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能裝置，因此對電容器充電電源的研究具有重要的價值和意義。

目前，串聯(lián)諧振電容器充電電源，簡稱串聯(lián)諧振ccps，因其具有抗負載短路能力強、輸出電流恒定的優(yōu)點，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具有易于實現(xiàn)零電流開通關(guān)斷、平均充電電流恒定的特點，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，充電電流的速率無法得到控制。特別地，在大電流充電時，由于充電速率特別快，會造成充電電壓過沖，導(dǎo)致能源系統(tǒng)的達值精度降低，甚至損壞能源系統(tǒng)。

技術(shù)實現(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精度不高和過充的問題，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、測量采樣模塊、雙閉環(huán)控制模塊、控制器和驅(qū)動模塊；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、儲能電容器cq組成；所述測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能電容器cq兩端；所述雙閉環(huán)控制模塊連接測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)時間產(chǎn)生驅(qū)動信號及開機充電關(guān)機停充操作；所述驅(qū)動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)動信號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)生達值信號的電壓比較器，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個功率開關(guān)管s1～s4及4個二極管d5～d8組成的全橋逆變電路，lc諧振電路，變壓器t，由4個二極管d1～d4組成的全橋整流電路，儲能電容器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輸入端，電壓比較器的另一個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溝道增強型場效應(yīng)管。

所述控制電路中的驅(qū)動器的驅(qū)動芯片型號為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，可以對充電速率進行分段控制實現(xiàn)分段線性恒流充電，可以有效地防止充電過壓，同時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)明一個實施方式的控制流程圖。

圖3為本發(fā)明一個實施方式和傳統(tǒng)電源充電效果對比圖。

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：達值信號；uref：電源充電參考電壓；controller：控制器；driver：驅(qū)動模塊。

圖3中，a：傳統(tǒng)電源充電技術(shù)充電曲線；b：本發(fā)明一個實施例充電曲線；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。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，現(xiàn)結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

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、測量采樣模塊、雙閉環(huán)控制模塊、控制器和驅(qū)動模塊；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、儲能電容器cq組成；所述測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能電容器cq兩端；所述雙閉環(huán)控制模塊連接測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)時間產(chǎn)生驅(qū)動信號及開機充電關(guān)機停充操作；所述驅(qū)動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)動信號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)生達值信號的電壓比較器，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)果來判斷電源充電所屬的區(qū)域，進而逐漸改變死區(qū)時間減小充電電流，死區(qū)時間的改變是控制器根據(jù)初始充電電流iavg和采樣電流ir之間的誤差信號進行pi控制實現(xiàn)的，通過發(fā)送驅(qū)動信號經(jīng)驅(qū)動模塊放大后驅(qū)動原邊全橋串聯(lián)諧振模塊工作，改變充電電流以使充電電壓平穩(wěn)的達到電源充電參考電壓值，實現(xiàn)分段線性恒流充電的功能；另一方面通過電壓比較器將采樣電壓uq與電源充電參考電壓uref進行比較，當采樣電壓uq大于電源充電參考電壓uref時產(chǎn)生達值信號dzxh輸入控制器，控制器接收到達值信號dzxh進行關(guān)機停充操作。

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)時間，采用大電流充電。當采樣電壓uq>us1時，電源充電進入軟充電區(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，控制器通過增大死區(qū)時間使每段區(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)的達到電源充電參考電壓值，從而改變充電電流的大小以此達到改變充電速率的目的。具體死區(qū)時間由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)實際確定。初始充電電流iavg大小與死區(qū)時間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可得到誤差信號如式(2)所示。

e(t)＝iavg-ir

(2)

死區(qū)時間通過式(3)所示的pi控制進行調(diào)整以實現(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)時間td和由式(4)所示的導(dǎo)通時間tr為串聯(lián)諧振電路產(chǎn)生所需的驅(qū)動信號，時間如式(5)所示，從而實現(xiàn)分段線性充電。

td＝td+tr

(5)

具體實施例如下：如圖1、圖2所示，本實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溝道增強型場效應(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為儲能電容器，驅(qū)動器驅(qū)動芯片的型號為ir2112。

首先，對控制器進行初始化操作，設(shè)置電源充電參考電壓uref和初始充電電流iavg，對充電區(qū)域進行劃分。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。當采樣電壓uq超過軟充電區(qū)域限位電壓us1時電源進入軟充電區(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個區(qū)域的限位電壓值分別為us1＝6kv、us2＝7kv、us3＝8kv。

然后，開機將采樣電壓uq和設(shè)定的電源充電參考電壓uref、3個軟充電區(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)域的哪個階段，在快速充電區(qū)域，控制器選取較小死區(qū)時間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間tr＝25us，驅(qū)動時間td＝28us。當進入軟充電區(qū)域，控制器判斷進入軟充電區(qū)域的哪個階段，控制每段區(qū)域內(nèi)的死區(qū)時間逐漸增大，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)的達到電源充電參考電壓值，從而提高充電的精度。當電源進入軟充1區(qū)域時，調(diào)整死區(qū)時間td＝5us，設(shè)定初始充電電流iavg＝13a；當電源進入軟充2區(qū)域時，調(diào)整死區(qū)時間td＝8us，設(shè)定初始充電電流iavg＝10a；當電源進入軟充3區(qū)域時，調(diào)整死區(qū)時間td＝10us，設(shè)定初始充電電流iavg＝8a；當采樣電壓uq大于等于電源充電參考電壓uref＝9kv時，雙閉環(huán)控制模塊產(chǎn)生達值信號dzxh送入控制器，控制器接收到達值信號進行關(guān)機停充操作。

本發(fā)明一個實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，實現(xiàn)平穩(wěn)達值的目的。

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