[发明专利]一种矩形波脉冲电源全负载范围控制方法及控制系统

说明书

本发明涉及一种矩形波脉冲电源全负载范围控制方法及控制系统；现有脉冲电源控制方案存在无法满足高端加工行业电源高动态高精度全负载范围无过冲要求的问题；方法包括1确定额定幅值，设定标准矩形波脉冲,并确定采样频率；2控制电源主回路输出脉冲波形；3对脉冲波形连续实时采样；若采样信号为幅值，直接输出；反之，则输出最后一次采集的幅值信号，直到当前周期结束；3.2将采样信号与额定幅值比较，获得比较误差；3.3对比较误差进行调节，输出连续模拟控制量；3.4将连续模拟控制量与标准矩形波脉冲，以逻辑“与”的方式进行截取，输出脉冲控制信号，并将经过放大后发送给电源主回路；3.5电源主回路输出调节后的脉冲波形；3.6重复步骤3.1‑3.5。

技术领域

本发明涉及一种矩形波脉冲电源，具体涉及一种矩形波脉冲电源全负载范围控制方法及控制系统。

背景技术

脉冲电源是指该类电源输出为单个或者连续的一定宽度，一定频率的脉冲波，既可以是电压源，也可以是电流源，一般用在半导体激光、微弧氧化等行业，输出波形如所示。

该类电源输出要求全负载范围(即从轻载到满载)内近似矩形脉冲波，即：

1、脉冲上升期间迅速且正向无超调，脉冲下降期间迅速且无反向超调；

2、脉冲上升、下降沿速度越快越好；

3、脉冲放电期间平滑稳定无过冲，平台值精度要求高，纹波要小；

4、脉冲频率、脉宽、平台值连续可调，要求从轻载到满载全负载范围内波形均要近似矩形波。

市场常见采用闭环控制的脉冲电源，直接对输出脉冲量实时采样，将采样到的脉冲量与矩形脉冲给定波形做比较，对比较误差通过PI或者PID进行调节，控制电源输出，但是由于PI或者PID对脉冲型误差响应具有延迟(积分作用)或者超调(微分作用)的缺陷，所以导致电源输出脉冲波形质量较差，且同一套控制参数很难适应全负载范围输出波形无过冲的要求。

目前该类电源成熟商业拓扑主要有多路交错并联BUCK开关技术和储能电容线性放电技术两种方案，前者适用于大功率脉冲电源，后者多用于小功率脉冲电源；控制策略上，均为PI(比例积分)或者PID(比例积分微分)对脉冲误差直接进行调制，PID控制中比例环节P能快速响应误差，积分环节I能消除稳态误差，微分环节D可响应快速变化误差，但容易产生超调。

积分环节I在响应矩形脉冲误差时，由于积分的延迟性，会延缓矩形脉冲误差的上升和下降斜率；微分环节D在响应矩形脉冲误差时，在脉冲上升和下降沿处容易产生超调，这些特性将导致PI或者PID调节器应用在脉冲类电源控制中时存在以下两个问题：

1、电源输出脉冲波形很难控制成近似矩形波，脉冲上升、下降高斜率与无过冲是一对矛盾需求，要想提高脉冲上升、下降斜率，需要增大控制环增益，过大的控制环增益，必然导致出现过冲，或者控制环震荡。如果减小控制环增益，在一定程度上可以抑制波形过冲，但是脉冲上升、下降斜率不满足要求。

2、同一套控制环参数下，只能实现在很窄负载范围内，上升斜率和下降斜率与过冲的折衷平衡设计，无法实现从轻载到满载全负载范围内既要高斜率又要无过冲的要求。

基于以上两点问题，市场上采用对脉冲误差直接进行PI或者PID调制控制策略的脉冲电源，上升、下降斜率均在数十A/ms～几A/μs级别，且电源根本无法实现全负载范围无过冲的要求，轻载时波形过冲问题一直存在。而目前一些高端高精度加工行业，如半导体脉冲激光电源，对输出脉冲电流上升、下降斜率要求高达数百A/μs以上，波形过冲很容易造成激光半导体损坏，现有对脉冲误差直接进行PI或者PID调制的控制策略不满足该类高端加工行业电源高动态高精度全负载范围无过冲的要求。

发明内容