一种主动能量注入的高速电流调制方法与流程

本发明涉及脉冲功率及精密电流控制领域，尤其涉及一种主动能量注入的高速电流调制方法。

背景技术：

1、高速电流调制技术是一种通过精确控制电流波形的上升、下降边沿时间和幅值变化来满足特定应用需求的电力电子技术，广泛应用于脉冲激光驱动、粒子束调制、高速电磁阀控制、高频开关电源、射频电源等需要快速电流切换的关键工程领域。在这些应用中，负载回路固有的等效串联电感是制约电流变化率的主要物理因素，直接影响系统的动态响应性能和控制精度。

2、现有技术中，高速电流调制主要采用被动适配回路电感的技术手段，包括被动降低电感路径、被动利用电感路径和间接优化控制路径。然而，现有技术采用被动适配方式，由于负载电流变化率仍受限于di/dt=v/l的物理极限，且受栅极驱动延迟、环路稳定性制约，导致现有方法无法实现纳秒级的电流跳变速度，电流变化率通常不超过0.5a/ns，电流上升/下降沿时间被限制在1-5μs范围内，控制精度不足且波形可编程能力缺失，无法满足高速、精确、可编程的性能需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种主动能量注入的高速电流调制方法，解决了现有技术由于采用被动适配方式，负载电流变化率仍受限于di/dt=v/l的物理极限，且受栅极驱动延迟、环路稳定性制约，导致现有方法无法实现纳秒级的电流跳变速度，电流变化率通常不超过0.5a/ns，电流上升/下降沿时间被限制在1-5μs范围内，控制精度不足且波形可编程能力缺失，无法满足高速、精确、可编程的性能需求的问题。

2、本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种主动能量注入的高速电流调制方法，包括以下步骤：

3、获取负载主功率回路的等效串联电感和负载的稳态工作压降，并接收目标电流波形指令，得到回路参数和波形指令；

4、将所述回路参数和所述波形指令输入指令计算模块，根据物理模型计算得到强制电压控制序列；

5、将所述强制电压控制序列输入预置高压源模块，控制预置高压源输出对应的稳定直流高压；

6、将所述强制电压控制序列输入时序控制模块，生成驱动高速开关矩阵的开关控制信号；

7、根据开关控制信号驱动高速开关矩阵，将所述稳定直流高压按照预定时序快速接入或切断负载回路，得到调制后的负载电流波形。

8、在一些实施例中，所述将所述回路参数和所述波形指令输入指令计算模块，根据物理模型计算得到强制电压控制序列，包括：

9、解析所述波形指令，获取目标电流值、目标上升沿时间和目标下降沿时间；

10、将所述目标电流值、目标上升沿时间、目标下降沿时间与所述等效串联电感和所述稳态工作压降输入指令计算模块，基于基尔霍夫电压定律建立物理模型；

11、通过所述物理模型计算得到强制建立电压和强制关断电压，所述强制建立电压对应目标上升沿，所述强制关断电压对应目标下降沿；

12、将所述强制建立电压和所述强制关断电压与对应的作用时间组合，生成强制电压控制序列。

13、在一些实施例中，所述物理模型为净电压与回路电感和电流变化率的关系式，所述指令计算模块根据所述物理模型计算强制建立电压和强制关断电压的过程包括：

14、计算目标电流变化率，将所述目标电流值除以所述目标上升沿时间得到上升电流变化率，将所述目标电流值除以所述目标下降沿时间得到下降电流变化率；

15、所述强制建立电压不小于所述上升电流变化率与所述等效串联电感的乘积加上所述稳态工作压降；

16、所述强制关断电压的幅值不小于所述下降电流变化率与所述等效串联电感的乘积。

17、在一些实施例中，所述指令计算模块支持高边强制拓扑、低边强制拓扑和双边强制拓扑，所述强制建立电压和强制关断电压的施加方式包括：

18、当采用高边强制拓扑时，所述强制建立电压对应于在负载高边施加正电压，所述强制关断电压对应于在负载高边施加负电压；

19、当采用低边强制拓扑时，所述强制建立电压对应于在负载低边施加负电压，所述强制关断电压对应于在负载低边施加正电压；

20、当采用双边强制拓扑时，所述强制建立电压对应于在负载高边施加正电压和在负载低边施加负电压的组合方式，所述强制关断电压对应于在负载高边施加负电压和在负载低边施加正电压的组合方式。

21、在一些实施例中，所述将所述强制电压控制序列输入时序控制模块，生成驱动高速开关矩阵的开关控制信号，包括：

22、将所述强制电压控制序列解析为波形时间图，获取电流上升时刻、电流上升维持时长、电流下降时刻和电流下降维持时长；

23、将所述波形时间图输入时序控制模块，所述时序控制模块包括控制器和时序逻辑电路；

24、所述时序逻辑电路根据所述波形时间图生成精确定时指令，所述精确定时指令包括开关动作时刻和开关状态信息；

25、所述控制器根据所述精确定时指令，在纳秒级精度时刻输出对应的开关控制信号，所述开关控制信号用于驱动所述高速开关矩阵中相应开关的导通与关断动作。

26、在一些实施例中，所述时序逻辑电路生成所述精确定时指令的过程包括：

27、根据所述电流上升时刻生成第一开关动作时刻，所述第一开关动作时刻对应将强制建立电压接入负载回路的时刻；

28、根据所述电流上升维持时长生成第二开关动作时刻，所述第二开关动作时刻对应将强制建立电压切断的时刻；

29、根据所述电流下降时刻生成第三开关动作时刻，所述第三开关动作时刻对应将强制关断电压接入负载回路的时刻；

30、根据所述电流下降维持时长生成第四开关动作时刻，所述第四开关动作时刻对应将强制关断电压切断的时刻；

31、将所述第一开关动作时刻、第二开关动作时刻、第三开关动作时刻和第四开关动作时刻与对应的开关标识进行组合，生成精确定时指令。

32、在一些实施例中，所述控制器为现场可编程门阵列或微控制单元，所述控制器输出所述开关控制信号的过程包括：

33、当到达电流上升时刻时，所述控制器输出第一组开关控制信号，所述第一组开关控制信号驱动对应强制建立电压的高速功率开关器件导通，同时驱动除所述对应强制建立电压的高速功率开关器件之外的高速功率开关器件关断；

34、当到达电流维持阶段时，所述控制器输出第二组开关控制信号，所述第二组开关控制信号驱动所有强制电压对应的高速功率开关器件关断，将负载回路切换至稳态供电模式；

35、当到达电流下降时刻时，所述控制器输出第三组开关控制信号，所述第三组开关控制信号驱动对应强制关断电压的高速功率开关器件导通，同时驱动除所述对应强制关断电压的高速功率开关器件之外的高速功率开关器件关断。

36、在一些实施例中，所述获取负载主功率回路的等效串联电感和负载的稳态工作压降，并接收目标电流波形指令，得到回路参数和波形指令，包括：

37、通过参数配置模块获取负载主功率回路的等效串联电感，所述等效串联电感包括从驱动源输出端到负载并返回的整个环路中导线分布电感、连接器电感、负载自身感性分量以及串入的小型电感元件的总和；

38、获取负载的稳态工作压降，所述稳态工作压降为负载在稳态工作条件下的电压降；

39、接收目标电流波形指令，所述目标电流波形指令包括目标电流值、目标上升沿时间和目标下降沿时间；

40、将所述等效串联电感和所述稳态工作压降作为回路参数输出，将所述目标电流波形指令作为波形指令输出，得到所述回路参数和所述波形指令。

41、在一些实施例中，所述将所述强制电压控制序列输入预置高压源模块，控制预置高压源输出对应的稳定直流高压，包括：

42、将所述强制电压控制序列输入预置高压源模块，所述预置高压源模块包括可编程直流电源，所述可编程直流电源用于解析所述强制电压控制序列中的电压值，确定需要预置输出的稳定直流高压等级；

43、所述可编程直流电源在系统初始化阶段根据所述电压值预先输出并稳定在所需电压值上，生成一个或多个稳定的直流高压，所述稳定直流高压包括正向预置电压和负向预置电压，所述正向预置电压用于提供强制建立电压，所述负向预置电压用于提供强制关断电压；

44、所述可编程直流电源对输出的每路预置电压进行稳定性控制，确保输出精度达到设定要求，并将稳定后的多路直流高压同时提供给高速开关矩阵模块。

45、在一些实施例中，所述根据所述开关控制信号驱动高速开关矩阵，将所述稳定直流高压按照预定时序快速接入或切断负载回路，得到调制后的负载电流波形，包括：

46、接收所述开关控制信号，所述高速开关矩阵包括多个高速功率开关器件，每个高速功率开关器件独立控制对应的一路稳定直流高压的接入或切断，所述高速功率开关器件为金属氧化物场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管；

47、根据所述开关控制信号驱动对应的高速功率开关器件执行导通或关断动作，单次切换动作时间达到纳秒级，在电流上升时刻将强制建立电压接入负载回路，在电流维持阶段将负载回路切换至稳态供电模式，在电流下降时刻将强制关断电压接入负载回路，通过预定时序的高速切换动作调制负载电流波形。

48、本发明的一种主动能量注入的高速电流调制方法相对于现有技术具有以下有益效果：

49、（1）本技术通过将负载主功率回路的等效串联电感和稳态工作压降输入指令计算模块，基于物理模型前馈计算生成强制电压控制序列；随后将强制电压控制序列输入预置高压源模块和时序控制模块，分别实现稳定直流高压的精确预置和高速开关矩阵驱动时序的精准控制，利用“计算-预置-切换”三级时间解耦架构突破传统被动适配回路电感的物理制约，将电流调制控制范式从“间接、被动适配”转变为“直接、主动控制”，从而将大电流跳变边沿速度从微秒级提升至纳秒级，电流变化率控制误差降低，电流上升/下降沿时间稳定控制到100ns以下，实现了高速、精确、可编程的负载电流调制控制；

50、（2）本技术通过将目标电流波形指令解析为目标电流值、目标上升沿时间和目标下降沿时间，输入指令计算模块并基于基尔霍夫电压定律建立物理模型；随后通过该物理模型精确计算目标电流变化率，将上升电流变化率与等效串联电感相乘并加上稳态工作压降得到强制建立电压，将下降电流变化率与等效串联电感相乘并加上稳态工作压降得到强制关断电压，并支持高边强制拓扑、低边强制拓扑和双边强制拓扑三种灵活的强制电压施加方式，利用物理模型前馈计算消除了传统试错调节的不确定性，通过多拓扑配置适配不同应用场景的电压耐受能力和控制精度需求，从而在器件耐压允许范围内获得最大的驱动电压差，实现了基于严格物理建模的精确、可预测、可配置的强制电压控制；

51、（3）本技术通过将强制电压控制序列解析为包括电流上升时刻、电流上升维持时长、电流下降时刻和电流下降维持时长的波形时间图，输入由时序逻辑电路和控制器组成的时序控制模块；随后时序逻辑电路根据波形时间图生成包括开关动作时刻和开关状态信息的精确定时指令，控制器接收精确定时指令后在纳秒级精度时刻输出对应的开关控制信号，支持现场可编程门阵列或微控制单元作为控制器实现，通过第一组开关控制信号驱动强制建立电压接入、第二组开关控制信号驱动稳态供电模式切换、第三组开关控制信号驱动强制关断电压接入的精确时序控制，利用硬件级定时精度突破了软件控制的时间精度瓶颈，将开关动作时序精度从微秒级提升到纳秒级，消除了传统方案中控制延迟和时序抖动对高速电流调制的影响。