[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

摘要

本发明电源技术领域，特别涉及一种具有恒功率输入恒流输出特性的电容器充电方法及其装置。本发明主要是利用断续工作模式的特点，将返回的多余能量转存到临时储能环节，从而实现在对负载充电的同时对储能环节充电，另外，本发明采用在谐振电流前半周切换激励源的方式构建储能环节对谐振回路输出能量的通路，实现在对负载充电期间，临时储能环节起到与电网并行提供功率的辅助作用；通过切换时间的实时调节，实现供电功率的恒定。由于临时储能环节为电压源，而DC-link的直流母线也为电压源，为了避免两不同电压的电压源之间的短路，因此在两电压源分别串接了双向开关后再连接到谐振回路，从而可以实现谐振电流在电压源之间的可靠切换。

主权项

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：$i_r=\frac{U_1+U_L}{Z}sin\left(\mathrm{\ω}t\right);$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：$E_1=U_1\·{\∫}_0^{t_x}{i}_{r}dt=U_1\·\frac{U_1+U_L}{\mathrm{\ω}Z}\·\[1-cos\left({\mathrm{\ωt}}_x\right)\];$式中t_x为直流母线工作持续时间，也为切换时刻；通过控制直流母线在单脉冲提供的平均功率等于负载需要的平均功率P_m即可实现供电端的功率恒定，且为平均功率，即令：E₁/T_c＝P_m；结合P_m和E₁的表达式，可得控制参数t_x：$t_x=\frac{T}{2\mathrm{\π}}{\cos }^{-1}\[1-2(U_s+U_e)/(U_1+U_L)\];$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。