CN112865585B - 一种单逆变器固定脉冲频率输出双频正弦波的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种单逆变器固定脉冲频率输出双频正弦波的方法，其步骤如下：搭建功率信号发生电路；利用两个不同频率、不同幅值的正弦波先叠加后载波思路生成用于参考的面积的标准脉冲；固定全桥逆变器的控制脉冲信号的占空比并保持频率与载波频率一致，利用等面积原则计算全桥逆变器输出信号的每一个脉冲时刻所需的直流电压幅值；在全桥逆变器的控制脉冲信号的每个脉冲的上升沿/下降沿调节升降压斩波电路的占空比，计算每个脉冲需要的直流电压幅值，并保持该直流电压幅值直至下一个脉冲到来。本发明降低了全桥逆变器输出双频波的控制难度，产生的双频输出信号的幅值、频率与预设接近，效果好；非期望谐波基本被消除干净，可对预调制的输出频率、幅值进行在线调节。

Description

一种单逆变器固定脉冲频率输出双频正弦波的方法
技术领域
本发明涉及双频信号输出的技术领域，尤其涉及一种单逆变器固定脉冲频率输出双频正弦波的方法。
背景技术
近年来，随着电力电子技术的发展，采用无线方式对便携终端进行充电的无线充电技术应用日益广泛，但不同生产商所遵循的无线充电的频率标准却不统一。到2014年底，WPT（无线电能传输）出现了三大标准，即Qi标准，又称无线电源联盟(Wireless PowerConsortium)以及无线电力联盟(Power Matters Alliance, PMA)、无线电源联盟(Wireless Power Alliance, A4WP) 。
不同的无线标准的共存意味着专门为一种标准设计的无线充电器将与其他标准的终端设备不兼容。因此，为了解决这个兼容性问题，设计一种能够在更宽的频带上工作的无线功率发射机，从而允许并发的多标准操作，就变得更有吸引力。在当前的一些多频、多负载WPT研究中多采用“多对多”模式。但在多发射线圈、接收线圈的WPT系统中，随着发射机线圈数量的增加，需要的交流电源数量也越来越多，而交流电源体积大、效率低、成本高，且至少需要一个外部交流电源。因此，它们不便应用于只有直流电源可用的实际情况。此外，当采用SPWM控制全桥逆变器时，对载波信号和开关器件的开关频率要求很高，这限制了单逆变器双频输出技术的广泛应用。
发明内容
针对多频、多负载WPT系统需要的交流电源数量越来越多，而交流电源体积大、效率低、成本高以及采用一个逆变器输出一个频率，通过多个逆变器并联实现多频输出所引起的系统体积增大、资源浪费、器件成本高的技术问题，本发明提出一种单逆变器输出双频正弦波的方法，采用单个逆变器输出双频正弦波信号，且具有电路结构简化、元件数量减少、全桥开关器件开关频率固定、系统体积更小、功率密度更高、功率效率更高的优点，适用于多频、多负载WPT系统。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种单逆变器固定脉冲频率输出双频正弦波的方法，其步骤如下：
步骤一：搭建功率信号发生电路，所述功率信号发生电路包括直流电源、升降压斩波电路和全桥逆变器，直流电源与升降压斩波电路相连接，升降压斩波电路与全桥逆变器相连接；
步骤二：利用两个不同频率、不同幅值的正弦波先叠加后载波的思路生成参考脉冲；
步骤三：固定全桥逆变器的控制脉冲信号的占空比并保持频率与步骤二中的载波频率一致，利用等面积原则将全桥逆变器输出信号的每一个脉冲与步骤二中的参考脉冲进行实时比较计算得到全桥逆变器输出信号的每一个脉冲时刻所需的直流电压幅值；
步骤四：根据步骤三计算所得的直流电压幅值，在全桥逆变器的控制脉冲信号的每个脉冲的上升沿/下降沿调节升降压斩波电路的占空比β，使得升降压斩波电路输出直流电压幅值，并保持该直流电压幅值直至下一个脉冲到来；循环步骤三和步骤四的操作。
所述升降压斩波电路采用Buck-Boost变换器。
所述全桥逆变器的控制脉冲信号的占空比和频率均为固定值，控制脉冲信号的频率与载波频率一致。
所述步骤二中生成用于参考的面积的虚拟脉冲的方法为：将预调制的两个不同频率、不同幅值的正弦波在数值上相叠加生成合成正弦波，再利用高频的三角载波与合成正弦波在数值上相比较，当合成正弦波幅值大于等于三角载波幅值时，输出为高电平，否则输出为低电平，从而得到用于参考的面积的虚拟脉冲。
所述全桥逆变器输出的脉冲电压的第N个脉冲的面积为脉冲持续时长t n 乘以直流电源的电压V dc ，然后利用等面积原则，求出步骤三中第N个脉冲需要的直流电压幅值αV dc = t n *V dc / t on ，即α= t n / t on ，其中，α为Buck-Boost变换器的电压调节比，t n 为第N个脉冲的持续时长，t on 为全桥逆变器每个脉冲的固定导通时间。
所述步骤四中升降压变换器的占空比β = α / ( 1+α)。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1）本发明的全桥逆变器控制信号的占空比是固定的，理论上可任意给定占空比，降低了全桥逆变器的控制难度，仅需控制升降压电路电路实时输出所需脉冲幅值。
2）本发明产生的双频输出信号的幅值、频率与预设接近，效果好；非期望谐波基本被消除干净。
3）本发明可任意调节预调制的输出频率，并可对各个频率的幅值进行分别调节，进而实现对预调制频率的含量进行控制和调节。
4）本发明具有可扩展性，可以实现两个及两个以上频率的应用需求，并可对预调制的输出频率、幅值等进行在线调节，可用于实时系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构原理框图。
图2为本发明的生成参考面积的虚拟脉冲的示意图。
图3为本发明的脉冲等面积原则操作的示意图，其中，（a）为参考面积脉冲波波形，（b）为固定脉冲占空比且频率为三角载波频率的全桥逆变器的脉冲控制信号。
图4为全桥逆变器的输出电压的傅里叶频谱图。
具体实施方式
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付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种单逆变器固定脉冲频率输出双频正弦波的方法，其步骤如下：
步骤一：搭建功率信号发生电路，如图1所示，所述功率信号发生电路包括直流电源、升降压斩波电路和全桥逆变器，直流电源与升降压斩波电路相连接，升降压斩波电路与全桥逆变器相连接，其中，升降压斩波电路可采用Buck-Boost变换器。在每个脉冲导通时间内，升降压电路根据所需要的占空比β实时调节全桥逆变器的输入电压。
步骤二：利用两个不同频率、不同幅值的正弦波先叠加后载波的思路生成用于参考的面积的虚拟脉冲。
如图2所示，生成用于参考的面积的虚拟脉冲的方法为：将预调制的两个不同频率、不同幅值的正弦波即信号f 1和信号f 2在数值上相叠加生成合成波，再利用高频三角载波与合成波在数值上相比较，当新合成的正弦波幅值大于等于高频三角载波幅值时，输出为高电平，否则输出为低电平，从而得到用于参考的面积的虚拟脉冲。
步骤三：固定全桥逆变器的控制脉冲信号的占空比（如：0.6）并保持频率与步骤二中的高频三角载波频率一致。利用等面积原则将全桥逆变器输出信号的每一个脉冲与得到的虚拟脉冲进行实时比较计算，得到全桥逆变器在每一个脉冲时刻所需的直流电压幅值。
全桥逆变器的开关管导通与关断脉冲的局部放大如图3（a）所示，固定全桥逆变器的控制脉冲信号的占空比，并保持频率与步骤二中的高频三角载波频率一致，如图3（b）所示，通过计算图3（a）中第N个脉冲的面积即脉冲持续时长t n 乘以直流电源的电压V dc ，然后利用脉冲面积等效的原则即等面积原则，求出图3（b）中第N个脉冲需要的直流电压的幅值α V dc = t n *V dc / t on 。其中，t n 为第N个虚拟脉冲的导通时间，t on 为全桥逆变器每个脉冲的固定导通时间，αV dc 为每个脉冲需要的直流电压幅值。
步骤四：在全桥逆变器的控制脉冲信号的每个脉冲的上升沿/下降沿调节升降压斩波电路即Bust-Boost变换器的占空比β，利用公式αV dc =β*V dc /（1-β）计算每个脉冲需要的直流电压幅值αV dc ，得到β = α / ( 1+α)，按此控制升降压变换器的输出电压，保持该直流电压幅值，直至下一个脉冲到来；循环步骤三和步骤四的操作。
为了验证本发明提出的使用单逆变器输出双频正弦波信号的方法的可行性，基于上述实施方式在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型。在该仿真模型中，设置正弦信号f 1频率为100kHz，幅值为0.7V；正弦信号f 2频率为900kHz（可看作正弦信号f 1的第9次谐波），幅值为0.2V；三角载波信号频率为5MHz，幅值为1V，得到全桥逆变器输出电压的傅里叶分析如图4所示。图4是在该参数模式下对仿真模型中全桥逆变器输出的方波信号进行傅里叶分析得到的频谱图。从图4中可以看出在基波f 1（100kHz）及第9次谐波f 2（900kHz）处幅值最大，第9次谐波f 2幅值约占基波f 1幅值的29%，与初始设置一致，其余非期望谐波均被极大削弱，得到的频谱图整体干净，效果良好。
本发明基于固定的脉宽，通过运用窄脉冲面积等效原则实时调节脉冲电压幅值，达到采用一个逆变器同时输出两个频率之效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种单逆变器固定脉冲频率输出双频正弦波的方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤一：搭建功率信号发生电路，所述功率信号发生电路包括直流电源、升降压斩波电路和全桥逆变器，直流电源与升降压斩波电路相连接，升降压斩波电路与全桥逆变器相连接；
步骤二：利用两个不同频率、不同幅值的正弦波先叠加后载波的思路生成用于参考的面积的虚拟脉冲；
步骤三：固定全桥逆变器的控制脉冲信号的占空比并保持频率与步骤二中的载波频率一致，利用等面积原则将全桥逆变器输出信号的每一个脉冲与步骤二中的虚拟脉冲进行实时比较计算得到全桥逆变器输出信号的每一个脉冲时刻所需的直流电压幅值；
步骤四：根据步骤三计算所得的直流电压幅值，在全桥逆变器的控制脉冲信号的每个脉冲的上升沿/下降沿调节升降压斩波电路的占空比β，使得升降压斩波电路输出直流电压幅值，并保持该直流电压幅值直至下一个脉冲到来；循环步骤三和步骤四的操作。
2.根据权利要求1所述的单逆变器固定脉冲频率输出双频正弦波的方法，其特征在于，所述升降压斩波电路采用Buck-Boost变换器。
3.根据权利要求1所述的单逆变器固定脉冲频率输出双频正弦波的方法，其特征在于，所述全桥逆变器的控制脉冲信号的占空比和频率均为固定值，控制脉冲信号的频率与载波频率一致。
4.根据权利要求1或2所述的单逆变器固定脉冲频率输出双频正弦波的方法，其特征在于，所述步骤二中生成用于参考的面积的虚拟脉冲的方法为：将预调制的两个不同频率、不同幅值的正弦波在数值上相叠加生成合成正弦波，再利用高频的三角载波与合成正弦波在数值上相比较，当合成正弦波幅值大于等于三角载波幅值时，输出为高电平，否则输出为低电平，从而得到用于参考的面积的虚拟脉冲。
5.根据权利要求2所述的单逆变器固定脉冲频率输出双频正弦波的方法，其特征在于，所述全桥逆变器输出的脉冲电压的第N个脉冲的面积为脉冲持续时长t n 乘以直流电源的电压V dc ，然后利用等面积原则，求出步骤三中第N个脉冲所需的直流电压幅值αV dc = t n *V dc / t on ，即α= t n / t on ，其中，α为Buck-Boost变换器的电压调节比，t n 为第N个脉冲的持续时长，t on 为全桥逆变器每个脉冲的固定导通时间。
6.根据权利要求5所述的单逆变器固定脉冲频率输出双频正弦波的方法，其特征在于，所述步骤四中升降压变换器的占空比β = α / ( 1+α )。
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