[發明專利]一種高壓直流電源的寬范圍調壓和穩壓控制系統

有效

• 申請號: 201811098231.5
• 申請日: 2018-09-20
• 公開（公告）號: CN109412415B
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發明（設計）人: 陳建魁;譚萬州;黎波
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H02M3/28
• 分類號: H02M3/28
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 梁鵬;曹葆青

1.一種高壓直流電源的寬范圍調壓和穩壓控制系統，該系統包括被控對象(1)、采樣模塊(2)、控制模塊(3)和信號變換模塊(4)，其特征在于：

所述被控對象(1)包括依次電路相連的全橋逆變諧振變換器(11)、全橋母線電壓控制器(12)、變壓器(13)和倍壓整流器(14)，其用于輸入電壓Uin，最后輸出高壓直流電Uo；

對于所述全橋逆變諧振變換器而言，當輸入至此的電壓變化小時，其采用LCC諧振變換器作為諧振電路；而當輸入至此的電壓變化大時，其采用LLC諧振變換器作為諧振電路；

所述全橋母線電壓控制器的開關管控制方式為PWM控制方式，與此相應地，所述全橋逆變諧振變換器的開關管控制方式優選為PFM控制方式；

對于所述全橋逆變諧振變換器而言，它的開關管的調節頻率的范圍采用以下公式來計算及確定：

其中，Y表示該全橋逆變諧振變換器(11)的電壓增益，n表示所述變壓器(13)的電壓增益，m表示所述倍壓整流器(14)的電壓增益，θ為所述倍壓整流器(14)中二極管的導通角，C_GD為并聯諧振電容與串聯諧振電容之比，Q為諧振回路品質因數，f_G為LLC和LCC諧振變換器的歸一化頻率，β為變壓器次級及其之后部分組成的二端口網絡的基波電壓與基波電流之間的相位差，且β＝-25sinθ；

所述采樣模塊(2)包括高壓信號到低壓信號的變換隔離電路，并用于對所述倍壓整流器(14)獲取高壓輸出信號，然后輸出為低幅值的采樣信號；

所述控制模塊(3)包括AD轉換器(31)、模糊控制器(323)、模糊推理器(324)、PID控制器(325)、預測補償器(33)、EPWM產生器(34)，其中該AD轉換器(31)與所述采樣模塊的輸出端相連，并將采樣信號轉換成對應的數字量后，與預設的系統輸出目標電壓AD轉換值Uset進行差值運算，由此得到誤差值e以及該誤差值隨著時間變化的誤差變化率de/dt；該模糊控制器(323)與所述AD轉換器(31)信號相連，將數域內的誤差值e和誤差變化率de/dt分別轉換成模糊域內的E和EC，通過模糊域內的模糊規則完成模糊推理，得出模糊域內的PID三個控制參數Kf、Tif和Tdf，最后通過模糊判決將模糊域內的三個控制參數轉換到數域的K、Ti、Td，即獲得對應的PID控制參數，然后發送給所述PID控制器(325)；該PID控制器(325)用于將代表PWM占寬比的數值輸入到所述預測補償器(33)進行數字延時補償，并計算得出新的PWM占寬比，然后經由所述EPWM產生器產生對應的低電平PWM信號；

具體的，所述PID控制參數的計算過程為：首先通過建立系統開環傳遞函數模型，在沒有PID控制環節的情況下分析其Bode圖，并根據奎斯特穩定性判據對系統穩定性的要求，對Bode圖進行校正，從校正后的系統傳遞函數中可以得到PID基本控制參數的值；接著，所述模糊控制器(323)對該PID基本控制參數進行處理，由此得出整定后的PID控制參數；

所述信號變換模塊(4)用于將所述低電平PWM信號經過電壓變換后產生高電平的PWM信號，然后輸入到所述全橋逆變諧振變換器(11)和所述全橋母線電壓控制器(12)的控制端，由此實現對整個系統的閉環控制；

本系統的調壓模式設定如下：當用戶設定電壓大于輸出端實際輸出電壓時，開始時采用全橋母線控制器進行調壓，當全橋母線控制器開關管脈寬調節到最大時，此時啟動全橋調頻調壓方式，直到實際輸出電壓達到用戶設定電壓為止；當用戶設定電壓小于輸出端實際輸出電壓時，開始時采用全橋母線控制器調壓方式，當全橋母線控制器開關管脈寬調節到最小時，此時啟動全橋調頻調壓方式，直到實際輸出電壓達到用戶設定電壓為止。

2.如權利要求1所述的系統，其特征在于，輸入至所述全橋母線電壓控制器(12)的電壓可以為直流電，或者是交流電經過變換得到的直流電。

3.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述全橋母線電壓控制器(12)優選為Buck降壓型變換器或者Boost升壓型變換器，并且其用于控制所述全橋逆變諧振變換器(11)的母線電壓的數值大小。

4.如權利要求1所述的系統，其特征在于，對于所述全橋逆變諧振變換器而言，其所輸出的電壓經過所述變壓器和倍壓整流器變換后，輸出為幅值為千伏級的高壓直流電。

5.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述全橋母線電壓控制器的開關管的開關頻率量級優選被設置為千赫茲級；相應地，所述全橋逆變諧振變換器的開關管的最高開關頻率優選被設置為所述全橋母線電壓控制器的開關管的開關頻率的十倍以上。