串并聯(lián)諧振高壓脈沖電容充電電源的閉環(huán)控制

將模擬PI控制變成采用DSP實(shí)現(xiàn)的數(shù)字PI后，控制性能更加靈活。數(shù)字PI控制器模型為：

系統(tǒng)中因電流和功率控制要求不高，為防止頻繁動(dòng)作，電流閉環(huán)和功率閉環(huán)都采用帶死區(qū)的PI調(diào)節(jié)器，在誤差超出死區(qū)范圍時(shí)才進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。
軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，充電啟動(dòng)命令，先對(duì)DSP的EV賦初值輸出PWM開始充電，定時(shí)器0定時(shí)中斷后，采集電容兩端電壓值U1，等待定時(shí)器0下一個(gè)定時(shí)中斷，采集電容兩端電壓值U2，根據(jù)U1，U2，電容容量Co以及定時(shí)器0定時(shí)中斷時(shí)間T計(jì)算充電電流和功率：
Io=Co△u／△t=Co(U2-U1)／T，P=UIo=(U1+U2)Io／2 (3)
計(jì)算出充電電流和功率后，判斷如果未達(dá)到設(shè)定功率(1．2 kW)，采用電流PI控制算法，改變逆變部分開關(guān)頻率和占空比，維持充電電流恒定；如果達(dá)到設(shè)定功率后，采用功率PI算法，改變逆變部分開關(guān)頻率和占空比，使輸出功率恒定。在未達(dá)到設(shè)定電壓95％前，不斷地循環(huán)采集計(jì)算，執(zhí)行PI控制，到Uo達(dá)到設(shè)定電壓95％，EV PWM賦初值，小電流充電，達(dá)到設(shè)定的Uo，PWM停止輸出，完成充電。
電容充電完成后，若沒有立即釋放，由于電容或放電回路存在泄漏電流，導(dǎo)致電容兩端電壓逐漸減小，如果要求電壓精度較高，還可在充電末期加入小電流恒壓，保持閉環(huán)控制。

5 閉環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
完成軟件編寫調(diào)試之后，利用600μF，15 kV高壓脈沖電容進(jìn)行閉環(huán)控制充電的實(shí)驗(yàn)，設(shè)定Uo=7 kV，功率1．2 kW。圖6a示出閉環(huán)后iL包絡(luò)和Uo波形。對(duì)比圖6a與圖2可知，恒頻時(shí)7 kV充電時(shí)間22 s，閉環(huán)后充電時(shí)間為17 s，充電速度明顯變快。圖6a中Uo波形前一階段斜率基本不變，為恒流充電。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄得圖6b所示閉環(huán)后Uo、充電電流Io和輸出功率Po曲線，Po最大1．2 kW，在達(dá)到1．2 kW前Io基本恒定，充電到接近7 kV時(shí)Io改為小電流，Po下降。實(shí)驗(yàn)效果理想。
采用閉環(huán)控制后，可實(shí)現(xiàn)1．2 kW恒功率輸出，原設(shè)計(jì)的3 kW電源系統(tǒng)主電路參數(shù)均可減小，從而減小變壓器、濾波元件、開關(guān)管等體積和重量，在設(shè)計(jì)其他電源時(shí)可減小電路功率等級(jí)，對(duì)電源的小型化和減輕重量有重要意義。
需注意的是，閉環(huán)控制調(diào)節(jié)開關(guān)頻率時(shí)，開關(guān)頻率有一個(gè)限制范圍，需保證滿足IGBT的軟開關(guān)。通過觀察恒頻控制時(shí)各個(gè)充電階段的諧振周期，判斷出諧振周期的變化范圍，根據(jù)此變化范圍來確定開關(guān)周期的變化范圍，使開關(guān)周期大于2倍諧振周期，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。
通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，恒頻控制時(shí)充電后期諧振周期縮小到35μs，諧振正半周時(shí)間變化較小(分布電容較小)，故末期開關(guān)周期必須大于70μs，導(dǎo)通時(shí)間大于25μs，取開關(guān)周期最小為72 μs，導(dǎo)通時(shí)間最小為26μs(導(dǎo)通時(shí)間不變)，在PI控制過程中需要滿足此限制，故系統(tǒng)需要既調(diào)節(jié)開關(guān)頻率，又調(diào)節(jié)占空比。開關(guān)周期的最大限制可在滿足應(yīng)用的條件下選擇合適的值。
圖6c示出采用閉環(huán)控制后充電到6 kV時(shí)的iL和Uo，由圖中iL波形可見充電到6 kV時(shí)，諧振電流仍為斷續(xù)，諧振正半周大概25μs，滿足軟開關(guān)。

6 結(jié)論
實(shí)際的LC串聯(lián)諧振電容充電電源都是LCC串并聯(lián)諧振，采用閉環(huán)控制策略可改善LCC串并聯(lián)諧振電路的性能，提高充電速度及電源利用率，降低電源功率等級(jí)，減小電源的體積和重量，適合限制功率，要求小型化的場(chǎng)合。