一种宽电压启动系统及其启动控制方法

技术领域

本发明涉及自适应电压启动技术领域，更具体地说，本发明涉及一种宽电压启动系统及其启动控制方法。

背景技术

随着电力系统技术的日常使用，一些家电设备、工作机器设备，使用家用电220V电压进行启动，并且负载设备的使用，通过安装的线路开关、电容、电阻及继电器进行线路保护，但是对于部分的大功率、小功率设备，家用电的标准电压存在输出电流过大损坏设备和输出电流过小，带动不了负载运行，因此，符合功率不同的负载设备使用，需要提供一个稳定的、可变通使用的宽电压启动开关。

现有的宽电压启动系统用于负载设备的电机端进行自适应电压，通常现有的汽车行业，使用较为广泛，宽电压对于交流输入的由低至高电压之间的电压波动，具有良好的适应性，能够保证在用电高峰和供电不足的情况下，保证负载设备的正常运转，目前，宽电压启动系统，通过安装控制器和DC-DC开关电源及三极管连接LLC变换器，对负载线路中的电流和电压进行控制、调节及驱动电路，采用调节手动开关控制的启动方法进行调控，具有提供稳定电源、启动性能好及转换效率好的特点。

但是，现有的宽电压启动系统存在启动电路安装简单，负载设备使用过程中存在硬开关控制启动电压，功率损耗大，高温环境电压不稳定，导致线路故障的问题；以及存在线路拓扑结构的单一化，产生电流故障时，不能自动调节拓扑线路，和不能通过调控脉冲宽度及调节开关两端电压、电流进行启动宽电压调制的问题。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种宽电压启动系统，通过采用CLLC变压器的串联拓扑电路，可ZVS开关与PWM软开关双重控制启动宽电压系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种宽电压启动系统，双向CLLC变压器模块，进行双向变换输出负载使用的目标电压，并且把线路中双向流通的模拟信号有线传输到MKP电容器谐振网络模块和串联拓扑电路模块进行拓扑结构、电流调节控制；

MKP电容器谐振网络模块，是接收串联拓扑电路模块在线路中给负载提供调节电压幅度使用后，对线路中的电流进行吸收和整流处理，它与双向CLLC变压器模块采用串联的形式，与负载使用线路系统连接在串联拓扑电路模块中，进行宽电压的启动调控；

串联拓扑电路模块，是CLLC变压器、MKP电容器、传感器及处理器按照串联形式组成拓扑结构，触动ZVS开关启动模块和PWM软开关启动模块进行负载电压的启动控制；

ZVS开关启动模块，是对接收串联拓扑电路模块中检测线路的电压；所述ZVS开关启动模块包括栅极电压、二极管及正反馈启动；

所述栅极电压是由金属丝组成筛网状及螺旋状电极两端的电压量，用于控制电子流从源极流向漏极，是控制物理栅的开关；

所述二极管是用半导体材料制备成的电子器件，用在连接导通负载线路，具有单向导电性能，在二极管上的阳极加上正向电压，就能通过二极管接通线路，将电流从阳极流向阴极；所述正反馈启动是在ZVS开关的自激电路部分通过线路中的电流与电压差值的感应，进行了正反馈启动的作用；

当ZVS开关启动模块接通时，两端电压值为零，消除电路中电流、电压的重叠及消除开关损耗；

PWM软开关启动模块，是对接收串联拓扑电路模块中检测线路的电压，采取脉冲宽度调制PWM方法进行调制，通过控制电感电流方向控制能量的流向，以此改变电路中电压的大小和输出频率。

进一步的，所述双向CLLC变压器模块包括电压感应器收发信号、电压控制器调频变压及相位补偿器补偿误差电压，所述电压感应器收发信号是在负载电路中连接的电压传感器，用于计算和检测线路中的电压量，通过接收电压的模拟信号进行判断直流电和交流电，并把接收的信号输出到电源开关进行控制，其中，电压传感器提供正弦、脉冲列、幅值调制、脉冲宽度调制及频率调制作为输出；所述电压控制器调频变压是在负载线路的开环频率响应处，提供超前相位，补偿和抵消负载的滞后相位，用于调节频率获取宽的频带，加快线路负载响应速度；所述相位补偿器补偿误差电压是在线路中电压控制器调频变压进行补偿相位后，通过自动切换线路，消除相位差，以及触发脉冲的相位来控制直流输出电压进行自控，用于改变负载线路的相移，补偿运放相位之后的作用。

进一步的，所述MKP电容器谐振网络模块包括MKP电容器整流滤波，所述MKP电容器整流滤波是利用MKP电容器在负载线路中使用的低压调谐滤波及高压高频脉冲状态中，进行整流吸收，具体为在负载线路开关启动时，负载使用产生电磁干扰通过线路传输到谐振网络中，造成线路干扰信号，此时，接通在负载线路中的MKP电容器能够抑制和吸收电磁干扰信号，通过对线路中的电流起到直流支撑、吸收纹波、完成交流分量的回路，以及对直流母线上产生自激振荡的回路上纹波电压和纹波电流进行滤波平滑处理。

进一步的，所述串联拓扑电路模块包括DC-DC电源和AC-DC电源，所述DC-DC电源是在直流电路中，将一个电压值的电能转变为另一个电压值的电能的，连接在负载线路中的稳压电源电子元件，用于升降电压的变换及直流电与直流电之间的转换，在线路中通过消耗功率采取过压保护电路；所述AC-DC电源是交流电源，经过负载线路中的高压整流滤波得到直流高压，给CLLC变换器在输出端获得稳定的直流电压，根据串联拓扑电路的结构连接，提高电能的使用效率和降低电源的自身功耗，AC-DC电源和DC-DC电源是协同工作使用，对负载线路中的电源功率、滤波除杂、脉冲宽度及有无功率使用，均会产生影响且自动化调控。

进一步的，所述PWM软开关启动模块包括调压式功率启动、增压式功率启动及电容式功率启动，其中，PWM软开关是通过用脉冲宽度按正弦规律变化和正弦波等效的PWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值，则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值进行控制电压开关，所述调压式功率启动分为线性调压式驱动和脉宽调制调压式驱动两种，其中，线性调压方式是通过对驱动电压进行线性调节，获得驱动电流；脉宽调制方式是通过对驱动电压进行脉宽调制，获得驱动电流；所述增压式功率启动是利用增压电路提供远大于额定电压的驱动电压，使线圈中的电流极速上升，开关启动后，增压模块提供低电压维持电压开关打开，增压模块提供快速、可预知及不受电压变化影响的线圈电流上升波形，保证电压开关开启和关闭的一致性；所述电容式功率启动通过高压电容放电驱动电压开关，高电容电压提供给电磁线圈瞬态高变化速率的电流，使控制开关到达指定位置，电压开关开启后，线路提供低电压维持开启状态。

上述宽电压启动系统的启动控制方法，包括具体步骤如下：

S1、首先选择双向CLLC变压器、半桥、二极管及MKP电容器电子元件，串联拓扑成宽电压运行电路；

S2、然后，一方面在电路中采用ZVS硬开关进行调控宽电压启动控制；

S3、另一方面，则是通过网络通信技术，调控PWM进行软开关调控宽电压启动控制；

S4、最后，在调控过程中，采用机器学习算法中智能训练最优轨迹控制SOTC的算法，进行控制启动电流；

S5、其中，SOTC算法将CLLC运行状态分解为多个线性状态，求解各状态的等效电路方程，建立变换器的广义数值模型，控制动态过程的轨迹，并对各状态变量和输出进行预测计算。

在一个优选地实施方式中，所述宽电压启动开关系统中采用的双向CLLC谐振变换器的拓扑结构，在各种负载的线路连接工作环境下能获得宽的输出电压调节范围，实现开关系统的软开关，CLLC采用原边移相控制、副边移相控制以及原副边之间的移相控制方式进行启动控制，而串联CLLC变压器拓扑图能够降低开关器件的电压应力。

本发明的技术效果和优点：

本发明具体采用双向CLLC变压器模块用于调节宽电压，ZVS开关启动模块和PWM软开关启动模块的双重软开关，启动宽电压的负载线路使用系统，实现了CLLC变压器的串联拓扑电路进行宽电压的变换，ZVS开关与PWM软开关双重控制启动宽电压系统的低功率损耗启动功能，达到了软开关控制启动电压，功率损耗低，高温环境电压稳定，以及通过调控脉冲宽度、ZVS开关两端电压、电流进行自动启动宽电压调制的效果。

附图说明

图1为本发明的宽电压启动系统框图。

图2为本发明的双向CLLC变压器模块图。

图3为本发明的MKP电容器谐振网络模块图。

图4为本发明的串联拓扑电路模块图。

图5为本发明的ZVS开关启动模块图。

图6为本发明的PWM软开关启动模块图。

图7为本发明的宽电压启动系统的启动控制方法流程图。

图8为本发明的双向CLLC变压器线路图。

图9为本发明的串联CLLC变压器拓扑图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了如图1所示一种宽电压启动系统，包括双向CLLC变压器模块，是在CLLC变压器副边配置谐振腔，集成高频电路中电子元件一体化，具体采用平面磁芯结构，矩阵式布置四个绕线柱，四个绕线柱分别与副边串联连接，且绕组采用PCB实现完成集成，进行双向变换输出负载使用的目标电压，用于接通线路减少高频功率使用的损耗，实现软开关启动的调控，并且把线路中双向流通的模拟信号有线传输到MKP电容器谐振网络模块和串联拓扑电路模块进行拓扑结构、电流调节控制；

MKP电容器谐振网络模块，是接收串联拓扑电路模块在线路中给负载提供调节电压幅度使用后，是将MKP谐振电容塑封集成到模块中，交流金属化聚丙烯膜滤波电容接入整流桥堆的引脚上，对线路中的电流进行吸收和整流处理，用于把线路中负载使用的高频交流电产生高频交变磁场造成电磁干扰和存在的线路热能危害进行吸收与阻燃，保护线路安全，它与双向CLLC变压器模块采用串联的形式，与负载使用线路系统连接在串联拓扑电路模块中，进行宽电压的启动调控；

串联拓扑电路模块，是将启动系统线路使用的电子元件，包括电阻、负载、开关及极管导线，且与CLLC变压器、MKP电容器、传感器及处理器，按照串联形式组成拓扑结构，具有提高系统的增益、带宽及减少干扰的特点，串联拓扑电路模块把负载使用的线路中产生的模拟信号通过传感器传输到处理器进行处理和反馈，触动ZVS开关启动模块和PWM软开关启动模块进行负载电压的启动控制；

ZVS开关启动模块，是对接收串联拓扑电路模块中检测线路的电压，启动持续谐振，根据线路栅极电压中传输的电流、感应电压值的差异形成正反馈，进而完成自动化启动过程，当ZVS开关接通时，两端电压值为零，消除电路中电流、电压的重叠及消除开关损耗，目的是提高电源效率，降低谐振电源损耗，对负载线路进行启动控制；

PWM软开关启动模块，是对接收串联拓扑电路模块中检测线路的电压，采取脉冲宽度调制PWM方法，根据线路中承载的载荷变化进行晶体极管的基极和栅极的偏置进行调制，通过控制电感电流方向控制能量的流向，以此改变电路中电压的大小和输出频率，用于对负载线路进行启动控制。

如图2本实施例中，具体说明的是所述双向CLLC变压器模块包括电压感应器收发信号、电压控制器调频变压及相位补偿器补偿误差电压，所述电压感应器收发信号是在负载电路中连接的电压传感器，用于计算和检测线路中的电压量，通过接收电压的模拟信号进行判断直流电和交流电，并把接收的信号输出到电源开关进行控制，其中，电压传感器提供正弦、脉冲列、幅值调制、脉冲宽度调制及频率调制作为输出；所述电压控制器调频变压是在负载线路的开环频率响应处，提供超前相位，补偿和抵消负载的滞后相位，用于调节频率获取宽的频带，加快线路负载响应速度；所述相位补偿器补偿误差电压是在线路中电压控制器调频变压进行补偿相位后，通过自动切换线路，消除相位差，以及触发脉冲的相位来控制直流输出电压进行自控，用于改变负载线路的相移，补偿运放相位之后的作用。

如图3本实施例中，具体说明的是所述MKP电容器谐振网络模块包括MKP电容器整流滤波，所述MKP电容器整流滤波是利用MKP电容器在负载线路中使用的低压调谐滤波及高压高频脉冲状态中，进行整流吸收，具体为在负载线路开关启动时，负载使用产生电磁干扰通过线路传输到谐振网络中，造成线路干扰信号，此时，接通在负载线路中的MKP电容器能够抑制和吸收电磁干扰信号，通过对线路中的电流起到直流支撑、吸收纹波、完成交流分量的回路，以及对直流母线上产生自激振荡的回路上纹波电压和纹波电流进行滤波平滑处理。

如图4本实施例中，具体说明的是所述串联拓扑电路模块包括DC-DC电源和AC-DC电源，所述DC-DC电源是在直流电路中，将一个电压值的电能转变为另一个电压值的电能的，连接在负载线路中的稳压电源电子元件，用于升降电压的变换及直流电与直流电之间的转换，在线路中通过消耗功率采取过压保护电路；所述AC-DC电源是交流电源，经过负载线路中的高压整流滤波得到直流高压，给CLLC变换器在输出端获得稳定的直流电压，根据串联拓扑电路的结构连接，提高电能的使用效率和降低电源的自身功耗，AC-DC电源和DC-DC电源是协同工作使用，对负载线路中的电源功率、滤波除杂、脉冲宽度及有无功率使用，均会产生影响且自动化调控。

如图5本实施例中，具体说明的是所述ZVS开关启动模块包括栅极电压、二极管及正反馈启动，所述栅极电压是由金属丝组成筛网状及螺旋状电极两端的电压量，用于控制电子流从源极流向漏极，是控制物理栅的开关，用于降低栅极驱动电路的损耗；所述二极管是用半导体材料制备成的电子器件，用在连接导通负载线路，具有单向导电性能，在二极管上的阳极加上正向电压，就能通过二极管接通线路，将电流从阳极流向阴极，而二极管的传导使用会造成传统负载线路中的开关损耗，具体为线路中的高电平端导通开合时，高脉动电流通过低电平端的二极管，反向恢复损耗大，采用ZVS开关则降低二极管的开关损耗；所述正反馈启动是在ZVS开关的自激电路部分，当一侧的MOS晶体管的Vds开始谐振下降的时候，二极管和上拉电阻会在电压谐振到比较低的时候逐渐开启另一侧的MOS晶体管，而开启的MOS晶体管会通过另一个二极管逐渐关闭这一侧的MOS晶体管，相对慢的Vds下降，比较大的MOS晶体管门极电阻还有米勒平台效应给了两个MOS晶体管的共通时间，完成了正常的换向，通过线路中的电流与电压差值的感应，进行了正反馈启动的作用。

如图6本实施例中，具体说明的是所述PWM软开关启动模块包括调压式功率启动、增压式功率启动及电容式功率启动，其中，PWM软开关是通过用脉冲宽度按正弦规律变化和正弦波等效的PWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值，则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值进行控制电压开关，所述调压式功率启动分为线性调压式驱动和脉宽调制调压式驱动两种，其中，线性调压方式是通过对驱动电压进行线性调节，获得驱动电流；脉宽调制方式是通过对驱动电压进行脉宽调制，获得驱动电流；所述增压式功率启动是利用增压电路提供远大于额定电压的驱动电压，使线圈中的电流极速上升，开关启动后，增压模块提供低电压维持电压开关打开，增压模块提供快速、可预知及不受电压变化影响的线圈电流上升波形，保证电压开关开启和关闭的一致性；所述电容式功率启动通过高压电容放电驱动电压开关，高电容电压提供给电磁线圈瞬态高变化速率的电流，使控制开关到达指定位置，电压开关开启后，线路提供低电压维持开启状态。

如图7本实施例提供一种宽电压启动系统的启动控制方法，具体包括步骤如下：

S1、首先选择双向CLLC变压器、半桥、二极管及MKP电容器电子元件，串联拓扑成宽电压运行电路；

本实施例中，具体说明的是所述CLLC变压器是在变换器的副边添加谐振电感和谐振电容，使得能量双向流动的过程中变换器的结构完全相同，实现了原边开关管的ZVS与副边开关管的ZCS，当负载线路功率正向流动时，变压器原边的开关管将直流电压逆变成交流，从而可以通过变压器将功率传输到变压器的副边，对于双向CLLC变压器的控制采用增加谐振电流采样电路，引入均流控制，调节各模块的运行参数，为了能采用固定开关频率，将变谐振电容、变谐振电感的方式用于均衡控制，通过改变谐振元件的参数控制串联CLLC变压器的谐振电流及输出电压。

S2、然后，一方面在电路中采用ZVS硬开关进行调控宽电压启动控制；

本实施例中，具体说明的是所述ZVS是零电压开关，提高电源效率，在开关切换状态过程中，负载线路存在短暂的过渡期，在开关导通时，因为电压的作用产生电流，因此，功率P＝U

S3、另一方面，则是通过网络通信技术，调控PWM进行软开关调控宽电压启动控制；

本实施例中，具体说明的是所述PWM是模拟控制方式，通过相应载荷的变化来调制晶体管基极和MOS晶体管导通时间的改变，实现开关稳压电源输出的改变，保证了负载线路使用的电压恒定，具体控制是使输出端得到幅值相等但宽度不同的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波，关于脉冲信号的调制则是通过传感器和处理器经过对模拟信号的传输、采集、处理及控制，进而进行调节脉冲宽度，提高负载线路使用电压的宽度。

S4、最后，在调控过程中，采用机器学习算法中智能训练最优轨迹控制SOTC的算法，进行控制启动电流；

本实施例中，具体说明的是所述SOTC是会计算出目标负载应有的开关周期，并直接加入电压环输出的结果当中，此方法在动态负载的处理上比起只依赖控制器进行控制的方式更快速，可以使系统强制跳转工作状态到接近的目标值，再由控制器接手后续的稳态控制。

S5、其中，SOTC算法将CLLC运行状态分解为多个线性状态，求解各状态的等效电路方程，建立变换器的广义数值模型，控制动态过程的轨迹，并对各状态变量和输出进行预测计算。

如图8、9本实施例中，具体说明的是宽电压启动开关中采用的双向CLLC谐振变换器的拓扑结构，在各种负载的线路连接工作环境下能获得宽的输出电压调节范围，实现开关系统的软开关，CLLC采用原边移相控制、副边移相控制以及原副边之间的移相控制方式进行启动控制，而串联CLLC变压器拓扑图能够降低开关器件的电压应力。

其中，本实施例中需要补充的是，所有涉及的宽电压电路及其电路连接方式为现有技术，因此本实施例中对于模块包含的电路、连接结构及电路工作原理不作具体叙述。

最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。