一种能量回馈型双极性电流脉冲生成buck变换器拓扑结构及控制方法
技术领域
1.本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种能量回馈型双极性电流脉冲生成buck变换器及其控制方法。
背景技术：2.感性负载双极性电流脉冲生成装置，是强磁场发生器、地球物理探测磁场发射机等磁场发生设备的核心部件。在实际应用中，需要通过调节双极性电流脉冲的频率、幅值控制磁场发生线圈生成的磁场频率和磁场强度。由于大感性负载时间常数大，为了获得更高频率和磁场强度的磁场，需要进一步提高感性负载两端的电压，增大脉冲电流上升过程中的电流变化率，从而产生所需磁场。因此对双极性电流脉冲生成电路的调压范围有较宽的要求。同时，脉冲电流下降过程中，有大量的能量需要利用相应电路进行吸收。
3.现有双极性脉冲电流生成电路受限于拓扑结构，难以同时满足宽范围调压与输出电压极性可变的需求。同时，由于缺少脉冲电流下降过程中的能量回收，电路的能量利用率较低。因此，如何在较为简化的拓扑结构下，得到所需宽度/高度、上升/下降时间的电流脉冲，同时在不增加额外泄能装置的情况下，实现能量的高效回收，是目前亟需解决的一系列问题。
技术实现要素：4.本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种能量回馈型双极性电流脉冲生成buck变换器及其控制方法，解决了大电感负载情况下，难以得到较高上升率、较高幅值的双极性脉冲电流，同时实现能量的高效回收问题。
5.针对上述问题，本发明采用的技术方案是：
6.一种能量回馈型双极性电流脉冲生成buck变换器拓扑结构，其特征在于:包括锂电池，超级电容c，第一开关管s1,第二开关管s2，第三开关管s3，第一二极管d1,第二二极管d2,滤波电感l，输出滤波电容co，晶闸管换向电路及阻感负载；所述拓扑结构的锂电池的正极与所述第三开关管s3集电极相连，所述锂电池的负极与第一二极管d1的阳极相连；所述第三开关管的发射极与所述超级电容c的负极、所述第一开关管s1的集电极相连；所述超级电容c与所述第一二极管d1的阴极、所述第二开关管s2的集电极相连；所述第二二极管d2所述第一开关管的发射极、所述第二开关管的发射极、所述滤波电感l的左端子相连；所述滤波电感l右端子与所述输出电容co、所述晶闸管换向电路的上端子相连；所述第一二极管d1的阳极与输出电容co、晶闸管换向电路的下端子相连。
7.进一步的，所述晶闸管换向电路由第三晶闸管tr3，第四晶闸管tr4，第五晶闸管tr5和第六晶闸管tr6构成；其中，第三晶闸管tr3的阳极与第四晶闸管tr4的阳极相连；第三晶闸管tr3的阴极与阻感负载的上端子、第五晶闸管tr5的阳极相连；第六晶闸管tr6的阳极与阻感负载的下端子、第四晶闸管的阴极相连；第六晶闸管的阴极与第五晶闸管的阴极相
连。
8.进一步的，包括通过权利要求1～2所述的能量回馈型双极性电流脉冲生成buck变换器拓扑结构生成正向电流脉冲方法和生成反向电流脉冲方法。
9.进一步的，所述生成正向电流脉冲方法，包括如下步骤：
10.步骤1，打开第三晶闸管tr3和第六晶闸管tr6；此时锂电池和超级电容均投入运行；第一开关管s1关断，第二开关管s2导通，通过调节第三开关管s3的占空比来控制输出电压从而控制负载电流平稳上升；当前控制阶段结束前，为保证电感电流始终存在通路，应提前开通第一开关管s1；
11.步骤2，此时锂电池和超级电容均投入运行；第一开关管s1导通，第二开关管s2与第三开关管s3互补导通，通过调节第二开关管s2与第三开关管s3的占空比来控制输出电压从而控制负载电流平稳上升；需要注意的是，为了保证电感电流始终存在通路，应使第二开关管s2与第三开关管s3在一个周期内存在重合导通时间，
12.步骤3，此时锂电池切出，超级电容投入运行吸收负载能量；第三开关管s3关断，第二开关管s2与第一开关管s1互补导通，通过调节第二开关管s2与第一开关管s1的占空比来控制超级电容吸收负载线圈能量的速度；负载线圈能量在此阶段回收至超级电容；
13.循环执行步骤1-3，可以控制所述拓扑结构生成脉冲高度、宽度，脉冲上升、下降时间可调的正向电流脉冲。
14.进一步的，所述步骤2中，第二开关管s2与第三开关管s3在一个周期内重合导通的时间为2δdt。
15.进一步的，所述生成反向电流脉冲方法包括：
16.步骤1，打开第四晶闸管s4和第五晶闸管s5；此时锂电池和超级电容均投入运行；第一开关管s1关断，第二开关管s2导通，通过调节第三开关管s3的占空比来控制输出电压从而控制负载电流平稳上升；当前控制阶段结束前，为保证电感电流始终存在通路，应提前开通第一开关管s1；
17.步骤2，此时锂电池和超级电容均投入运行；第一开关管s1导通，第二开关管s2与第三开关管s3互补导通，通过调节第二开关管s2与第三开关管s3的占空比来控制输出电压从而控制负载电流平稳上升；需要注意的是，为了保证电感电流始终存在通路，应使第二开关管s2与第三开关管s3存在重合导通时间，一个周期内重合导通的时间为2δdt；
18.步骤3，此时锂电池切出，超级电容投入运行吸收负载能量；第三开关管s3关断，第二开关管s2与第一开关管s1互补导通，通过调节第二开关管s2与第一开关管s1的占空比来控制超级电容吸收负载线圈能量的速度；负载线圈能量在此阶段回收至超级电容；
19.循环执行步骤1-3，可以控制所述拓扑结构生成脉冲高度、宽度，脉冲上升、下降时间可调的反向电流脉冲。
20.本发明的有益效果和特点是：
21.本发明的一种能量回馈型双极性电流脉冲生成buck变换器拓扑结构；通过一种包含锂电池与超级电容的新型的buck变换器结构，解决了大电感负载情况下，难以得到较高上升率、较高幅值的双极性脉冲电流，同时实现能量的高效回收问题。
附图说明
22.图1为本发明较佳实施例的拓扑结构示意图；
23.图2为本发明较佳实施例的工作原理图(超容为超级电容的缩写)；
24.图3为本发明较佳实施例的开关管驱动信号示意图；
25.图4为本发明较佳实施例的不同阶段的工作状态示意图；
26.图5为本发明较佳实施例的感性负载两端电压电流波形。
具体实施方式：
27.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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
28.请参考图1，本发明涉及一种能量回馈型双极性电流脉冲生成buck变换器拓扑结构，所述拓扑结构包括锂电池，超级电容c，第一开关管s1,第二开关管s2，第三开关管s3，第一二极管d1,第二二极管d2,滤波电感l，输出滤波电容co，晶闸管换向电路和阻感负载。
29.所述拓扑结构的锂电池的正极与所述第三开关管s3集电极相连，所述锂电池的负极与第一二极管d1的阳极相连；所述第三开关管的发射极与所述超级电容c的负极、所述第一开关管s1的集电极相连；所述超级电容c与所述第一二极管d1的阴极、所述第二开关管s2的集电极相连；所述第二二极管d2所述第一开关管的发射极、所述第二开关管的发射极、所述滤波电感l的左端子相连。所述滤波电感l右端子与所述输出电容co、所述晶闸管换向电路的上端子相连。所述第一二极管d1的阳极与所述输出电容co、所述晶闸管换向电路的下端子相连。
30.与上述相对应，本发明提出了一种适用于本发明所述的一种能量回馈型双极性电流脉冲生成方法。该方法可以控制输出所需双极性电流脉冲，同时维持运行过程中超级电容电压的稳定。以生成正向脉冲电流的过程为例，负载电流与负载电压的波形图如图2所示。下面将结合图2对整个工作状态进行详细的分析。
31.步骤1，打开第三晶闸管s3和第六晶闸管s6。此时锂电池和超级电容均投入运行，工作状态如图2中阶段1所示。第一开关管s1关断，第二开关管s2导通，通过调节开关管s3的占空比来控制输出电压从而控制负载电流平稳上升。在阶段1结束前，为保证电感电流始终存在通路，在进入下一状态前需要提前开通开关管s1。电路工作状态如图4中(a)(b)所示。
32.步骤2，此时锂电池和超级电容均投入运行，工作状态如图2中阶段2所示。第一开关管s1导通，第二开关管s2与第三开关管s3互补导通。需要注意的是，为了保证电感电流始终存在通路，应使开关管s2与s3存在重合导通时间，如图3所示，一个周期内重合导通的时间为2δdt。在这种控制方式下，每个开关周期内电路存在三种状态，如图4所示。在ts1～ts2内，电路工作状态如图4(c)所示；在ts2～ts3内，电路工作状态如图4(d)所示；在ts3～ts4内，电路工作状态如图4(e)所示。
33.步骤3，此时锂电池切出，超级电容投入运行吸收负载能量，工作状态如图2中阶段3所示。第二开关管s2、第三开关管s3关断，第一开关管s1导通，超级电容反向接入输出端。负载线圈能量在此阶段回收至超级电容。电路工作状态如图4(f)所示。
34.循环执行步骤1-3，可以控制所述拓扑结构生成脉冲高度、宽度，脉冲上升、下降时间可调的正向电流脉冲。
35.若将步骤1修改为打开第四晶闸管s4和第五晶闸管s5，并循环执行步骤1-3，可以控制所述拓扑结构生成脉冲高度、宽度，脉冲上升、下降时间可调的反向电流脉冲。
36.图5为本发明所提出的一种能量回馈型双极性电流脉冲生成buck变换器阻感负载两端电压、电流的仿真波形。在前述基本控制方法下，产生符合所需脉冲宽度/高度、脉冲上升/下降时间的双极性电流脉冲。
37.本发明所提出一种能量回馈型双极性电流脉冲生成buck变换器。本发明中的能量回馈型双极性电流脉冲生成buck变换器，通过一种包含锂电池与超级电容的新型的buck变换器结构，解决了大电感负载情况下，难以得到较高上升率、较高幅值的双极性脉冲电流，同时实现能量的高效回收问题。在脉冲电流上升阶段，超级电容可以为感性负载充能提供较大的功率；在脉冲电流的平台期，锂电池buck变换器可以为感性负载持续提供稳定的能量；在脉冲电流下降阶段，超级电容可以回收感性负载释放的能量。
38.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
技术特征：1.一种能量回馈型双极性电流脉冲生成buck变换器拓扑结构，其特征在于:包括锂电池，超级电容c，第一开关管s1,第二开关管s2，第三开关管s3，第一二极管d1,第二二极管d2,滤波电感l，输出滤波电容co，晶闸管换向电路及阻感负载；所述拓扑结构的锂电池的正极与所述第三开关管s3集电极相连，所述锂电池的负极与第一二极管d1的阳极相连；所述第三开关管的发射极与所述超级电容c的负极、所述第一开关管s1的集电极相连；所述超级电容c与所述第一二极管d1的阴极、所述第二开关管s2的集电极相连；所述第二二极管d2与所述第一开关管的发射极、所述第二开关管的发射极、所述滤波电感l的左端子相连；所述滤波电感l右端子与所述输出电容co、所述晶闸管换向电路的上端子相连；所述第一二极管d1的阳极与输出电容co、晶闸管换向电路的下端子相连。2.根据权利要求1所述的能量回馈型双极性电流脉冲生成buck变换器拓扑结构，其特征在于:所述晶闸管换向电路由第三晶闸管tr3，第四晶闸管tr4，第五晶闸管tr5和第六晶闸管tr6构成；其中，第三晶闸管tr3的阳极与第四晶闸管tr4的阳极相连；第三晶闸管tr3的阴极与阻感负载的上端子、第五晶闸管tr5的阳极相连；第六晶闸管tr6的阳极与阻感负载的下端子、第四晶闸管的阴极相连；第六晶闸管的阴极与第五晶闸管的阴极相连。3.一种能量回馈型双极性电流脉冲生成控制方法，其特征在于:包括通过权利要求1～2所述的能量回馈型双极性电流脉冲生成buck变换器拓扑结构生成正向电流脉冲方法和生成反向电流脉冲方法。4.根据权利要求3所述的能量回馈型双极性电流脉冲生成控制方法，其特征在于，所述生成正向电流脉冲方法，包括如下步骤：步骤1，打开第三晶闸管tr3和第六晶闸管tr6；此时锂电池和超级电容均投入运行；第一开关管s1关断，第二开关管s2导通，通过调节第三开关管s3的占空比来控制输出电压从而控制负载电流平稳上升；当前控制阶段结束前，为保证电感电流始终存在通路，应提前开通第一开关管s1；步骤2，此时锂电池和超级电容均投入运行；第一开关管s1导通，第二开关管s2与第三开关管s3互补导通，通过调节第二开关管s2与第三开关管s3的占空比来控制输出电压从而控制负载电流平稳上升；需要注意的是，为了保证电感电流始终存在通路，应使第二开关管s2与第三开关管s3在一个周期内存在重合导通时间，步骤3，此时锂电池切出，超级电容投入运行吸收负载能量；第三开关管s3关断，第二开关管s2与第一开关管s1互补导通，通过调节第二开关管s2与第一开关管s1的占空比来控制超级电容吸收负载线圈能量的速度；负载线圈能量在此阶段回收至超级电容；循环执行步骤1-3，可以控制所述拓扑结构生成脉冲高度、宽度，脉冲上升、下降时间可调的正向电流脉冲。5.根据权利要求4所述的能量回馈型双极性电流脉冲生成控制方法，其特征在于:所述步骤2中，第二开关管s2与第三开关管s3在一个周期内重合导通的时间为2δdt。6.根据权利要求3所述的能量回馈型双极性电流脉冲生成控制方法，其特征在于，所述生成反向电流脉冲方法包括：步骤1，打开第四晶闸管s4和第五晶闸管s5；此时锂电池和超级电容均投入运行；第一开关管s1关断，第二开关管s2导通，通过调节第三开关管s3的占空比来控制输出电压从而控制负载电流平稳上升；当前控制阶段结束前，为保证电感电流始终存在通路，应提前开通
第一开关管s1；步骤2，此时锂电池和超级电容均投入运行；第一开关管s1导通，第二开关管s2与第三开关管s3互补导通，通过调节第二开关管s2与第三开关管s3的占空比来控制输出电压从而控制负载电流平稳上升；需要注意的是，为了保证电感电流始终存在通路，应使第二开关管s2与第三开关管s3存在重合导通时间；步骤3，此时锂电池切出，超级电容投入运行吸收负载能量；第三开关管s3关断，第二开关管s2与第一开关管s1互补导通，通过调节第二开关管s2与第一开关管s1的占空比来控制超级电容吸收负载线圈能量的速度；负载线圈能量在此阶段回收至超级电容；循环执行步骤1-3，可以控制所述拓扑结构生成脉冲高度、宽度，脉冲上升、下降时间可调的反向电流脉冲。7.根据权利要求6所述的能量回馈型双极性电流脉冲生成控制方法，其特征在于:所述步骤2中，第二开关管s2与第三开关管s3在一个周期内重合导通的时间为2δdt。
技术总结本发明公开了一种能量回馈型双极性电流脉冲生成Buck变换器拓扑结构，包括锂电池，超级电容C，第一开关管S1,第二开关管S2，第三开关管S3，第一二极管D1,第二二极管D2,滤波电感L，输出滤波电容Co，晶闸管换向电路及阻感负载；锂电池的正极与S3集电极相连，负极与D1的阳极相连；S3的发射极与C的负极、S1的集电极相连；C与D1的阴极、S2的集电极相连；D2与S1的发射极、S2的发射极、L的左端子相连；L右端子与输出电容Co、晶闸管换向电路的上端子相连；D1的阳极与输出电容Co、晶闸管换向电路的下端子相连；在大电感负载下得到较高上升率、较高幅值的双极性脉冲电流，同时实现能量的高效回收。同时实现能量的高效回收。同时实现能量的高效回收。
技术研发人员：黄垂兵 陈武 卯寅浩 张银锋 刘浩然 罗恒
受保护的技术使用者：中国人民解放军海军工程大学
技术研发日：2022.06.30
技术公布日：2022/11/1
