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CN109149979B - 一种用于谐振电路的大功率电压控制型负电阻 - Google Patents

一种用于谐振电路的大功率电压控制型负电阻 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于谐振电路的大功率电压控制型负电阻，包括相连的交流受控电流源和控制电路，所述交流受控电流源和控制电路分别与谐振电路相连，所述控制电路包括依次相连的开关驱动模块、过零比较模块、相位补偿模块和电压采样模块，所述电压采样模块采样谐振电路的输入电压，经相位补偿模块和过零比较模块转化为与输入电压完全反相的方波，经开关驱动模块产生开关器件的驱动信号至交流受控电流源，所述交流受控电流源根据驱动信号在正输出端和负输出端之间产生基波电流。本发明可以实现不同功率等级，具有工作特性灵活、在线可调的特点，为负电阻在各种功率场合的实际应用提供了参考。

Description

一种用于谐振电路的大功率电压控制型负电阻
技术领域
本发明涉及负电阻构造的技术领域，尤其是指一种用于谐振电路的大功率电压控制型负电阻。
背景技术
负电阻是满足欧姆定律的一端口有源元件。现有的负电阻构造主要分为三种：一是利用半导体材料构成有负电阻效应的元件；二是利用非线性元件(二极管和晶体管等)和正电阻构成负电阻；三是采用运算放大器和正电阻组成负阻抗变换器。由于以上构造方法输出的有功功率有限，通常用于微波射频电路抵消正电阻提高谐振器品质因数；或用于非线性电路研究非线性系统分岔或混沌等动力学行为等。学者发现负电阻对于功率场合的应用也具有显著优势，例如利用负电阻可以有效地改善无线电能传输系统的传输特性。然而，现有负电阻的构造方法主要集中在小功率负电阻，严重限制了负电阻在此类几百至上千瓦的大功率场合的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种用于谐振电路的大功率电压控制型负电阻，可以实现不同功率等级，具有工作特性灵活、在线可调的特点，为负电阻在各种功率场合的实际应用提供了参考。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种用于谐振电路的大功率电压控制型负电阻，包括相连的交流受控电流源和控制电路，所述交流受控电流源和控制电路分别与谐振电路相连，其中，所述控制电路包括依次相连的开关驱动模块、过零比较模块、相位补偿模块和电压采样模块，所述电压采样模块采样谐振电路的输入电压，经相位补偿模块和过零比较模块转化为与输入电压完全反相的方波，经开关驱动模块产生开关器件的驱动信号至交流受控电流源，所述交流受控电流源根据驱动信号在正输出端和负输出端之间产生基波电流。
进一步，所述交流受控电流源由能够输出高频率交流电流的高频电流型逆变电路构成，所述高频电流型逆变电路输出基波电流与输入电压相位相差180度，向外输出有功功率。
进一步，所述相位补偿模块能根据外接谐振电路自动调整相位偏移，经相位补偿后的电压信号始终与输入电压同相。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
本发明提供的用于谐振电路的大功率电压控制型负电阻，可工作在输入电压即负电阻两端电压为高频的情况，输入电流与输入电压的关系在谐振电路谐振频率处满足负电阻关系，而且本发明所实现的负电阻功率等级由交流受控电流源决定，负电阻有源器件转化输出有功功率的效率较高，因此可应用于不同功率等级高效率应用场合。其中，采用高频电流型逆变电路作为交流受控电流源，其特点是：第一，可输出高频率的交流电压，满足交流负电阻高频运行的需求；第二，控制电路均为模拟电路，控制精度高且动态响应速度快，系统起振不需要启动电路；第三，负电阻的功率大小由高频电流型逆变电路的额定功率决定，可以通过设计逆变电路的工作参数，实现不同功率等级的负电阻；第四，高频电流型逆变电路中开关器件能实现零电压导通和关断，开关损耗降低，极大地提高了负电阻运行整体效率；以上特点为负电阻在各种功率场合的实际应用提供了参考。
附图说明
图1为实施方式中提供的负电阻模型图。
图2为实施方式中采用推挽式电流型逆变器实现负电阻的电路图。
图3为实施方式中图2所示电路起振时输入电流和控制电路信号的波形图。
图4为实施方式中图2所示电路稳态时输入电压和输入电流的波形图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明的内容和特点，以下结合附图对本发明的具体实施方案进行具体说明。但本发明的实施和保护不限于此。
如图1所示，本实施例所提供的用于谐振电路的大功率电压控制型负电阻，其基本原理是利用谐振电路的谐振电压的过零点信息控制交流受控电流源的输出电流，使得电路的输入电流的基波量始终与输入电压反相，整个电路相当于一个负电阻8，包括相连的交流受控电流源1和控制电路3，所述交流受控电流源1和控制电路3分别与谐振电路2相连，所述控制电路3包括依次相连的开关驱动模块4、过零比较模块5、相位补偿模块6和电压采样模块7，电压采样模块7采样谐振电路2的输入电压uin，经相位补偿模块6和过零比较模块5转化为与输入电压uin完全反相的方波，经开关驱动模块4产生开关器件的驱动信号至交流受控电流源1，交流受控电流源1根据驱动信号在正输出端P和负输出端N之间端口产生基波电流iF。
在上述负电阻中，由欧姆定律可知输入电压基波量和输入电流基波量满足：
交流受控电流源是由可输出高频率交流电流的高频电流型逆变电路构成，可向外输出有功功率，满足负电阻特性。高频电流型逆变电路的基本工作原理是将输入电压uin转化为同相的开关驱动信号，用来驱动逆变电路中的开关管，从而控制电路的输出基波电流iF，使得输入电压uin在谐振电路谐振频率处始终与输入电流iin基波量始终反相。
控制电路原理为电压采样模块采样正弦输入电压uin，得到采样电压信号uS，电压采样模块包含储能元件，uS与uin的相位发生偏移，相位补偿模块对采样电压信号uS进行相位补偿后得到的u′S始终与输入电压uin同相。经相位补偿后的采样电压信号u′S经过零比较模块转化为方波信号，送至开关驱动模块，由此高频电流型逆变电路根据驱动信号在正负输出端口产生基波电流iF。
在本例中，高频电流型逆变电路采用推挽式电流型逆变器，如图2所示，其中L1、C1和R1为并联谐振电路，S1和S2交替各导通180度，开关管S1的驱动波形与输入电压uin反相，开关管S2的驱动波形与输入电压uin同相，即当输入电压uin<0时，开通开关管S1使得iin>0；当输入电流uin>0时，开通开关管S2使得iin<0，开关驱动模块根据与输入电压uin反相的方波信号uD产生正弦脉宽调制控制信号以驱动开关管。假设电感Ldc足够大，流经电感Ldc的电流值近似恒定为I0，则推挽式电流型逆变器的输出电流基波量iF为：
iF(t)＝MI0sin(ωt) (1)
其中M为脉宽调制比。
假设输入电流基波iF用相量表示为输入电压相量表示为则有：
高频电流型逆变电路开关管受如图1所示的控制电路产生的开关驱动信号驱动，使得输入电压始终与输入基波电流反相，此时系统的运行频率为：
此时对应的负电阻阻值为：
RN＝-R1 (4)
由式(3)和(4)可知，负电阻的工作频率和阻值与谐振电路有关。
下面结合如图2所示的推挽式电流型逆变器说明图1中控制电路的基本原理，控制电路主要分为四个部分：电压采样模块、相位补偿模块、过零比较模块和开关驱动模块。电路启动时，直流电压源施加在电容C1上，开关管S1的初始驱动信号ug1表现为正电平导通而开关管S2的初始驱动信号ug2表现为零电平关断，如图3所示，直流电压源Vdc、电感Ldc与L1、C1和R1并联谐振支路构成回路，电容C1两端开始产生振荡电压，该电压信息经电压采样模块后的uS存在相位偏移，经相位补偿模块之后的电压信息u′S始终与输入电压uin同相位，经过零比较模块后转化为方波，开关驱动模块根据方波信号产生正弦脉宽调制控制信号并驱动逆变电路开关管。
假设高频逆变电路输入直流电源电压为50V，直流电感Ldc＝5mH，当负电阻两端外接LRC并联谐振支路时，并联谐振电路的参数为：L1＝300μH，C1＝211.11pF，R1＝100Ω。电路进入稳态后仿真的输入电压和输入电流波形如图4所示。负电阻的工作频率为fS＝20kHz，负电阻的阻值为RN＝-100Ω。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于谐振电路的大功率电压控制型负电阻，其特征在于：包括相连的交流受控电流源(1)和控制电路(3)，所述交流受控电流源(1)和控制电路(3)分别与谐振电路(2)相连，其中，所述控制电路(3)包括依次相连的开关驱动模块(4)、过零比较模块(5)、相位补偿模块(6)和电压采样模块(7)，所述电压采样模块(7)采样谐振电路(2)的输入电压，经相位补偿模块(6)和过零比较模块(5)转化为与输入电压完全反相的方波，经开关驱动模块(4)产生开关器件的驱动信号至交流受控电流源(1)，所述交流受控电流源(1)根据驱动信号在正输出端(P)和负输出端(N)之间产生基波电流；
所述交流受控电流源(1)由能够输出高频率交流电流的高频电流型逆变电路构成，所述高频电流型逆变电路输出基波电流与输入电压相位相差180度，向外输出有功功率；
所述相位补偿模块(6)能根据谐振电路(2)自动调整相位偏移，经相位补偿后的电压信号始终与输入电压同相；
高频电流型逆变电路采用推挽式电流型逆变器，其中L1、C1和R1为并联谐振电路的电感、电容和电阻，该并联谐振电路由L1、C1和R1并联而成，直流电压源Vdc的正极分别与两个电感Ldc的一端连接，其负极分别与开关管S1、S2的源极连接，两个电感Ldc的另一端分别与开关管S1、S2的漏极连接，并联谐振电路并联于两个电感Ldc和开关管S1、S2之间，开关管S1和S2交替各导通180度，开关管S1的驱动波形与输入电压uin反相，开关管S2的驱动波形与输入电压uin同相，即当输入电压uin<0时，开通开关管S1使得iin>0；当输入电压uin>0时，开通开关管S2使得iin<0，开关驱动模块根据与输入电压uin反相的方波信号uD产生正弦脉宽调制控制信号以驱动开关管；假设电感Ldc足够大，流经电感Ldc的电流值近似恒定为I0，则推挽式电流型逆变器的输出电流基波量iF为：
iF(t)＝MI0sin(ωt) (1)
其中，M为脉宽调制比；
假设输出电流基波iF用相量表示为输入电压相量表示为则有：
高频电流型逆变电路开关管受控制电路产生的开关驱动信号驱动，使得输入电压相量始终与输入基波电流反相，此时：
此时对应的负电阻阻值RN为：
RN＝-R1 (4)
由式(3)和(4)可知，负电阻的工作频率和阻值与谐振电路有关；
控制电路分为四个部分：电压采样模块、相位补偿模块、过零比较模块和开关驱动模块；电路启动时，直流电压源Vdc施加在电容C1上，开关管S1的初始驱动信号ug1表现为正电平导通而开关管S2的初始驱动信号ug2表现为零电平关断，直流电压源Vdc、电感Ldc与L1、C1和R1并联谐振支路构成回路，电容C1两端开始产生振荡电压，该电压经电压采样模块后的电压uS存在相位偏移，经相位补偿模块之后的电压u′S始终与输入电压uin同相位，经过零比较模块后转化为方波，开关驱动模块根据方波信号产生正弦脉宽调制控制信号并驱动逆变电路开关管。
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