CN103684029B - 一种具有开环动态阻抗自匹配功能的功率变流方法及其电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有开环动态阻抗自匹配功能的功率变流方法及其电路，属电力电工技术领域。本发明包括控制电路C和功率主回路Z；本发明采用恒能量脉冲的频率调制手段，在无需使用阻抗匹配变压器的情况下具有90%以上的能量利用效率，开环条件下具有宽范围的动态阻抗自匹配能力，输出功率不受负载阻抗和输出频率的影响而保持恒定，在4到5个数量级的频宽范围内输出波形的失真度小于3%，与采用传统技术设计且输出性能指标基本相同的产品相比，整机重量减小了约95%，效率提高约40%，整机总成本下降约60%，优势相当明显。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有开环动态阻抗自匹配功能的功率变流方法及其电路，属于电力电子技术领域。
背景技术
在水下资源的探测设备中，需要用到一种失真度很小、频带很宽、负载阻抗为连续可调但要求输出功率为恒定的中大功率正弦波输出系统。从现有产品来看，技术方案几乎都是采用模拟电路的功率放大方式，并用多抽头变压器实现输出阻抗的有档定点匹配。这样，不仅使整机重量达110公斤左右，且能量利用率最高只有75%，更为严重的是在负载阻抗为连续变化时，用变压器无法实现全范围的连续阻抗匹配，此外，受变压器绕制工艺中分布参数的影响，输出波形的畸变率随工作频率的升高而明显增大，因而，难以实现宽频带下频率特性的一致性要求。
发明内容
本发明提供了一种具有开环动态阻抗自匹配功能的功率变流方法及其电路，用以解决传统技术中利用体积庞大的阻抗匹配变压器所带来的能量利用效率低、不能进行动态阻抗自匹配、频带内的输出功率和失真度不恒定的问题。
本发明的技术方案是：一种具有开环动态阻抗自匹配功能的功率变流方法及其电路，包括控制电路C和功率主回路Z两大模块；所述控制电路C包括精密整流电路、精密压频变换电路、二分频电路、脉冲整形及耦合电路、对称过零比较电路、光电耦合电路，功率主回路Z包括恒能量斩波电路、缓冲电路、逆变电路和滤波电路，所述缓冲电路包括续流二极管D5、缓冲电抗器L1、缓冲电容Cb，所述功率主回路Z中的直流电源E的正极与恒能量斩波电路的公共输入端P0相连，直流电源E负极构成功率主回路Z的公共接地端、其分别与续流二级管D5的阳极、缓冲电容Cb的一端及逆变电路的接地端相连，缓冲电容Cb的另一端与逆变电路的公共输入端P3相连接，恒能量斩波电路的输出端P1分别与续流二级管D5的阴极、缓冲电抗器L1的一端相连，缓冲电抗器L1的另一端与逆变电路的公共输入端P3相连。
所述恒能量斩波电路包括大功率场效应管Q1、Q2、Q3、Q4，二极管D1、D2、D3、D4及储能电容Ca，场效应管Q1、Q3的漏极连在一起构成恒能量斩波电路的输入端P0，场效应管Q1的源极经过两个正向串联的二极管D1、D2与场效应管Q2的漏极相连，场效应管Q3的源极经过两个正向串联的二极管D3、D4与场效应管Q4的漏极相连，储能电容Ca的一端连在两个二极管D1、D2的中间，储能电容Ca的另一端连在两个二极管D3、D4的中间，场效应管Q2、Q4的源极连在一起构成恒能量斩波电路的输出端P1。
所述逆变电路包括场效应管Q5、Q6、Q7、Q8，所述滤波电路包括滤波电容Cr、Ce、平波电抗器L2，场效应管Q5的漏极与场效应管Q7的漏极连在一起构成逆变电路的直流母线端P3，场效应管Q6的源极与场效应管Q8的源极连在一起构成逆变电路的公共接地端，滤波电容Ce的一端分别与场效应管Q5的源极、场效应管Q6的漏极、平波电抗器L2的一端相连，平波电抗器L2的另一端与滤波电容Cr的一端相连，滤波电容Cr的另一端分别与场效应管Q7的源极、场效应管Q8的漏极，滤波电容Ce的另一端与场效应管Q8的漏极相连，负载RL并联在滤波电容Cr的两端。
本发明的具有开环动态阻抗自匹配功能的功率变流方法，主要包括如下步骤：
A、将需放大的输入正弦交流电压信号ui分为两路，一路通过精密整流电路转换得到高精度的脉动直流电压信号，另一路通过对称过零比较电路转换得到幅值对称的矩形波电压信号；
B、将得到的高精度的脉动直流电压信号通过精密压频变换电路转换得到单极性调频脉冲群电压信号；
C、将得到单极性调频脉冲群电压信号通过二分频电路后，再通过脉冲整形及耦合电路处理后得到恒能量斩波电路的控制信号，恒能量斩波电路通过此控制信号将恒能量斩波电路运行于受控LC串联谐振电路方式，恒能量斩波电路通过储能电容Ca在一个谐振周期内的充放电作用使恒能量斩波电路输出的每个脉冲，不论其脉宽如何均精确地含1个单位的电能量；
D、将恒能量斩波电路输出的脉冲通过缓冲电路降低瞬时能量的冲击应力后在逆变桥直流母线P3上形成单极性调频脉冲群能量波形；
E、将对称过零比较电路输出的幅值对称的矩形波电压信号通过光电耦合电路后得到逆变电路的控制信号，逆变电路通过此控制信号将逆变桥直流母线上的单极性调频脉冲群能量波形逆变为单位时间内功率平均值与输入信号ui成线性关系的双极性交流调频脉冲群能量波形；
F、将双极性交流调频脉冲群能量波形通过LC无源形滤波电路后，在负载上得到与输入信号ui成比例的中大功率正弦波形。
本电路系统结构及运行的核心原则是：不论系统的功率主回路采用哪种电路拓扑形式，整个功率主回路的开环能量传输模式必须是恒能量脉冲的频率调制模式，在理论上，系统的主回路输出特性为典型的功率源特性，这样，依据能量守恒定理，其理论输出功率应为单位时间内的脉冲数乘以每个脉冲所含的能量值且与滤波电路的阶数无关。从实施完成后的系统指标来看，与理论计算值完全相符。相关指标为：输出为1～104Hz正弦波，负载阻抗4～60Ω连续可调，输出功率1000±5W，效率93%±2%，波形失真度≤3%，整机重量5Kg。
本发明中构成控制电路C的六个单元电路，均为成熟电路或市场上能直接购买到的集成电路产品，因此，其具体的电路原理图及其工作原理不再作论述，下面主要论述功率主回路的工作过程：
1、恒能量斩波电路与缓冲电路
单脉冲的工作过程：工作波形如图3所示：时刻之前，电路进入稳态，储能电容Ca两端电压为E，极性为下正上负，P1点的电压为零，电感L1中的能量全部释放；
期间，时刻场效应管Q1、Q4导通，能量斩波桥输出端P1的电压为2E，缓冲电抗器L1上的电流以正弦规律开始上升，随后，储能电容Ca开始释放能量，其电压的极性仍为下正上负，P1点的电压从2E开始不断下降。
期间，时刻，恒能量斩波桥输出端P1点的电压变为E时，储能电容Ca的电压变为零，随后，电容Ca开始反充电，电容Ca的极性转为上正下负，恒能量斩波桥包括大功率场效应管Q1、Q2、Q3、Q4，其中Q1和Q4，Q2和Q3分别组成两个桥臂，恒能量斩波桥输出端P1点的电压继续下降，直到变为零，此时电容Ca两端的电压变为E，极性上正下负，电路中的续流二极管D5两端的电压为0，缓冲电抗器L1、缓冲电容Cb和二极管D5构成续流通路，缓冲电抗器L1中的电流经续流二级管D5释放，由于电容Cb的容量较大，所以它两端的电压可认为基本不变，待缓冲电抗器L1电流通过二级管D5续流完毕后，电路进入下个阶段。
期间，时刻，场效应管Q2、Q3导通，下一工作周期开始，重复过程，这时在恒能量斩波桥P1点上的电压又会有2倍于直流电源E的电压。当储能电容Ca放完电后又开始反充电，但此时所充电压为下正上负，当P1点的电压下降到0时，二极管D5两端的压降为零，电抗器L1、滤波电容Cb和续流二极管构成的回路继续续流，此后电路又如此往复。
2、逆变电路
在逆变电路中，逆变桥包括场效应管Q5、Q6、Q7、Q8，Q5和Q8，Q6和Q7分别组成两个桥臂，逆变桥的控制信号由对称过零比较电路提供，这样，在逆变桥直流母线上的每个单极性调频脉冲群能量波形均对应于输入信号ui波形的一个半周。假定在某个半周里，场效应管Q5、Q8导通而场效应管Q6、Q7关断，这样逆变桥的输出为一个正弦波的半周，而当逆变桥直流母线上的波形为下一个半周时，场效应管Q6、Q7导通而场效应管Q5、Q8关断，这样，逆变桥就以同样方式输出正弦波的另一个半周，如此循环往复，而在逆变桥的输出端N1、N2之间形成完整的双极性正弦交流调频脉冲群能量波形，将这个双极性正弦交流调频脉冲群能量波形经滤波电容Ce、平波电抗器L2、滤波电容Cr组成的无源形电路滤波后，即可在负载RL上得到与输入信号ui成比例的中大功率正弦波。
本发明设计完成的具有开环动态阻抗自匹配功能的功率变流方法及其电路，核心方法是采用恒能量脉冲的频率调制手段，在无需使用阻抗匹配变压器的情况下具有如下有益效果：
（1）、90%以上的能量利用效率；
（2）、开环条件下具有宽范围的动态阻抗自匹配能力；
（3）、输出功率不受负载阻抗和输出频率的影响而保持恒定；
（4）、在4到5个数量级的频宽范围内输出波形的失真度小于3%。
（5）、与采用传统技术设计且输出性能指标基本相同的产品相比，整机重量减小了约95%，效率提高约40%，整机总成本下降约60%，优势相当明显。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图；
图2为本发明的功率主回路电路原理图；
图3为本发明的恒能量斩波桥的输出电压波形图。
具体实施方式
实施例1：如图1-3所示，一种具有开环动态阻抗自匹配功能的功率变流方法及其电路，包括控制电路C和功率主回路Z两大模块；所述控制电路C包括精密整流电路、精密压频变换电路、二分频电路、脉冲整形及耦合电路、对称过零比较电路、光电耦合电路，功率主回路Z包括恒能量斩波电路、缓冲电路、逆变电路和滤波电路，所述缓冲电路包括续流二极管D5、缓冲电抗器L1、缓冲电容Cb，所述功率主回路Z中的直流电源E的正极与恒能量斩波电路的公共输入端P0相连，直流电源E负极构成功率主回路Z的公共接地端、其分别与续流二级管D5的阳极、缓冲电容Cb的一端及逆变电路的接地端相连，缓冲电容Cb的另一端与逆变电路的公共输入端P3相连接，恒能量斩波电路的输出端P1分别与续流二级管D5的阴极、缓冲电抗器L1的一端相连，缓冲电抗器L1的另一端与逆变电路的公共输入端P3相连。
一种具有开环动态阻抗自匹配功能的功率变流方法，所述变流方法的具体步骤如下：
A、将需放大的输入正弦交流电压信号ui分为两路，一路通过精密整流电路转换得到高精度的脉动直流电压信号，另一路通过对称过零比较电路转换得到幅值对称的矩形波电压信号；
B、将得到的高精度的脉动直流电压信号通过精密压频变换电路转换得到单极性调频脉冲群电压信号；
C、将得到单极性调频脉冲群电压信号通过二分频电路后，再通过脉冲整形及耦合电路处理后得到恒能量斩波电路的控制信号，恒能量斩波电路通过此控制信号将恒能量斩波电路运行于受控LC串联谐振电路方式，恒能量斩波电路通过储能电容Ca在一个谐振周期内的充放电作用使恒能量斩波电路输出的每个脉冲，不论其脉宽如何均精确地含1个单位的电能量；
D、将恒能量斩波电路输出的脉冲通过缓冲电路降低瞬时能量的冲击应力后在逆变桥直流母线P3上形成单极性调频脉冲群能量波形；
E、将对称过零比较电路输出的幅值对称的矩形波电压信号通过光电耦合电路后得到逆变电路的控制信号，逆变电路通过此控制信号将逆变桥直流母线上的单极性调频脉冲群能量波形逆变为单位时间内功率平均值与输入信号ui成线性关系的双极性交流调频脉冲群能量波形；
F、将双极性交流调频脉冲群能量波形通过LC无源形滤波电路后，在负载上得到与输入信号ui成比例的中大功率正弦波形。
实施例2：如图1-3所示，一种具有开环动态阻抗自匹配功能的功率变流方法及其电路，包括控制电路C和功率主回路Z两大模块；所述控制电路C包括精密整流电路、精密压频变换电路、二分频电路、脉冲整形及耦合电路、对称过零比较电路、光电耦合电路，功率主回路Z包括恒能量斩波电路、缓冲电路、逆变电路和滤波电路，所述缓冲电路包括续流二极管D5、缓冲电抗器L1、缓冲电容Cb，所述功率主回路Z中的直流电源E的正极与恒能量斩波电路的公共输入端P0相连，直流电源E负极构成功率主回路Z的公共接地端、其分别与续流二级管D5的阳极、缓冲电容Cb的一端及逆变电路的接地端相连，缓冲电容Cb的另一端与逆变电路的公共输入端P3相连接，恒能量斩波电路的输出端P1分别与续流二级管D5的阴极、缓冲电抗器L1的一端相连，缓冲电抗器L1的另一端与逆变电路的公共输入端P3相连。
所述恒能量斩波电路包括大功率场效应管Q1、Q2、Q3、Q4，二极管D1、D2、D3、D4及储能电容Ca，场效应管Q1、Q3的漏极连在一起构成恒能量斩波电路的输入端P0，场效应管Q1的源极经过两个正向串联的二极管D1、D2与场效应管Q2的漏极相连，场效应管Q3的源极经过两个正向串联的二极管D3、D4与场效应管Q4的漏极相连，储能电容Ca的一端连在两个二极管D1、D2的中间，储能电容Ca的另一端连在两个二极管D3、D4的中间，场效应管Q2、Q4的源极连在一起构成恒能量斩波电路的输出端P1。
所述逆变电路包括场效应管Q5、Q6、Q7、Q8，所述滤波电路包括滤波电容Cr、Ce、平波电抗器L2，场效应管Q5的漏极与场效应管Q7的漏极连在一起构成逆变电路的直流母线端P3，场效应管Q6的源极与场效应管Q8的源极连在一起构成逆变电路的公共接地端，滤波电容Ce的一端分别与场效应管Q5的源极、场效应管Q6的漏极、平波电抗器L2的一端相连，平波电抗器L2的另一端与滤波电容Cr的一端相连，滤波电容Cr的另一端分别与场效应管Q7的源极、场效应管Q8的漏极，滤波电容Ce的另一端与场效应管Q8的漏极相连，负载RL并联在滤波电容Cr的两端。
一种具有开环动态阻抗自匹配功能的功率变流方法，所述变流方法的具体步骤如下：
A、将需放大的输入正弦交流电压信号ui分为两路，一路通过精密整流电路转换得到高精度的脉动直流电压信号，另一路通过对称过零比较电路转换得到幅值对称的矩形波电压信号；
B、将得到的高精度的脉动直流电压信号通过精密压频变换电路转换得到单极性调频脉冲群电压信号；
C、将得到单极性调频脉冲群电压信号通过二分频电路后，再通过脉冲整形及耦合电路处理后得到恒能量斩波电路的控制信号，恒能量斩波电路通过此控制信号将恒能量斩波电路运行于受控LC串联谐振电路方式，恒能量斩波电路通过储能电容Ca在一个谐振周期内的充放电作用使恒能量斩波电路输出的每个脉冲，不论其脉宽如何均精确地含1个单位的电能量；
D、将恒能量斩波电路输出的脉冲通过缓冲电路降低瞬时能量的冲击应力后在逆变桥直流母线P3上形成单极性调频脉冲群能量波形；
E、将对称过零比较电路输出的幅值对称的矩形波电压信号通过光电耦合电路后得到逆变电路的控制信号，逆变电路通过此控制信号将逆变桥直流母线上的单极性调频脉冲群能量波形逆变为单位时间内功率平均值与输入信号ui成线性关系的双极性交流调频脉冲群能量波形；
F、将双极性交流调频脉冲群能量波形通过LC无源形滤波电路后，在负载上得到与输入信号ui成比例的中大功率正弦波形。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (1)
1.一种具有开环动态阻抗自匹配功能的功率变流方法，其特征在于：所述变流方法的具体步骤如下：
A、将需放大的输入正弦交流电压信号ui分为两路，一路通过精密整流电路转换得到高精度的脉动直流电压信号，另一路通过对称过零比较电路转换得到幅值对称的矩形波电压信号；
B、将得到的高精度的脉动直流电压信号通过精密压频变换电路转换得到单极性调频脉冲群电压信号；
C、将得到单极性调频脉冲群电压信号通过二分频电路后，再通过脉冲整形及耦合电路处理后得到恒能量斩波电路的控制信号，恒能量斩波电路通过此控制信号将恒能量斩波电路运行于受控LC串联谐振电路方式，恒能量斩波电路通过储能电容（Ca）在一个谐振周期内的充放电作用使恒能量斩波电路输出的每个脉冲，不论其脉宽如何均精确地含1个单位的电能量；
D、将恒能量斩波电路输出的脉冲通过缓冲电路降低瞬时能量的冲击应力后在逆变桥直流母线（P3）上形成单极性调频脉冲群能量波形；
E、将对称过零比较电路输出的幅值对称的矩形波电压信号通过光电耦合电路后得到逆变电路的控制信号，逆变电路通过此控制信号将逆变桥直流母线上的单极性调频脉冲群能量波形逆变为单位时间内功率平均值与输入信号ui成线性关系的双极性交流调频脉冲群能量波形；
F、将双极性交流调频脉冲群能量波形通过LC无源形滤波电路后，在负载上得到与输入信号ui成比例的输出功率为1000±5W的正弦波形”。
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