恒流型直流变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子电路技术，特别是一种恒流型直流变换器及其控制方法。

背景技术

近年来，海底观测网络成为深海科学研究和维护国防安全的重要手段之一，其中供电网络作为观测网络电能远供的重要途径，其电能质量影响观测网络的正常运行和设备安全。针对海底特殊供电环境，恒流供电系统凭借其抗短路故障能力和高可靠性在海底供电系统研究与应用中受到广泛关注。面向海底设备恒压用电需求，研制高可靠性、高功率密度的恒流源型直流变换器成为恒流供电系统发展的重要环节。

目前运用较为广泛的恒流恒压变换器共有三种形式，分别是：齐纳二极管型、有源并联稳压器型、电容储能控制型。齐纳二极管型变换器多用于低压小功率场合，如商用海底电缆中继器；有源并联稳压器型恒流变换器因其高稳定特性被广泛运用于恒流供电系统，但随着功率增加，其平衡负载损耗和散热体积问题凸显；相比之下电容储能控制型恒流变换器具有效率高、结构简单的优点，但是电容开关动作时导致输入侧电压剧烈波动，因此需要配备阻尼电路，从而增加了变换器的损耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种恒流型直流变换器及其控制方法，解决有源并联稳压器型平衡负载损耗大的问题以及传统电容储能型变换器输入侧电压波动大的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种恒流型直流变换器，包括依次连接的阻抗调节网络、能量缓冲电路、逆变电路、谐振电路和整流电路；其中，

所述阻抗调节网络包括第一电容；所述第一电容一端接电源正极，另一端接电源负极和第一二极管阳极；所述第一电容与第一开关管并联；所述第一开关管与第一电感串联；所述第一二极管阴极接入所述第一开关管与所述第一电感之间。

本发明根据负载功率实时调节输入阻抗，即使在轻载或者空载的情况下，也可以将输入阻抗控制在较小范围内，实时调节输入阻抗，无需在传统恒流变换器的输入端并联大功率平衡负载，能够实现恒流输入高效电能变换，同时解决有源并联稳压器型平衡负载的损耗大问题。此外，输入阻抗的变化幅度可以根据不同电流输入进行设计，当输入电流大时，降低输入阻抗控制目标，确保电流和输入阻抗乘积恒定，从而避免输入电压大范围波动，解决了传统电容储能型变换器输入侧电压波动大的问题。

本发明中，所述能量缓冲电路包括第二开关管；所述第二开关管与续流二极管阴极连接；所述续流二极管阳极接滤波电容正极；所述滤波电容与第二电感并联；所述第二电感正极接入所述第二开关管和续流二极管阴极之间。

本发明中，所述能量缓冲电路包括第二开关管；所述第二开关管与第三电容一端连接，所述第三电容另一端接第三电感一端，所述第三电感另一端接滤波电容正极，所述滤波电容与续流二极管、第二电感并联，所述续流二极管阴极接入所述第三电容与第三电感之间，所述第二电感正极接入所述第二开关管与第三电容之间。

本发明中，所述能量缓冲电路包括第二开关管；所述第二开关管与第二电感连接；所述第二开关管与第三电感、滤波电容并联；所述第二电感与第三电容连接，所述第二电感正极一端接入所述第三电容与续流二极管阳极，所述续流二极管阴极与滤波电容正极连接。

本发明中，所述谐振电路包括谐振电感和谐振电容；所述谐振电感接所述逆变电路正输出端；所述谐振电容接所述逆变电路负输出端。

本发明中，所述谐振电路包括第一谐振电感、谐振电容和第二谐振电感；所述第一谐振电感与谐振电容并联；所述第二谐振电感一端接所述第一谐振电感输出端，另一端接所述谐振电容输出端。

本发明中，所述谐振电路包括谐振电感、第一谐振电容和第二谐振电容；所述谐振电感与第一谐振电容并联；所述第二谐振电容一端接所述谐振电感输出端，另一端接所述第一谐振电容输出端。

本发明还提供了一种上述直流变换器的控制方法，该方法包括：

S1、实时采样阻抗调节网络的输入侧电压v

S2、根据阻抗调节网络的输入侧电压v

S3、根据所述运行状态，对阻抗调节网络输入侧电压进行闭环跟踪控制或峰值限制；

其中，所述峰值限制的实现过程包括：当能量缓冲电路的输出电压v

所述闭环跟踪控制的实现过程包括：当v

本发明可实现宽负载范围内高效电能变，监控变换器各个节点电压，判断得到变换器负载状况，并根据负载状况及时调整阻抗调节电路的母线电压v

本发明中，所述目标值设置为K

本发明中，K

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1、本发明根据负载功率实时调节输入阻抗，即使在轻载或者空载的情况下，也可以将输入阻抗控制在较小范围内，实时调节输入阻抗，无需在传统恒流变换器的输入端并联大功率平衡负载，能够实现恒流输入高效电能变换，同时解决有源并联稳压器型平衡负载的损耗大问题。此外，输入阻抗的变化幅度可以根据不同电流输入进行设计，当输入电流大时，降低输入阻抗控制目标，确保电流和输入阻抗乘积恒定，从而避免输入电压大范围波动，解决了传统电容储能型变换器输入侧电压波动大的问题。

2、本发明控制策略灵活且易于工程应用，多阶段控制策略能够应对负载从空载到满载、满载到空载的瞬变，实时平滑调节输入端阻抗，EMI特性好。

3、本发明可实现宽负载范围内高效电能变换，监控变换器各个节点电压，判断得到变换器负载状况，并根据负载状况及时调整阻抗调节电路的母线电压v

4、本发明变换器拓扑结构形式多样。由于采取了模块化组合式结构，在应对不同电流等级、功率等级的场合时，可根据实际需求，对拓扑进行组合，发挥各个部分的优势。

附图说明

图1是本发明实施例恒流型直流变换器示意图；

图2是本发明实施例阻抗调节电路(即阻抗调节网络)结构图；

图3(a)～图3(c)是本发明实施例能量缓冲电路结构图；图3(d)和图3(e)是本发明实施例逆变电路结构图；

图4(a)～图4(c)是本发明实施例谐振电路结构图；

图5(a)～图5(c)是本发明实施例整流电路结构图；

图6为本发明实施例控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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。

在本文中，术语“第一”、“第二”和其它类似词语并不意在暗示任何顺序、数量和重要性，而是仅仅用于对不同的元件进行区分。在本文中，术语“一”、“一个”和其它类似词语并不意在表示只存在一个所述事物，而是表示有关描述仅仅针对所述事物中2的一个，所述事物可能具有一个或多个。在本文中，术语“包含”、“包括”和其它类似词语意在表示逻辑上的相互关系，而不能视作表示空间结构上的关系。例如，“A包括B”意在表示在逻辑上B属于A，而不表示在空间上B位于A的内部。另外，术语“包含”、“包括”和其它类似词语的含义应视为开放性的，而非封闭性的。例如，“A包括B”意在表示B属于A，但是B不一定构成A的全部，A还可能包括C、D、E等其它元素。

实施例1

本实施例提供了一种恒流型直流变换器，如图1所示。本实施例的直流变换器包括阻抗调节电路、能量缓冲电路、逆变电路、谐振电路、隔离变压器和整流电路。

如图2，本实施例的阻抗调节电路包括输入端口并联电容C(第一电容)、电感L(第一电感)以及二极管D

如图3(a)～图3(c)所示，能量缓冲电路包括续流二极管D

图3(a)为本实施例一种能量缓冲电路，包括第二开关管；第二开关管与续流二极管阴极连接；续流二极管阳极接滤波电容C

图3(b)为本实施例另一种能量缓冲电路，包括第二开关管；第二开关管与第三电容C

图3(c)为本实施例第三种能量缓冲电路，包括第二开关管；第二开关管与第二电感连接；第二开关管与第三电感、滤波电容并联；第二电感与第三电容连接，第二电感正极一端接入第三电容与续流二极管阳极，续流二极管阴极与滤波电容正极连接。

本实施例逆变电路至少由两个开关管组成，并联在能量缓冲电路之后，如图3(d)和3(e)所示，其中v

本实施例的谐振电路由若干无源元件电感、电容组成，可以利用变压器相关寄生参数进行谐振。

图4(a)为本实施例第一种谐振电路，包括谐振电感和谐振电容；谐振电感接逆变电路正输出端；谐振电容接逆变电路负输出端。

图4(b)为本实施例第二种谐振电路，包括第一谐振电感LLC、谐振电容和第二谐振电感；第一谐振电感与谐振电容并联；第二谐振电感一端接第一谐振电感输出端，另一端接谐振电容输出端。

图4(c)为本实施例第三种谐振电路，包括谐振电感、第一谐振电容和第二谐振电容；谐振电感与第一谐振电容并联；第二谐振电容一端接所述谐振电感输出端，另一端接第一谐振电容输出端。

本实施例的隔离变压器包括高频变压器，高频变压器可以为多绕组的形式，其一次侧连接谐振电路，二次侧连接整流电路。

图5(a)～图5(c)为本实施例的整流电路，本实施例的整流电路包含至少一个二极管或开关管，输出端并联电容用于滤波。本实施例的整流电路可以是半波整流电路，如图5(a)所示，也可以是全波整流电路，如图5(b)所示，还可以是全桥整流电路，如图5(c)所示。

本实施例中，阻抗调节电路至少包含两类开关器件，过压导通型功率开关和常开型功率开关。过压导通型功率开关并联于阻抗调节电路输入端，常开型功率开关管一端连接输入电容，另一端经二极管与输入电容相连，二极管用于限制输入电容能量泄放回路，并在泄放回路中串联平波电感。

能量缓冲电路级联在阻抗调节电路和逆变电路之间，其输入电压对应阻抗调节电路输出电压，输出电压对应逆变电路输入电压，其电压输出端口并联滤波电容。

针对更大功率应用场合，多模块输入侧可进行串联，模块输出侧可进行串联或并联进行功率扩展。

本实施例的直流变换器的输出侧无需并联平衡电阻，可实现输出空载到满载范围内稳定工作。

本实施例的直流变换器适用场合为：中小功率场景下，恒流供电网络和末端恒压输入设备之间的电能变换。基本工作原理为根据负载功率实时调节开关管Q

实施例2

本实施例提供了一种实施例1的恒流型直流变换器控制方法，如图6所示。

本实施例的方法包括：

1)实时采样输入侧电压v

2)根据阻抗调节网络的输入电压、缓冲电路的输出电压和变换器的整流输出电压v

3)根据步骤2)得到的模块状态status，控制器下达相应动作指令，对采样点电压进行闭环跟踪控制或峰值限制；

4)返回步骤1)，模块循环运行，直至模块离线或遇到必须停机的故障。

步骤2)中，模块运行状态status的判断分为：当v

对能量缓冲输出电压v

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。