[发明专利]一种具有恒功率输入特性的电容器充电方法及装置

权利要求书

1.一种具有恒功率输入特性的电容器充电方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.电容器充电电源启动后，计算模块通过采集电路实时采集负载电压U_L、直流母线电压U₁和临时储能电容电压U₂；同时，计算模块通过存储器获取预设的阈值电压U_set；

b.计算模块根据外部输入的充电信号判断当前时刻是否为充电起始时刻，若是，则更新充电起始电压U_s为当前负载电压，即U_s＝U_L；更新充电结束电压U_e为阈值电压，即U_e＝U_set；若否，则进入步骤c；

c.在当前控制周期T_c中，根据当前采集与获取的负载电压U_L、直流母线电压U₁、充电起始电压U_s、充电结束电压U_e，获取控制参数t_x，具体方法如下：

设在一个谐振周期T内，母线电压U₁和临时储能电容电压U₂保持恒定，并取近似处理，即U₂＝U₁；

根据串联谐振断续工作模式特性，谐振电流前半周电流峰值I_1m为：

|I_1m|＝(U₁+U_L)/Z；

后半周电流峰值I_2m为：

|I_2m|＝(U₁-U_L)/Z；

则输出平均充电电流I_chg为：

I_chg＝M(|I_1m|+|I_2m|)/π＝2MU₁/(πZ)；

其中M为占空系数，为谐振周期T与控制周期T_c的比值，即M＝T/T_c，Z为电源谐振回路中谐振电感L_r和谐振电容C_r的特征阻抗，

则充电过程电源输出的起始功率P_s可表示为：

P_s＝U_sI_chg；

充电过程结束时的功率P_e可表示为：

P_e＝U_eI_chg；

充电过程电源输出的平均功率P_m可表示为：

P_m＝I_chg(U_s+U_e)/2＝MU₁(U_s+U_e)/(πZ)；

谐振电流前半周电流i_r的表达式为：

ir=U1+ULZsin(ωt);]]>

式中t为工作时间，ω为谐振角频率，即

直流母线在电流前半周内提供的能量E₁可表示为：

E1=U1·∫0txirdt=U1·U1+ULωZ·[1-cos(ωtx)];]]>

式中t_x为直流母线工作持续时间，也为切换时刻；

通过控制直流母线在单脉冲提供的平均功率等于负载需要的平均功率P_m即可实现供电端的功率恒定，且为平均功率，即令：

E₁/T_c＝P_m；

结合P_m和E₁的表达式，可得控制参数t_x：

tx=T2πcos-1[1-2(Us+Ue)/(U1+UL)];]]>

d.采用串联谐振断续工作模式，将直流母线和储能电容进行组合的方式对谐振回路进行激励，即采用3过程的工作模式，谐振电流前半周包括两个过程，后半周包含一个过程，具体为：第一个工作过程将母线电压U₁接入谐振回路；第二个过程将临时储能电容电压U₂接入谐振回路，以上两个过程中电压源均是输出功率的；第三个工作过程将储能电容接入回路，此过程电流方向发生改变，电压源是吸收功率的；

e.根据c步骤获得的控制参数t_x，并按照d步骤的工作模式，产生4路通用的时序控制信号；

f.根据交替输出的谐振电流极性，将对应功率开关的驱动信号连接到通用的4路信号上；

g.功率开关按照f步骤得到的信号完成对谐振回路的激励，并根据负载电压是否达到预设阈值电压判断工作是否结束，若否，则返回步骤a，若是，则关断所有开关。

2.一种具有恒功率输入特性的电容器充电装置，包括括三相整流桥D₃、直流母线滤波电感L₁、直流母线滤波电容C₁、临时储能电容C₂，第一预充电电阻R₁、第一预充电二极管D₁、第二预充电电阻R₂、第二预充电二极管D₂、第一带有并联二极管的开关S₁、第二带有并联二极管的开关S₂、第三带有并联二极管的开关S₃、第四带有并联二极管的开关S₄、第五带有并联二极管的开关S₅、第六带有并联二极管的开关S₆、第七带有并联二极管的开关S₇、第八带有并联二极管的开关S₈、谐振电感L_r、谐振电容C_r、变压器T和输出整流桥D₄；所述三相整流桥D₃的正相输出端通过直流母线滤波电感L₁后接直流母线滤波电容C₁的一端、第一带有并联二极管的开关S₁的一端、第二带有并联二极管的开关S₂的一端和第一预充电电阻R₁的一端，其负相输出端接直流母线滤波电容C₁的另一端、第七带有并联二极管的开关S₇的一端和第二预充电二极管D₂的阴极；第一带有并联二极管的开关S₁的另一端接第五带有并联二极管的开关S₅的一端、第三带有并联二极管的开关S₃的一端和谐振电容Cr的一端；第二带有并联二极管的开关S₂的另一端接第六带有并联二极管的开关S₆的一端、第四带有并联二极管的开关S₄的一端和谐振电感L_r的一端；第六带有并联二极管的开关S₆的另一端连接第五带有并联二极管的开关S₅的另一端、第一预充电二极管D₁的阴极和临时储能电容C₂的一端；第一预充电电阻R₁的另一端连接第一预充电二极管D₁的阳极；临时储能电容C₂的另一端连接第二预充电电阻R₂和第八带有并联二极管的开关S₈的一端；第二预充电电阻R₂的另一端连接第二预充电二极管D₂的阳极；第八带有并联二极管的开关S₈的另一端连接第七带有并联二极管的开关S₇的另一端、第三带有并联二极管的开关S₃的另一端和第四带有并联二极管的开关S₄的另一端；谐振电感L_r的另一端和谐振电容C_r的另一端分别接变压器T一侧绕组的两个输入端；变压器T另一侧绕组的两个输出端接输出整流桥D₄的输入端；整流桥D₄输出的两端分别连接负载电容C₃的两端；其特征在于，还包括母线电压采集电路(1)、储能环节电压采集电路(2)、负载电压采集电路(3)、人机界面(4)、计算模块(5)、时序生成模块(6)、开关状态控制单元(7)和开关驱动模块(8)；所述母线电压采集电路(1)、储能环节电压采集电路(2)、负载电压采集电路(3)、人机界面(4)和时序生成模块分别与计算模块连接；所述时序生成模块接外部充电信号9开关状态控制单元(7)；所述开关状态控制单元(7)接开关驱动模块(8)；

所述母线电压采集电路(1)用于采集直流母线滤波电容C₁上的直流母线电压U₁，并将采集到的信号传递到计算模块(5)；

所述负载电压采集电路(3)用于采集负载电容C₃两端的负载电压U_L，并将采集到的信号发送到计算模块(5)；

所述储能环节电压采集电路(2)用于采集临时储能电容C₂上的临时储能电容电压U₂，并将采集到的信号发送到计算模块(5)；

所述计算模块(5)中包含存储器，用于存储从人机界面(4)获得的预设阈值电压U_set；

所述计算模块(5)根据当前采集与获取的负载电压U_L、直流母线电压U₁、充电起始电压U_s、充电结束电压U_e，获取控制参数t_x并发送到时序生成模块(6)；

所述时序生成模块(6)根据控制参数t_x和外部充电信号9生成控制信号并发送到开关状态控制单元(7)；

所述开关状态控制单元(7)用于控制开关驱动模块(8)；

所述开关驱动模块(8)在开关状态控制单元(7)的控制下驱动开关；所述开关驱动模块(8)的第一输出端接第一带有并联二极管的开关S₁的控制端、其第二输出端接第二带有并联二极管的开关S₂的控制端、其第三输出端接第三带有并联二极管的开关S₃的控制端、其第四输出端接第四带有并联二极管的开关S₄的控制端、其第五输出端接第五带有并联二极管的开关S₅的控制端、其第六输出端接第六带有并联二极管的开关S₆的控制端、其第七输出端接第七带有并联二极管的开关S₇的控制端、其第八输出端接第八带有并联二极管的开关S₈的控制端。