一种非隔离串联补偿脉冲负载电源系统及控制方法

1.本发明涉及一种供电系统及控制方法，具体涉及一种非隔离串联补偿脉冲负载电源系统及其相对应的控制方法，属于电力电子变换及供电系统领域。


背景技术：

2.脉冲功率负载已经广泛应用于航空航天、工业、军事、环境保护等领域。它要求电源系统在提供脉冲电流的同时保持稳定的电压。
3.传统的脉冲负载电源采用无源功率解耦方式，通过增大电容等无源储能元件的容量来满足负载的需求，其缺点是一方面变换器在设计时按峰值功率设计，另一方面通过增大电容量来维持电压稳定，使得电源的体积重量增大，功率密度减小。
4.为了解决传统脉冲负载电源存在的问题，一些有源功率解耦拓扑被提出，例如专利(公开号：cn109217333a)将一个双向直流变换器并联在整流器的直流输出端，其另一端为电容等构成的储能单元。整流器提供平均稳态功率分量，当负载所需功率低于平均功率时，主电源高出的那部分能量经整流器和双向直流变换器被储存在储能单元中，当负载脉冲到来时储能单元再通过双向直流变换器释放能量进行补偿。这种方案的优点是整流器部分可按平均功率进行设计，储能单元中用作解耦的电容通过双向直流变换器与负载相连，允许较大的电压波动，因此所需电容容量较小，使得电源体积一定程度上减小。但这种方案也存在缺点，一方面脉冲功率分量需经过三级功率变换到达负载侧，导致该结构效率不高，另一方面双向变换器仍需按照峰值功率设计，仍然存在体积重量大的问题。专利(公开号：cn111030501a)在功率因数校正(pfc)变换器后级联直流变换器，再与负载相连。pfc变换器部分提供稳态平均功率分量，pfc变换器输出母线电容作为解耦电容，当负载所需功率低于平均功率时，母线电容储能，当负载所需功率高于平均功率时，母线电容放电。在这种方案中pfc变换器可按照平均功率设计，解耦电容通过直流变换器与负载相连，允许的电压波动较大，因此所需电容容量较小，使得电源体积也能够在一定程度上减小。但这种方案同样也存在一些缺点，在该结构中所有功率都需经过两级变换到达负载侧，使得整体效率较低，直流变换器部分仍需按照峰值功率进行设计，限制了该脉冲电源体积的进一步减小。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种非隔离串联补偿脉冲负载电源系统及控制方法。
6.本发明通过以下技术方案实现：
7.所述系统是由一个非隔离双路输出整流器和一个非隔离直流变换器组成的，非隔离双路输出整流器包括一个输入端和两个输出端，输出端1与非隔离直流变换器的输入端相连，非隔离直流变换器的输出端与非隔离双路输出整流器输出端2串联，作为总输出端与脉冲功率负载相连。
8.非隔离双路输出整流器两输出端电容按负载峰值功率和电压波动范围设计，电容
容量相对较大，主要起到功率解耦的作用，可允许较大的电压波动。非隔离直流变换器输出端电容只需按照滤除开关频率纹波的能力来进行设计，其值相对较小，该电容能够及时补偿非隔离双路输出整流器输出端2的电压波动，保证总输出电压的稳定。
9.部分能量经过非隔离双路输出整流器后从输出端1进入非隔离直流变换器，再从直流变换器输出端流入负载，共经过两级功率变换。部分能量经过非隔离双路输出整流器后从输出端2直接流入负载，只需经过一级功率变换。
10.非隔离双路输出整流器可采用以下两种方式实现：
11.方式1：采用一个集成的非隔离双路输出整流器同时提供一个输入端和两个输出端。
12.方式2：采用两个非隔离整流器共同提供一个输入端，各提供一个输出端，其中一个非隔离整流器输出端1连接至非隔离直流变换器的输入端，另一个非隔离整流器输出端2与非隔离直流变换器输出端串联后再与负载相连。
13.所述非隔离串联补偿脉冲负载电源系统的非隔离双路输出整流器具体控制过程描述如下：
14.非隔离双路输出整流器对输出端1电压峰值信号v
1 max
，输出端2电压峰值信号v
2 max
和输入电流信号i
in
进行实时采集，v
1 max
与v
2 max
相加得到非隔离双路输出整流器两输出端电压峰值之和v
max
。v
max
与电压基准信号v
ref1
相减得到误差信号v
1error
，经过电压调节器1调节后得到电流环参考信号i
inref
，该信号与输入电流信号i
in
做差后得到电流环误差信号i
error
，该误差信号经电流调节器后作为调制波信号v
m1
进入到脉冲调制器1中。同时，v
1 max
与电压基准信号v
ref2
相减得到误差信号v
2error
，该误差信号经电压调节器2后作为调制波信号v
m2
进入到脉冲调制器1中。经过脉冲调制器1调制后得到非隔离双路输出整流器的驱动控制信号，从而实现对两输出端电压和输入电流的调节。
15.所述非隔离串联补偿脉冲负载电源系统的非隔离直流变换器有控制方法描述如下：
16.非隔离直流变换器对总输出电压信号v
oall
进行实时采集，与电压基准信号v
ref
相减得到误差信号v
error
，经过电压调节器3、脉冲调制器2后得到非隔离直流变换器的驱动控制信号，从而实现对非隔离双路输出整流器输出端2电压波动补偿，保持总输出电压稳定。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.1、非隔离双路输出整流器输入电流与脉冲负载电流解耦，整流器可按平均功率进行设计。电源体积重量减小，功率密度增大。
19.2、采用本发明的结构，部分功率通过非隔离双路输出整流器的输出端2直接给负载供电，功率变换级数少，功率损耗小，系统效率高。
20.3、采用本发明的非隔离直流变换器控制，可以实现电压的快速补偿，精确控制总输出电压不变，因此非隔离双路输出整流器两个输出端电容允许的电压波动范围可以很大，电容体积减小，电路的功率密度增大。
附图说明
21.本说明书附图与本发明的实施例共同用于解释本发明，并给本发明提供进一步的理解，并不对本发明构成限制。
22.先给出附图中符号的含义：v
in
、v1、v2、v3、v
oall
分别代表电网输入电压、非隔离双路输出整流器输出端1电压、输出端2电压、非隔离直流变换器输出端电压、系统总输出电压；v
ref1
、v
ref2
分别代表非隔离双路输出整流器两输出端电压之和参考值、输出端1电压参考值；v
ref
代表总输出电压参考值；v
1max
、v
2max
分别代表非隔离双路输出整流器两输出端电压峰值；v
1error
、v
2error
分别代表非隔离双路输出整流器两输出端电压峰值之和与相应参考值相减的误差信号、非隔离双路输出整流器输出端1与相应参考值相减的误差信号；v
error
代表总输出电压与相应参考电压做差后的误差信号；i
in
、io分别代表电网电流、负载电流；i
inref
、i
error
分别代表经电压调节器1或2得到的输入电流参考值、输入电流与电流参考值做差后的误差信号；c1、c2、c3分别代表非隔离双路输出整流器输出端1电容、输出端2电容、非隔离直流变换器输出端电容；va～vc为三相交流电网的相电压；la～lc为滤波电感；s
x1
、s
x2
(x＝a，b，c)为t型三电平整流器对应的同一桥臂互补开关管；s
x3
、s
x4
(x＝a，b，c)为t型三电平整流器对应的续流箝位开关管；s1、d1、l1分别为buck变换器的开关管、续流二极管、输出滤波电感。
23.附图1为本发明非隔离串联补偿脉冲负载电源系统结构示意图；
24.附图2为本发明非隔离串联补偿脉冲负载电源系统的非隔离双路输出整流器实现方式1的结构示意图；
25.附图3为本发明非隔离串联补偿脉冲负载电源系统的非隔离双路输出整流器实现方式2的结构示意图；
26.附图4为非隔离双路输出整流器控制方式控制框图；
27.附图5为非隔离直流变换器控制框图；
28.附图6为本发明非隔离串联补偿脉冲负载电源系统具体实施实例电路拓扑图；
29.附图7为非隔离串联补偿脉冲负载电源系统具体实施实例的非隔离双路输出整流器输出端1电压v1、输出端2电压v2、非隔离直流变换器输出端电压v3、系统总输出电压v
oall
及负载电流io工作波形。
具体实施方式
30.为使本发明的目的，实施方案和优点清晰明了，下面结合附图对本发明进行详细的描述。以下所述仅用于具体说明，并不对本发明的范围限制。
31.如附图1所示为非隔离串联补偿脉冲负载电源系统结构示意图。所述电源系统由一个非隔离双路输出整流器和一个非隔离直流变换器组成。非隔离双路输出整流器包括一个输入端和两个输出端，输出端1与非隔离直流变换器的输入端相连，非隔离直流变换器的输出端与非隔离双路输出整流器输出端2串联，作为总输出端与脉冲功率负载相连。
32.非隔离双路输出整流器可采用两种方式实现：
33.方式1如附图2所示，该方法采用一个集成的非隔离双路输出整流器，同时提供一个输入端和两个输出端。集成的非隔离双路输出整流器拓扑类型多样，例如文献“nabae a，takahashi i，akagi h.a new neutral-point-clamped pwm inverter[j].ieee transactions on industry applications，1981，ia-17(5)：518-523.”提出的中点箝位型三电平变换器和专利(公开号：wo/2007/048420)提出的t型三电平变换器。
[0034]
方式2如附图3所示，该方法采用两个非隔离整流器共同提供一个输入端，各提供一个输出端，其中一个非隔离整流器输出端1连接至非隔离直流变换器的输入端，另一个非
隔离整流器输出端2与非隔离直流变换器输出端串联后再与负载相连，在这种方式中非隔离整流器可采用任意一种可控整流器实现，例如单相/三相全控桥式整流器等。
[0035]
本发明中的非隔离直流变换器可直接在基础变换器中广泛选取，如buck变换器等。
[0036]
本发明中非隔离双路输出整流器具体控制方法为：
[0037]
如附图4所示，非隔离双路输出整流器对输出端1电压峰值信号v
1 max
，输出端2电压峰值信号v
2 max
和输入电流信号i
in
进行实时采集，v
1 max
与v
2 max
相加得到非隔离双路输出整流器两输出端电压峰值之和v
max
。v
max
与电压基准信号v
ref1
相减得到误差信号v
1error
，经过电压调节器1调节后得到电流环参考信号i
inref
，该信号与输入电流信号i
in
做差后得到电流环误差信号i
error
，该误差信号经电流调节器后作为调制波信号v
m1
进入到脉冲调制器1中。同时，v
1 max
与电压基准信号v
ref2
相减得到误差信号v
2error
，该误差信号经电压调节器2后作为调制波信号v
m2
进入到脉冲调制器1中。经过脉冲调制器1调制后得到非隔离双路输出整流器的驱动控制信号，从而实现对两输出端电压和输入电流的调节。
[0038]
非隔离直流变换器控制框图如图附图5所示，非隔离直流变换器对总输出电压信号v
oall
进行实时采集，与电压基准信号v
ref
相减得到误差信号v
error
，经过电压调节器3、脉冲调制器2后得到非隔离直流变换器的驱动控制信号，从而实现对非隔离双路输出整流器输出端2电压波动补偿，保持总输出电压稳定。
[0039]
所述非隔离串联补偿脉冲负载电源系统相较于现有解决方案的创新点在于利用双输出整流器构造一个输出串联的结构，通过非隔离直流变换器的控制实现电压补偿，这与以往结构中的电流补偿形式不同。电压补偿的方式使得单个电容允许的电压波动范围可以很大，从而使得所需电容量减小，电源的体积重量减小，功率密度提高。该结构中部分能量只需经过单级变换到达输出，功率变换级数减小，效率提高。同时该电源系统非隔离整流器输入端与脉冲负载端电流解耦，因此非隔离整流器可按照平均功率进行设计，而非隔离直流变换器只流过部分功率，同时其输出电压等级很低，因此虽然其按照峰值功率设计，但实际上其设计功率并不高，因此电源的体积重量进一步减小，功率密度增大。
[0040]
如附图6所示为本电源系统的一个具体实施实例电路拓扑图，该拓扑中采用t型三电平整流器实现集成的非隔离双路输出整流器，采用buck变换器实现非隔离直流变换器。通过相应的控制来调节t型三电平整流器各相的互补管s
x1
、s
x2
(x＝a，b，c)和续流箝位管s
x3
、s
x4
(x＝a，b，c)的开通与关断，以此来控制输出端电压的波动范围和输入电流的波形质量。通过相应的控制来调节buck变换器开关管s1的开通与关断，使得buck变换器输出电压能够及时补偿非隔离双路输出整流器输出端2的电压变化，从而维持总输出电压不变。
[0041]
附图7所示为本实施例对应关键工作波形，依次为非隔离双路输出整流器输出端1电压v1、输出端2电压v2、非隔离直流变换器输出端电压v3、系统总输出电压v
oall
及负载电流io。负载电流处于谷值时，整流器输出电容充电使得电压上升，buck变换器输出电压下降；负载电流处于峰值时，整流器输出电容充电使得电压下降，buck变换器输出电压上升，从而保持总输出电压在整个工作周期内基本不变。
[0042]
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本技术领域的普通技术人员来说，在并不使相应的技术方案本质上脱离本发明的精神和原则之内，本发明可以有的各种修改、变化和替换，均应视为本发明的保护范围。