一种用于高压电容充电电源的自适应优化充电方法

1.本发明涉及一种用于高压电容充电电源的自适应优化充电方法，尤其涉及一种基于lcc谐振变换器的改进基波等效模型的用于高压电容充电电源(ccps)的自适应优化充电(aoc)方法。


背景技术：

2.由于与传统的低频高压脉冲发生器相比，高压电容充电电源(ccps)具有更高的效率和功率密度，可以达到较好的稳态和动态性能，因此得到了日益广泛的应用。特别是，随着电力电子技术的快速发展，大功率高压电容充电电源(ccps)目前已成为x射线机、静电除尘器、等领域的关键设备。
3.lcc谐振变换器作为高压电容充电电源(ccps)的重要设备，具有较宽的负载范围，一定条件下可以在全功率范围内实现零电压开关，近年来得到了广大研究者的关注，成为了高压ccps的研究热点。
4.一般来说，高压ccps的lcc谐振变换器的主要建模方法包括时域建模、状态轨迹建模和基波近似法建模(fha)。其中，时域分析方法虽然可以准确描述变换器的每个状态，但由于该方法有大量的谐振元件和复杂的计算，很难获得输出电压和输出电流的具体表达式；状态轨迹分析可以反映变换器的详细工作状态，但是对于应用于高压ccps的lcc谐振变换器，在充电的初始阶段和结束时状态轨迹的范围是不同的。因此，基于状态轨迹分析的控制方法也需要大量的计算。综上，选取基波近似法(fha)建模。
5.一些研究表明，fha模型的预测误差主要来自于忽略高阶谐波和整流器和滤波电路的影响等。为了处理上述问题，一些研究人员提出了一些改进的基波近似等效模型。如将原边输入电压的高次谐波考虑在内，使模型更加精确；在建模时考虑了滤波电容和整流器二极管的作用等。然而，这些模型只考虑了带有小型滤波电容的电阻性负载，没有考虑实际的纯容性的充电负载。
6.专利文献1公开了一种高压电容器充电电源，其包括低压整流电路、桥式逆变电路、谐振电路、升压变压器和高压整流电路。低压整流电路用于将交流电进行ac/dc转换，输出直流电压，桥式逆变电路和谐振电路用于将直流电压进行谐振变换，输出双极性电压脉冲，升压变压器和高压整流电路用于将双极性电压脉冲变换成单极性电压脉冲，对高压电容器充电；桥式逆变电路由rsd开关单元构成，rsd开关单元包括由一个或多个rsd器件串联和/或并联组成的rsd堆体、反向截止二极管、反向保护二极管、第一可饱和磁开关和rsd预充电路。但专利文献1采用常规的充电方法，充电速度慢，开关频率变化范围大，对磁性元件利用率低。
7.因此，如何设计一种最快充电速度的负载为电容的lcc谐振变换器的充电方法成为亟待解决的问题。
8.现有技术文献
9.专利文献
10.专利文献1：cn201410348131.9


技术实现要素：

11.本发明为了解决传统cc充电方法的充电时间长、频率变化范围大、zvs范围窄等缺点。提出了一种基于改进型lcc谐振变换器的基波等效模型，并且提出了基于此模型的以开关的频率和最大工作电流为限制条件的最快充电方法。
12.本发明的目的包括：
13.(1)提出一种改进型lcc谐振变换器的基波等效模型；
14.(2)提出一种能实现为纯电容负载充电的自适应充电充电方法以提高充电速度；
15.(3)分析该充电方法的在充电速度，开关频率变化范围，温升上的优势。
16.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
17.(1)建立输出电流io和电压增益m和归一化开关频率fn的关系表达式；
18.(2)对充电的三个阶段进行分析，对开关频率上下限，最大开关电流进行求解；
19.(3)通过实验得到该充电方法的充电时间，开关频率变化范围和温升。
附图说明
20.以下结合附图和发明人实现的实施例作进一步详细说明。
21.图1为本发明提出的自适应优化充电的三个充电阶段。
22.图2为本发明所应用的lcc谐振变换器的改进型基波等效模型。
23.图3为本发明下的输出电流与电压增益在不同归一化的开关频率下的关系。
24.图4为本发明的基于lcc谐振变换器的ccps实验平台。
25.图5为本发明在恒流充电方法下的谐振电流和输出电压波形图。
26.图6为本发明在自适应优化充电方法下的谐振电流和输出电压波形图。
27.图7为本发明在恒流充电方法下功率半导体器件充电结束时的温度分布。
28.图8为本发明在自适应优化充电方法下功率半导体器件充电结束时的温度分布。
29.在附图中，各英文词汇对应的中文含义如下：
30.drvier：驱动器
31.carrier generator：载波发生器
32.start-up mode启动模式
33.stage：阶段
34.modulator：调制解调器
35.charging mode：充电模式
36.adaptive optimal charging mode：自适应优化充电模式
37.optimal calculation：优化计算
38.500w lcc resonant ccps prototype：500w lcc谐振ccps样机
39.capacitive load：电容负载
40.resonant capitor：谐振电容器
41.oscilloscope：示波器
42.half bridge modules and drivers：半桥模块和驱动器
43.auxiliary powersupply：辅助电源
44.dc power supply：电源
45.control board：控制板
46.hall and current sampling circuit：霍尔和电流采样电路
47.voltage sampling circuit：电压采样电路
48.step-up transformer：升压变压器
49.output voltage：输出电压
50.resonant current：谐振电流
51.temperture：温度
具体实施方式
52.本发明主要基于lcc谐振变换器电路拓扑图，提出的自适应充电方法主要有三个充电阶段，如图1所示。
53.充电第一阶段，在充电初期，为了有较快的充电速度以及较小的谐振电流有效值，采用固定开关频率f
s1
充电，直到输出电压达到u
ref1
。
54.充电第二阶段，充电第二阶段以最大充电速度为目标，建立了以功率守恒定理，开关最大工作电流，开关的最大开关频率，实现软开关的最小频率为限制条件，建立了目标函数和约束条件，通过求解其不同的输出电压值下的最大输出电流，以实现最快的充电速度。
55.功率守恒定理需要建立原副边的开关损耗模型，如式(1)-式(4)所示。
[0056][0057][0058][0059]
p
loss'
＝p
s_cond
p
s_off
p
d_cond
ꢀꢀꢀ
(4)
[0060]
基于损耗模型得到功率守恒表示为式(5)。
[0061][0062]
开关频率的范围如式(6)。
[0063]fsmin
《fs《f
smax
ꢀꢀꢀ
(6)
[0064]
最大的开关工作电流的限制可表示为式(7)。
[0065][0066]
通过以上式子可以求出不同的电压增益下最大的输出电流值以及此时对应的开关频率，通过调频控制实现最大充电速度。
[0067]
充电第三阶段，以间断式电流充电实现恒压充电，进入这一阶段的判断条件是输出电压达到u
ref
。当输出电压高于u
ref2
时，变换器工作，达到电压u
ref
，变换器停止工作，通过这样间断式工作提高了轻载时变换器的工作效率。
[0068]
本发明是基于lcc谐振变换器ccps的电路图，基于该电路图对高压ccps容性负载
充电时，根据负载不断变化的特性，建立改进型的基波等效模型如图2所示。由于其负载非阻性的特点，等效到原边的的负载电阻re和电容ce随着输出电压和电流的变化而发生改变，表达式为式(8)和式(9)。其中输入阻抗可以表示为式(10)。输出电流与变换器的电压增益和开关频率的关系如图3所示。
[0069][0070][0071][0072]
如图4所示，在500w的lcc谐振变换器ccps实验平台上验证本发明提出的用于高压电容充电电源的自适应优化充电方法，其实验结果如图6和8所示。具体地，图6采用本发明的自适应优化充电方法的谐振电流和输出电压波形，图8示出了采用本发明的自适应充电方法的开关器件的温度分布。
[0073]
同时，为了对比，示出了采用现有技术的技术效果。具体地，图5示出了现有技术的设置相同的开关最大电流应力，采用恒流充电的输出电压和谐振电流的波形；图7示出了现有技术的充电结束时，采用恒流充电策略的开关器件的温度分布。
[0074]
将图5与图6，图7与图8分别对比可知，本发明提出的自适应充电方法可以在不增加开关电流应力的同时实现更快的充电速度，和传统的恒流充电策略相比，可以节约40.8％的充电时间。本发明提出的自适应充电策略可以在不增加开关电流应力的同时实现更快的充电速度，此外，与恒流充电策略相比，其开关频率变化范围更小，充电结束时开关器件的温升更低。