[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

本發明屬于高壓直流電源相關設備領域，并公開了一種高壓直流電源的寬范圍調壓和穩壓控制系統，其包括被控對象，采樣模塊，控制模塊和信號變換模塊，其中對被控對象和控制模塊的具體組成結構及工作算法等多個方面做出優化設計。通過本發明，可通過數字控制實現輸出電壓從幾百伏到數千伏范圍的連續調壓，同時整體電壓控制不依賴系統的精確模型，輸出電壓精度高，且系統的動態響應性、穩定性和魯棒性高；相應有效解決了現有的寬范圍調壓需通過復雜電路拓撲才能實現的困境，彌補了現有高壓直流電源穩壓控制方案的低精度和低魯棒性的不足。

技術領域

本發明屬于高壓直流電源相關設備領域，更具體地，涉及一種高壓直流電源的寬范圍調壓和穩壓控制系統。

背景技術

高壓直流電源在許多領域中發揮著重大作用，如軍事領域的雷達發射器，研究領域的等離子體物理設備，醫療領域的X光機和CT機，工業領域的靜電噴涂和靜電紡絲等都有高發直流電源的身影。高壓直流電源通過幾十年的發展，目前已經到數字化控制階段，即通過單一的數字芯片實現高壓直流電源系統的整體控制。

目前，由于工況要求，需要高壓直流電源能夠從幾百伏到幾千伏的寬范圍連續調壓，且保證輸出電壓穩定和高精度，因此近年來，國內外在高壓直流電源的寬范圍調壓拓撲和穩壓控制方案上進行了一些研究。例如，在調壓拓撲上，CN200710124704.X公布了一種寬范圍調壓電路及寬范圍實現方法，其通過降壓型變換器和升壓型變換器的有效結合來拓寬調壓范圍；在穩壓控制方案上，CN201510996778.7公布了一種DC-AC逆變器離散控制和預測控制方法，其通過建立能夠體現逆變器混雜特性的離散時間狀態空間模型，解決了傳統控制方案中忽略PWM脈寬周期內系統動態行為的缺點，為預測控制方案設計提供模型基礎。

然而，進一步的研究表明，上述現有技術仍然具備以下的缺陷或不足：首先，目前在寬范圍調壓實現的過程中，大多基于模擬調壓進行拓撲創新研究，從而來實現更寬范圍的調壓，這樣的實現方法復雜且調壓范圍有限。；其次，在輸出電壓穩壓控制方面，基于傳統的PID控制的數字高壓直流電源，其在控制參數整定過程中對系統建模的精確性要求高，由于系統組成復雜，很難建立準確描述系統的數學模型，又基于開關電源技術的高壓直流電源系統的非線性、系統元件參數的波動、負載和輸入電壓的變化等會導致PID控制器的控制不準確；最后，由于系統的操作環境、輸入電壓范圍等都會隨機切換，固定的PID控制參數很難適應環境的變化，系統魯棒性不高。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種高壓直流電源的寬范圍調壓和穩壓控制系統，其中通過對該系統的整體電路組成以及關鍵組成元件如控制模塊等的具體組成構造及算法機理等方面作出改進，相應能夠通過數字控制實現高壓直流電源系統寬范圍調壓，其在單一數字芯片控制下，實現輸出電壓從幾百到數千伏的連續調節，同時在輸出電壓穩壓控制上不依賴系統的精確模型，保證輸出電壓高精度和系統的高穩定性、高動態響應性和魯棒性。

為實現上述目的，按照本發明，提供了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、采樣模塊、控制模塊和信號變換模塊，其特征在于：

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

所述采樣模塊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獲取高壓輸出信號，然后輸出為低幅值的采樣信號；