)由式(3)所示的死區(qū)時(shí)間td和由式(4)所示的導(dǎo)通時(shí)間tr為串聯(lián)諧振電路產(chǎn)生所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，時(shí)間如式(5)所示，從而實(shí)現(xiàn)分段線性充電。

td＝td+tr

(5)

具體實(shí)施例如下：如圖1、圖2所示，本實(shí)施例一種分段線性電容器恒流充電電源采用了一種分段線性電容器恒流充電電路。設(shè)定直流電源ui＝320v，第一至第四功率開關(guān)管s1～s4選型為n溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管，變壓器t變比為40，諧振電感l(wèi)r的值為40uh，諧振電容cr的值為0.1uf構(gòu)成串聯(lián)諧振回路，d1～d4組成全橋整流電路，d5～d8為第一至第四二極管，cq為儲(chǔ)能電容器，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)芯片的型號(hào)為ir2112。

首先，對(duì)控制器進(jìn)行初始化操作，設(shè)置電源充電參考電壓uref和初始充電電流iavg，對(duì)充電區(qū)域進(jìn)行劃分。設(shè)置電源充電參考電壓uref＝9kv，iavg＝15a，快充系數(shù)k＝0.67，那么軟充電區(qū)域限位電壓us1＝6kv，uq＝[0，6kv]為快速充電區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)充電電流一直保持最大值。當(dāng)采樣電壓uq超過(guò)軟充電區(qū)域限位電壓us1時(shí)電源進(jìn)入軟充電區(qū)域，將軟充電區(qū)域劃分成3段：軟充1：us1<uq<us2，軟充2：us2<uq<us3，軟充3：us3<uq<uref，3個(gè)區(qū)域的限位電壓值分別為us1＝6kv、us2＝7kv、us3＝8kv。

然后，開機(jī)將采樣電壓uq和設(shè)定的電源充電參考電壓uref、3個(gè)軟充電區(qū)域限位電壓值us1，us2，us3分別作比較，判斷電源處于充電區(qū)域的哪個(gè)階段，在快速充電區(qū)域，控制器選取較小死區(qū)時(shí)間td＝3us，使充電電流保持較大值，快速充電，根據(jù)上述公式可得諧振時(shí)間tr＝25us，驅(qū)動(dòng)時(shí)間td＝28us。當(dāng)進(jìn)入軟充電區(qū)域，控制器判斷進(jìn)入軟充電區(qū)域的哪個(gè)階段，控制每段區(qū)域內(nèi)的死區(qū)時(shí)間逐漸增大，充電電流逐漸減小，逐漸降低充電的速率，使充電電壓平穩(wěn)的達(dá)到電源充電參考電壓值，從而提高充電的精度。當(dāng)電源進(jìn)入軟充1區(qū)域時(shí)，調(diào)整死區(qū)時(shí)間td＝5us，設(shè)定初始充電電流iavg＝13a；當(dāng)電源進(jìn)入軟充2區(qū)域時(shí)，調(diào)整死區(qū)時(shí)間td＝8us，設(shè)定初始充電電流iavg＝10a；當(dāng)電源進(jìn)入軟充3區(qū)域時(shí)，調(diào)整死區(qū)時(shí)間td＝10us，設(shè)定初始充電電流iavg＝8a；當(dāng)采樣電壓uq大于等于電源充電參考電壓uref＝9kv時(shí)，雙閉環(huán)控制模塊產(chǎn)生達(dá)值信號(hào)dzxh送入控制器，控制器接收到達(dá)值信號(hào)進(jìn)行關(guān)機(jī)停充操作。

本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的充電效果如圖3中的b曲線所示，與傳統(tǒng)電源充電技術(shù)相比如圖3中的a曲線所示，本發(fā)明提供的分段線性電容器充電電源可實(shí)現(xiàn)分段線性充電，在充電初期，電容電壓快速上升與傳統(tǒng)充電一致。在充電末期，電容電壓上升速度逐漸降低，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)達(dá)值的目的。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說(shuō)明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說(shuō)明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見(jiàn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說(shuō)明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。