CN113726238A - 一种大功率开关磁阻电机控制电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于航空电机控制技术领域,特别涉及一种大功率开关磁阻电机控制电路及其控制方法,该控制电路包括两个相同的单三相不对称半桥拓扑,以及输入电容C1、发电滤波电容C2以及二极管D3;其中,上管功率开关管的集电极、输入电容C1的正端、二极管D3的阴极汇流至起动机电压输入正端;上管二极管的阴极,发电滤波电容C2的正端、二极管D3的阳极汇流至发电电压输出正端;下管功率开关管的发射极、下管二极管的阳极、输入电容C1的负端、发电滤波电容C2的负端汇流后分两个接线端子分别连接至发电电压输出负端、起动机电压输入负端。本申请在不增加功率器件的应力水平的情况下,减少了功率器件数量,提高了系统功重比和可靠性。
Description
技术领域
本申请属于航空电机控制技术领域,特别涉及一种大功率开关磁阻电机控制电路及其控制方法。
背景技术
对于开关磁阻起动/发电功率拓扑,国内外研究较多,但主要集中在小功率等级,且以单三相不对称半桥功率拓扑居多,其拓扑如图1所示。
在图1中,每一相的桥臂可由控功率管与二极管独立组成或者由不对称半桥模块组成,通过对每相不对称半桥电路中功率管的控制,进而实现开关磁阻电机三相绕组的独立控制。在该拓扑中,通过对每一相不对称电路中开关管的通断控制,可分为四种工作模态:正压励磁模态、零压上管续流模态、零压下管续流模态、负压退磁模态。
在传统的控制策略中,以A相为例进行说明,当电机转子的位置角度θ处于A相导通区间,即满足θon≤θ≤θoff时,控制功率开关管VT11、VT12导通或关断,使A相工作在正压励磁模态或零压上管续流模态或零压下管续流模态;而在A相角度导通区间外,使功率开关管VT11、VT12保持关断状态,使A相工作在负压退磁模态。其控制信号时序图如图2所示,图中S1为A相绕组的位置角度θ与导通区间相对位置波形,S2为PWM调制波形,G11为开关管VT11的控制信号,G12为开关管VT12的控制信号。
在图2中,①阶段为正压励磁模态,开关管VT11、VT12导通;②阶段为零压下管续流模态,开关管VT12导通,VT11关断,A相电流I通过VT12、D11续流,电流大小为相电流I;③阶段为正压励磁模态,开关管VT11、VT12导通;④阶段为零压上管续流,开关管VT11导通,VT12关断,A相电流I通过VT11、D12、D3续流,电流大小为相电流I。
通过上述分析开关管VT11、VT12的控制信号G11、G12同时满足以下逻辑关系:
①当电机转子的位置角度θ处于A相导通区间,满足θon≤θ≤θoff时,在θ=θon时刻开始,对PWM调制波形S2的下降沿从0计数。
②当PWM调制波形S2检测到上升沿时,G11、G12输出高电平;
③当PWM调制波形S2检测到下降沿时,若i为奇数,G11信号保持,G12信号输出低电平;若i为偶数,G11信号输出低电平,G12信号保持;
开关管VT21、VT22的控制信号G21、G22在电机转子的位置角度θ处于B相导通区间时也满足上述②③逻辑关系;开关管VT31、VT32的控制信号G31、G32在电机转子的位置角度θ处于C相导通区间时也满足上述②③逻辑关系。
随着多电飞机发展,大功率起动/发电系统已成为必然。但受现阶段功率器件功率等级的限制,单三相不对称半桥功率拓扑无法满足大功率起动/发电系统的需求。
因此,可通过两个单三相不对称半桥功率拓扑进行并联,组成双三相不对称半桥功率拓扑,如图3所示。
在传统的双三相不对称半桥功率拓扑中,两个单三相不对称半桥功率拓扑不存在耦合现象,可采用传统的针对单三相不对称半桥拓扑的控制策略。且两单三相不对称半桥对应相之间的相位差可以进行调整,下文以两单三相不对称半桥对应相之间相位差为0进行分析。图4为控制时序图。以A1、A2相为例,双三相不对称半桥中开关管VT11、VT12、VT13、VT14的控制信号G11、G12、G13、G14需同时满足以下逻辑关系与式1:
①当电机转子的位置角度θ处于A相导通区间,满足θon≤θ≤θoff时,在θ=θon时刻开始,对PWM调制波形S2的下降沿从0计数。
②当PWM调制波形S2检测到上升沿时,G11、G12输出高电平;
③当PWM调制波形S2检测到下降沿时,若i为奇数,G11信号保持,G12信号输出低电平;若i为偶数,G11信号输出低电平,G12信号保持;G13与G11控制策略相同,G14与G12控制策略相同。
开关管VT21、VT22、VT23、VT24的控制信号G21、G22、G23、G24在电机转子的位置角度θ处于B相导通区间时也满足上述②③逻辑关系和式1;开关管VT31、VT32、VT33、VT34的控制信号G31、G32、G33、G34在电机转子的位置角度θ处于C相导通区间时也满足上述②③逻辑关系和式1。
在图4中,①阶段为励磁模态,开关管VT11、VT12、VT13、VT14导通;②阶段为下管续流模态,开关管VT12、VT14导通,VT11、VT13关断,A1绕组上的相电流通过VT12、D11续流,A2绕组上的相电流通过VT14、D13续流;③阶段为励磁模态,开关管VT11、VT12、VT13、VT14导通;④阶段为上管续流,开关管VT11、VT13导通,VT12、VT14关断,A1绕组上的相电流通过VT11、D12、D3续流,A2绕组上的相电流通过VT13、D14、D4续流。
传统的双三相不对称半桥功率拓扑虽然在现有的功率器件等级下,满足了大功率需求,但仍有一些缺点:传统的双三相不对称半桥功率拓扑增加了功率器件的数量,增大了系统的体积和重量,使系统的功重比降低;
因此,在满足大功率且不降低功率等级的要求下,如何通过优化控制策略,减少功率拓扑器件数量,降低功率器件体积重量,提高系统功重比,成为本发明的目的。
发明内容
为了解决上述技术问题,本申请针对航空高压直流开关磁阻大功率起动/发电系统中的开关磁阻电机提出了一种控制策略,在满足大功率且不降低功率等级的要求下,通过优化控制策略,减少了功率拓扑器件数量,降低了功率器件体积重量,进而提高了系统功重比,为后续开关磁阻大功率起动/发电系统应用奠定了基础,同时也为其他同类系统提供参考。
本申请第一方面提供了一种大功率开关磁阻电机控制电路,包括两个相同的单三相不对称半桥拓扑,每一相不对称半桥拓扑包括正相与负相,正相包括上管功率开关管与下管二极管,负相包括下管功率开关管与上管二极管,大功率开关磁阻电机控制电路还包括输入电容C1、发电滤波电容C2以及二极管D3;其中,
每一相不对称半桥拓扑的上管功率开关管的集电极、输入电容C1的正端、二极管D3的阴极汇流至起动机电压输入正端;
每一相不对称半桥拓扑的上管二极管的阴极,发电滤波电容C2的正端、二极管D3的阳极汇流至发电电压输出正端;
每一相不对称半桥拓扑的下管功率开关管的发射极、下管二极管的阳极、输入电容C1的负端、发电滤波电容C2的负端汇流后分两个接线端子分别连接至发电电压输出负端、起动机电压输入负端。
优选的是,所述控制电路具有第一模态,所述第一模态为励磁模态,当所述控制电路处于第一模态时,两个所述单三相不对称半桥拓扑的上管功率开关管及下管功率开关管均被控制输出高电平。
优选的是,所述控制电路具有第二模态,所述第二模态为续流模态,当所述控制电路处于第二模态时,第一个所述单三相不对称半桥拓扑的上管功率开关管续流,被控制输出高电平,第二个所述单三相不对称半桥拓扑的下管功率开关管续流,被控制输出高电平。
优选的是,所述控制电路具有第三模态,所述第三模态为续流模态,当所述控制电路处于第三模态时,第一个所述单三相不对称半桥拓扑的下管功率开关管续流,被控制输出高电平,第二个所述单三相不对称半桥拓扑的上管功率开关管续流,被控制输出高电平。
优选的是,所述控制电路具有第四模态,所述第三模态为负压退磁模态,当所述控制电路处于第四模态时,两个所述单三相不对称半桥拓扑的上管功率开关管及下管功率开关管均关闭。
本申请第二方面提供了一种大功率开关磁阻电机控制电路控制方法,采用如权利要求1所述的大功率开关磁阻电机控制电路,所述方法包括:
步骤S1、通过控制两个所述单三相不对称半桥拓扑的上管功率开关管与下管功率开关管的开闭,将所述大功率开关磁阻电机控制电路形成三个控制模态,第一模态为励磁模态,第二模态为上管续流模态,第三模态为下管续流模态,所述励磁模态下两个不对称半桥拓扑的上管功率开关管与下管功率开关管均输出高电平,所述上管续流模态是指一个不对称半桥拓扑的上管功率开关管输出高电平,所述下管续流模态是指另一个不对称半桥拓扑的上管功率开关管输出高电平;
步骤S2、采用第一模态、第二模态、第一模态、第三模态交替控制的循环控制方式控制所述大功率开关磁阻电机控制电路的各上管功率开关管与下管功率开关管的开闭。
优选的是,所述交替控制的循环控制方式包括:
步骤S21、当电机转子的位置角度θ处于A相导通区间,满足θon≤θ≤θoff时,在θ=θon时刻开始,对PWM调制波形S2的下降沿从0计数;
步骤S22、当PWM调制波形S2检测到上升沿时,G11、G12、G13及G13输出高电平,其中,第一个所述单三相不对称半桥拓扑的上管功率开关管具有第一控制信号G11,第一个所述单三相不对称半桥拓扑的下管功率开关管具有第二控制信号G12,第二个所述单三相不对称半桥拓扑的上管功率开关管具有第三控制信号G13,第二个所述单三相不对称半桥拓扑的下管功率开关管具有第四控制信号G13;
步骤S23、当PWM调制波形S2检测到下降沿时,若i为奇数,G11信号保持,G12信号输出低电平;若i为偶数,G11信号输出低电平,G12信号保持。
本申请针对大功率开关磁阻电机,通过控制策略的优化,对比传统双三相不对称半桥功率拓扑,在不增加功率器件的应力水平的情况下,减少了功率器件数量,提高了系统功重比和可靠性。
附图说明
图1是传统的开关磁阻单三相不对称半桥功率拓扑示意图。
图2是传统的单三相不对称半桥控制信号时序图。
图3是传统的双三相不对称半桥功率拓扑示意图。
图4是传统的双三相不对称半桥控制信号时序图。
图5是本申请大功率开关磁阻电机控制电路的一优选实施例的双三相不对称半桥功率拓扑示意图。
图6是基于本申请的大功率开关磁阻电机控制电路采用传统策略进行控制时的正压励磁模态示意图。
图7a-图7d分别是本申请大功率开关磁阻电机控制电路控制方法的一优选实施例的各控制策略工作模态图。
图8是本申请大功率开关磁阻电机控制电路控制方法的一优选实施例的控制策略时序图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施方式中的附图,对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中,自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式,而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的,旨在用于解释本申请,而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式,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他实施方式,都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
本申请第一方面提供了一种大功率开关磁阻电机控制电路,包括两个相同的单三相不对称半桥拓扑,每一相不对称半桥拓扑包括正相与负相,正相包括上管功率开关管与下管二极管,负相包括下管功率开关管与上管二极管,大功率开关磁阻电机控制电路还包括输入电容C1、发电滤波电容C2以及二极管D3;其中,
每一相不对称半桥拓扑的上管功率开关管的集电极、输入电容C1的正端、二极管D3的阴极汇流至起动机电压输入正端;
每一相不对称半桥拓扑的上管二极管的阴极,发电滤波电容C2的正端、二极管D3的阳极汇流至发电电压输出正端;
每一相不对称半桥拓扑的下管功率开关管的发射极、下管二极管的阳极、输入电容C1的负端、发电滤波电容C2的负端汇流后分两个接线端子分别连接至发电电压输出负端、起动机电压输入负端。
如图5所示,本申请的功率拓扑主要由双三相不对称半桥拓扑、起动输入滤波电容、发电输出滤波电容组成。其中,起动输入滤波电容为C1,发电输出滤波电容为C2。
在该双三相不对称半桥功率拓扑中,双三相不对称半桥拓扑由结构相同的单三相不对称半桥拓扑——通道1和通道2组成。通道1的A1、B1、C1不对称半桥拓扑与通道2的A2、B2、C2不对称半桥拓扑结构一致,以A1不对称半桥拓扑为例说明。其中A1相不对称半桥拓扑主要由2组不对称半桥拓扑构成,其中A1相+不对称半桥拓扑上管功率开关管命名VT11、下管二极管命名D11,A1相-半桥模块下管功率开关管命名VT12,上管二极管命名D12。
A1相+功率开关管VT11的集电极端、B1相+功率开关管VT21的集电极端、C1相+功率开关管VT31的集电极端、输入电容C1的正端、A2相+功率开关管VT13的集电极端、B2相+功率开关管VT23的集电极端、C2相+功率开关管VT33的集电极端、D3二极管阴极,通过汇流条连接成一个电气参考点,命名为起动输入+;
A1相-二极管D12的阴极、B1相-二极管D22的阴极、C1相-二极管D32的阴极、发电电容C2的正端、A2相-二极管D14的阴极、B2相-二极管D24的阴极、C2相-二极管D34的阴极、D3二极管阳极,通过汇流条连接成一个电气参考点,命名为发电输出+。
A1相+二极管D11阳极、A1相-功率开关管VT12的发射极端、B1相+二极管D21阳极、B1相-功率开关管VT22的发射极端、C1相+二极管D31阳极、C1相-功率开关管VT32的发射极端、A2相+二极管D13阳极、A2相-功率开关管VT14的发射极端、B2相+二极管D23阳极、B2相-功率开关管VT24的发射极端、C2相+二极管D33阳极、C2相-功率开关管VT34的发射极端、发电滤波电容C2的负端,通过汇流条连接成一个电气参考点,分2个接线端子命名为起动输入-和发电输出-。
通道1的A1相电机+绕组连接到功率拓扑A1相+功率开关管VT11的发射级与二极管D11的阴极公共点上,通道1的A1相电机-绕组连接到功率拓扑A1相-功率开关管VT12的集电极与二极管D12的阳极公共点上,其他电机相绕组与功率拓扑接法类似,不再详述。
由于二极管D12、D22、D32、D14、D24、D34的单向导电性,两个单三相不对称半桥功率拓扑间不存在耦合现象,可进行独立控制。同时也可对两单三相不对称半桥对应相之间的相位差进行调整,下文以两单三相不对称半桥对应相之间相位差为0进行分析。
由于两个单三相不对称半桥功率拓扑间不存在耦合现象,因此可沿用传统的双三相不对称半桥控制策略。根据每相功率开关管通断状态的不同分为四种工作模态,以A相为例进行说明,工作模态如图6所示。
该模态下,开关管VT11、VT13导通,VT12、VT14关断。A1绕组上的相电流通过VT11、D12、D3续流,A2绕组上的相电流通过VT13、D14、D3续流。由上图所示,流过二极管D3的电流为2I。由于电机的对称性,当B1和B2相绕组、C1和C2相绕组工作时也存在相同的现象。
为减小流过二极管D3的电流,本申请对传统的控制策略进行了优化,提供了一种基于大功率开关磁阻电机控制电路的大功率开关磁阻电机控制电路控制方法,使流过二极管D3的电流降低为I,电流减小了一倍,降低对D3通流能力的要求,进而降低功率器件体积重量。该方法主要包括:
步骤S1、通过控制两个所述单三相不对称半桥拓扑的上管功率开关管与下管功率开关管的开闭,将所述大功率开关磁阻电机控制电路形成三个控制模态,第一模态为励磁模态,第二模态为上管续流模态,第三模态为下管续流模态,所述励磁模态下两个不对称半桥拓扑的上管功率开关管与下管功率开关管均输出高电平,所述上管续流模态是指一个不对称半桥拓扑的上管功率开关管输出高电平,所述下管续流模态是指另一个不对称半桥拓扑的上管功率开关管输出高电平;
步骤S2、采用第一模态、第二模态、第一模态、第三模态交替控制的循环控制方式控制所述大功率开关磁阻电机控制电路的各上管功率开关管与下管功率开关管的开闭。
在一些可选实施方式中,所述交替控制的循环控制方式包括:
步骤S21、当电机转子的位置角度θ处于A相导通区间,满足θon≤θ≤θoff时,在θ=θon时刻开始,对PWM调制波形S2的下降沿从0计数;
步骤S22、当PWM调制波形S2检测到上升沿时,G11、G12、G13及G13输出高电平,其中,第一个所述单三相不对称半桥拓扑的上管功率开关管具有第一控制信号G11,第一个所述单三相不对称半桥拓扑的下管功率开关管具有第二控制信号G12,第二个所述单三相不对称半桥拓扑的上管功率开关管具有第三控制信号G13,第二个所述单三相不对称半桥拓扑的下管功率开关管具有第四控制信号G13;
步骤S23、当PWM调制波形S2检测到下降沿时,若i为奇数,G11信号保持,G12信号输出低电平;若i为偶数,G11信号输出低电平,G12信号保持。
下面对发明的新型双三相不对称半桥拓扑控制策略进行说明,并对A相为例。
当电机转子的位置角度θ处于A相导通区间,即满足θon<θ<θoff时,控制功率开关管VT11、VT12、VT13、VT14导通或关断,使A相工作在第一模态或第二模态或第三模态;而在A1、A2相导通区间外,使功率开关管VT11、VT12、VT13、VT14保持关断状态,使A相工作在第四模态,工作模态如图7所示。其中,图7a是第一模态,为正压励磁模态,VT11与VT14通常一起控制开闭,VT12与VT13通常一起控制开闭,因此,为了简化描述,由G11控制VT11与VT14开闭,由G12控制VT12与VT13开闭,图7a中,G11与G12均控制打开状态。图7b是第二模态,为零压上管续流模态,G11打开,G12关闭。图7c是第三模态,为零压下管续流模态,G11关闭,G12打开。图7d是第四模态,为负压退磁模态。
在θon<θ<θoff时,通过对A1、A2相电流的判断,使功率拓扑工作在励磁模态或续流模态。在续流模态时,当A1相采用上管续流时,A2相采用下管续流;当A1相采用下管续流时,A2相采用上管续流。同时,A1相采用一次上管续流、一次下管续流交替的控制策略,即模态一→模态二→模态一→模态三为一个循环。
通过上述分析开关管VT11、VT12、VT13、VT14的控制信号G11、G12、G13、G14同时满足以下逻辑关系与式2:
①当电机转子的位置角度θ处于A相导通区间,满足θon≤θ≤θoff时,在θ=θon时刻开始,对PWM调制波形S2的下降沿从0计数。
②当PWM调制波形S2检测到上升沿时,G11、G12输出高电平;
③当PWM调制波形S2检测到下降沿时,若i为奇数,G11信号保持,G12信号输出低电平;若i为偶数,G11信号输出低电平,G12信号保持。
开关管VT21、VT22、VT23、VT24的控制信号G21、G22、G23、G24在电机转子的位置角度θ处于B相导通区间时也满足上述②③逻辑关系和式2;开关管VT31、VT32、VT33、VT34的控制信号G31、G32、G33、G34在电机转子的位置角度θ处于C相导通区间时也满足上述②③逻辑关系和式2。
其控制信号时序图如图8所示,图中S1为A相绕组的位置角度θ与导通区间相对位置波形,S2为PWM调制波形,G11为开关管VT11的控制信号,G12为开关管VT12的控制信号,G13为开关管VT13的控制信号,G14为开关管VT14的控制信号。
本发明在传统的双三相不对称半桥功率拓扑的基础上,通过控制策略的优化,减少了功率拓扑器件数量,并降低了功率器件体积重量,进而提高了系统功重比,增加系统整体的可靠性。
以上所述,仅为本申请的具体实施方式,但本申请的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此,本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种大功率开关磁阻电机控制电路,包括两个相同的单三相不对称半桥拓扑,每一相不对称半桥拓扑包括正相与负相,正相包括上管功率开关管与下管二极管,负相包括下管功率开关管与上管二极管,其特征在于,还包括输入电容C1、发电滤波电容C2以及二极管D3;其中,
每一相不对称半桥拓扑的上管功率开关管的集电极、输入电容C1的正端、二极管D3的阴极汇流至起动机电压输入正端;
每一相不对称半桥拓扑的上管二极管的阴极,发电滤波电容C2的正端、二极管D3的阳极汇流至发电电压输出正端;
每一相不对称半桥拓扑的下管功率开关管的发射极、下管二极管的阳极、输入电容C1的负端、发电滤波电容C2的负端汇流后分两个接线端子分别连接至发电电压输出负端、起动机电压输入负端。
2.如权利要求1所述的大功率开关磁阻电机控制电路,其特征在于,所述控制电路具有第一模态,所述第一模态为励磁模态,当所述控制电路处于第一模态时,两个所述单三相不对称半桥拓扑的上管功率开关管及下管功率开关管均被控制输出高电平。
3.如权利要求1所述的大功率开关磁阻电机控制电路,其特征在于,所述控制电路具有第二模态,所述第二模态为续流模态,当所述控制电路处于第二模态时,第一个所述单三相不对称半桥拓扑的上管功率开关管续流,被控制输出高电平,第二个所述单三相不对称半桥拓扑的下管功率开关管续流,被控制输出高电平。
4.如权利要求1所述的大功率开关磁阻电机控制电路,其特征在于,所述控制电路具有第三模态,所述第三模态为续流模态,当所述控制电路处于第三模态时,第一个所述单三相不对称半桥拓扑的下管功率开关管续流,被控制输出高电平,第二个所述单三相不对称半桥拓扑的上管功率开关管续流,被控制输出高电平。
5.如权利要求1所述的大功率开关磁阻电机控制电路,其特征在于,所述控制电路具有第四模态,所述第三模态为负压退磁模态,当所述控制电路处于第四模态时,两个所述单三相不对称半桥拓扑的上管功率开关管及下管功率开关管均关闭。
6.一种大功率开关磁阻电机控制电路控制方法,其特征在于,采用如权利要求1所述的大功率开关磁阻电机控制电路,所述方法包括:
步骤S1、通过控制两个所述单三相不对称半桥拓扑的上管功率开关管与下管功率开关管的开闭,将所述大功率开关磁阻电机控制电路形成三个控制模态,第一模态为励磁模态,第二模态为上管续流模态,第三模态为下管续流模态,所述励磁模态下两个不对称半桥拓扑的上管功率开关管与下管功率开关管均输出高电平,所述上管续流模态是指一个不对称半桥拓扑的上管功率开关管输出高电平,所述下管续流模态是指另一个不对称半桥拓扑的上管功率开关管输出高电平;
步骤S2、采用第一模态、第二模态、第一模态、第三模态交替控制的循环控制方式控制所述大功率开关磁阻电机控制电路的各上管功率开关管与下管功率开关管的开闭。
7.如权利要求6所述的大功率开关磁阻电机控制电路控制方法,其特征在于,所述交替控制的循环控制方式包括:
步骤S21、当电机转子的位置角度θ处于A相导通区间,满足θon≤θ≤θoff时,在θ=θon时刻开始,对PWM调制波形S2的下降沿从0计数;
步骤S22、当PWM调制波形S2检测到上升沿时,G11、G12、G13及G13输出高电平,其中,第一个所述单三相不对称半桥拓扑的上管功率开关管具有第一控制信号G11,第一个所述单三相不对称半桥拓扑的下管功率开关管具有第二控制信号G12,第二个所述单三相不对称半桥拓扑的上管功率开关管具有第三控制信号G13,第二个所述单三相不对称半桥拓扑的下管功率开关管具有第四控制信号G13;
步骤S23、当PWM调制波形S2检测到下降沿时,若i为奇数,G11信号保持,G12信号输出低电平;若i为偶数,G11信号输出低电平,G12信号保持。
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