CN113746308A - 用于高频无桥整流电路的开关管驱动信号电路及整流方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高频无桥整流电路的开关管驱动信号电路及整流方法，该电路包括积分电路、退饱和电路、交流同步PWM调制电路。所述退饱和电路用于在交流电流采样信号过零时为积分电路复位；所述交流同步PWM调制电路用于将积分电路的输出与输入的调制波信号进行调制；所述交流同步PWM调制电路共有两路输入信号，分别是交流采样信号和调制波信号；所述交流同步PWM调制电路共有两路输出信号，是两路对称的开关管驱动信号。本发明的电路能够实现高频无桥整流电路的同步驱动控制功能，通过调节调制波信号，就能对高频无桥整流电路的输出电流进行控制。

Description

用于高频无桥整流电路的开关管驱动信号电路及整流方法
技术领域
本发明属于电路变换技术领域，具体涉及一种用于高频无桥整流电路的开关管驱动信号电路及整流方法。
背景技术
相比于传统的PWM调制电路方案，无桥拓扑中没有二极管整流桥，并采用一对在交流的正负半周期互补工作的DC-DC电路同时实现整流和控制的功能。虽然无桥方案的电流通路上串联的器件更少，但由于对开关管的控制需要与输入的高频交流电同步，实现难度较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种用于高频无桥整流电路的开关管驱动信号电路及整流方法，能够实现精确地过零点同步，同时针对积分电路环节，设计了一种退饱和电路，对积分电路进行快速复位。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
用于高频无桥整流电路的开关管驱动信号电路，所述电路包括依次连接的退饱和电路、积分电路、交流同步PWM调制电路；所述退饱和电路用于在交流电流采样信号过零时为积分电路复位；所述交流同步PWM调制电路用于将积分电路的输出与输入的调制波信号进行调制；所述交流同步PWM调制电路共有两路输入信号，分别是交流采样信号和调制波信号；所述交流同步PWM调制电路共有两路输出信号，是两路对称的开关管驱动信号。
进一步地，所述高频无桥整流电路包括电源V2、二极管D1、二极管D2、开关管S3、开关管S4、滤波电容C5、负载电阻R18；所述D1、D2、S3、S4按全桥结构连接，并与所述C5、R18并联；所述电源V2是交流电流源，或等效为交流电流源、具有交流电流源特性的电路。
进一步地，所述积分电路包括运算放大器U3、U4，电阻R1、R2、R3、R4、R6、R7、R8、R9，电容C1、C2；所述U3的同相端通过R1接地、反相端通过R3连接电源正极；所述R2连接U3的同相端和输出端、R4连接U3的反相端与输出端；所述C1连接U3的反相端与电源负极；所述U4的同相端通过R6接地、反相端通过R8连接电源正极；所述R7连接U4的同相端和输出端、R9连接U4的反相端与输出端；所述C2连接U4的反相端与电源负极。
进一步地，所述退饱和电路包括电阻R18、比较器芯片U8、17个反相器、与门芯片U1、或非门芯片U2、开关管S1、限流电阻R5、开关管S2、限流电阻R10；所述R18与U8的同相端连接；所述U8的反相端接地；所述17个反相器依次串联；所述U8的输出端与17个反相器串联后的首端连接；所述U1的输入端与17个反相器串联后的首端与末端分别连接；所述U2的输入端与17个反相器串联后的首段与末端分别连接；所述U1的输出端与S1的栅极连接；所述S1的漏极串联R5与所述积分电路中的运算放大器U3的反相端连接，S1的源极与电源负极连接；所述U2的输出端与S2的栅极连接；所述S2的漏极串联R10与所述积分电路中的运算放大器U4的反相端连接，S2的源极与电源负极连接。
进一步地，所述交流同步PWM调制电路包括运算放大器U5，比较器U6、U7，电阻R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17；所述U5的同相端与R13连接，反相端串联R14与电源的负极连接；所述R15连接U5的同相端与反相端；所述U6的同相端串联R11与所述积分电路中的运算放大器U3的输出端连接，U6的反相端串联R16与U5的输出端连接；所述U7的同相端串联R17与所述积分电路中的运算放大器U4的输出端连接，U7的反相端串联R17与U5的输出端连接。
进一步地，所述交流采样信号以电压信号的形式施加于所述电阻R18与电源负极之间。
进一步地，所述调制波信号以电压信号的形式施加于所述R13与电源负极之间。
进一步地，所述用于产生高频无桥整流电路的开关管驱动信号电路中所有的有源器件都共用一个电源V1，包括所述积分电路中的U3、U4，所述退饱和电路中的U8、17个反相器、U1、U2，所述交流同步PWM调制电路中的U5、U6、U7。
进一步地，所述的电阻R1、R2、R3、R4、R6、R7、R8、R9的阻值全部相等，所述U3、U4型号相同。
用上述电路在高频无桥整流电路的整流方法，该方法包括如下步骤：
在退饱和电路中，交流电流采样信号从U8的同相端输入，该采样信号的周期用T表示U8对该采样信号进行过零比较，输出一个过零比较信号；后续17个反相器组成一个延时反相器；将过零比较信号和延时反相器的输出信号与U1的两个输入端连接，U1在过零比较信号的上升沿输出一个短脉冲，在该脉冲的作用下S1导通，C1通过R5和S1构成的回路放电，uc1变为零；将过零比较信号和延时反相器的输出信号与U2的两个输入端连接，U2在过零比较信号的下降沿输出一个短脉冲，在该脉冲的作用下S2导通，C2通过R10和S2构成的回路放电，uc2变为零；
积分电路中R1、R2、R3、R4、R6、R7、R8、R9的阻值全部相等，用R进行表示，电容C1、C2的容值相等，用C表示，电源电压用uVcc表示，则U3和U4的输出电压为：
Figure BDA0003270805630000031
uc最大不超过电源电压uVcc。在退饱和电路的作用下，当满足公式(2)时，uc呈现为锯齿波；
Figure BDA0003270805630000032
交流同步PWM调制电路中的U5、R13、R14、R15组成电压跟随器，U6、R11、R16组成比较器，U7、R12、R17组成比较器；调制波信号从U5的同相端输入，用D表示，则U5的输出电压为：
Figure BDA0003270805630000033
U6对uc1和uU5进行比较，输出信号PWM1；U7对uc2和uU5进行比较，输出信号PWM2。PWM1和PWM2的占空比相等，用d表示，且d：
Figure BDA0003270805630000034
对高频无桥整流电路进行整流，整流前的电流用is表示，若is为：
Figure BDA0003270805630000035
式中Is是is的幅值，
Figure BDA0003270805630000037
是初始相位；
则整流电路的输出电流为：
Figure BDA0003270805630000036
本发明的有益效果：
本发明提出了一种交流同步PWM调制方法，可用于电流源型输入的高频无桥整流电路。该方法能够实现用一个电压变量控制无桥整流电路的输出电流；并且能够实现同步整流和零电流关断。该方法能够实现无桥拓扑在高频整流电路中的应用，并能有效提高基于无桥拓扑的无线电能传输系统的次级侧变换电路的效率。
附图说明
图1是本发明所述的高频无桥整流电路的主电路拓扑与控制框图；
图2是本发明所述的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本实施例中用于高频无桥整流电路的开关管驱动信号电路如图1所示，该电路包括电源V2、二极管D1、二极管D2、开关管S3、开关管S4、滤波电容C5、负载电阻R18；所述D1、D2、S3、S4按全桥结构连接，并与所述C5、R18并联；所述电源V2是交流电流源，或可以等效为交流电流源、具有交流电流源特性的电路。
本发明所述的交流同步PWM调制电路如图2所示，该电路包含积分电路、退饱和电路、PWM调制电路三个部分。
所述交流同步PWM调制电路工作方式如下：
(1)在退饱和电路中，交流电流采样信号从U8的同相端输入，该采样信号的周期用T表示U8对该采样信号进行过零比较，输出一个过零比较信号；后续17个反相器组成一个延时反相器；将过零比较信号和延时反相器的输出信号与U1的两个输入端连接，U1在过零比较信号的上升沿输出一个短脉冲，在该脉冲的作用下S1导通，C1通过R5和S1构成的回路放电，uc1变为零；将过零比较信号和延时反相器的输出信号与U2的两个输入端连接，U2在过零比较信号的下降沿输出一个短脉冲，在该脉冲的作用下S2导通，C2通过R10和S2构成的回路放电，uc2变为零。
(2)图2所示的积分电路包含两个参数一致的积分器，其中R1、R2、R3、R4、R6、R7、R8、R9的阻值全部相等，用R进行表示，电容C1、C2的容值相等，用C表示，电源电压用uVcc表示，则U3和U4的输出电压为：
Figure BDA0003270805630000041
uc最大不超过电源电压uVcc。在退饱和电路的作用下，当满足公式(2)时，uc呈现为锯齿波。
Figure BDA0003270805630000042
(3)图2所示的PWM调制电路包括U5、R13、R14、R15组成的电压跟随器，U6、R11、R16组成的比较器，U7、R12、R17组成的比较器。调制波信号从U5的同相端输入，用D表示，则U5的输出电压为：
Figure BDA0003270805630000043
U6对uc1和uU5进行比较，输出信号PWM1；U7对uc2和uU5进行比较，输出信号PWM2。PWM1和PWM2的占空比相等，用d表示，且d：
Figure BDA0003270805630000044
将本发明所述的交流同步PWM调制电路运用至所述的高频无桥整流电路中，整流前的电流用is表示，若is为：
Figure BDA0003270805630000051
式中Is是is的幅值，
Figure BDA0003270805630000053
是初始相位。
则整流电路的输出电流为：
Figure BDA0003270805630000052
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于高频无桥整流电路的开关管驱动信号电路，其特征在于：所述电路包括依次连接的退饱和电路、积分电路、交流同步PWM调制电路；所述退饱和电路用于在交流电流采样信号过零时为积分电路复位；所述交流同步PWM调制电路用于将积分电路的输出与输入的调制波信号进行调制；所述交流同步PWM调制电路共有两路输入信号，分别是交流采样信号和调制波信号；所述交流同步PWM调制电路共有两路输出信号，是两路对称的开关管驱动信号。
2.根据权利要求1所述的用于高频无桥整流电路的开关管驱动信号电路，其特征在于：所述高频无桥整流电路包括电源V2、二极管D1、二极管D2、开关管S3、开关管S4、滤波电容C5、负载电阻R18；所述D1、D2、S3、S4按全桥结构连接，并与所述C5、R18并联；所述电源V2是交流电流源，或等效为交流电流源、具有交流电流源特性的电路。
3.根据权利要求1所述的用于高频无桥整流电路的开关管驱动信号电路，其特征在于：所述积分电路包括运算放大器U3、U4，电阻R1、R2、R3、R4、R6、R7、R8、R9，电容C1、C2；所述U3的同相端通过R1接地、反相端通过R3连接电源正极；所述R2连接U3的同相端和输出端、R4连接U3的反相端与输出端；所述C1连接U3的反相端与电源负极；所述U4的同相端通过R6接地、反相端通过R8连接电源正极；所述R7连接U4的同相端和输出端、R9连接U4的反相端与输出端；所述C2连接U4的反相端与电源负极。
4.根据权利要求3所述的用于高频无桥整流电路的开关管驱动信号电路，其特征在于：所述退饱和电路包括电阻R18、比较器芯片U8、17个反相器、与门芯片U1、或非门芯片U2、开关管S1、限流电阻R5、开关管S2、限流电阻R10；所述R18与U8的同相端连接；所述U8的反相端接地；所述17个反相器依次串联；所述U8的输出端与17个反相器串联后的首端连接；所述U1的输入端与17个反相器串联后的首端与末端分别连接；所述U2的输入端与17个反相器串联后的首段与末端分别连接；所述U1的输出端与S1的栅极连接；所述S1的漏极串联R5与所述积分电路中的运算放大器U3的反相端连接，S1的源极与电源负极连接；所述U2的输出端与S2的栅极连接；所述S2的漏极串联R10与所述积分电路中的运算放大器U4的反相端连接，S2的源极与电源负极连接。
5.根据权利要求3所述的用于高频无桥整流电路的开关管驱动信号电路，其特征在于：所述交流同步PWM调制电路包括运算放大器U5，比较器U6、U7，电阻R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17；所述U5的同相端与R13连接，反相端串联R14与电源的负极连接；所述R15连接U5的同相端与反相端；所述U6的同相端串联R11与所述积分电路中的运算放大器U3的输出端连接，U6的反相端串联R16与U5的输出端连接；所述U7的同相端串联R17与所述积分电路中的运算放大器U4的输出端连接，U7的反相端串联R17与U5的输出端连接。
6.根据权利要求4所述的用于高频无桥整流电路的开关管驱动信号电路，其特征在于：所述交流采样信号以电压信号的形式施加于所述电阻R18与电源负极之间。
7.根据权利要求5所述的用于高频无桥整流电路的开关管驱动信号电路，其特征在于：所述调制波信号以电压信号的形式施加于所述R13与电源负极之间。
8.根据权利要求1-7任一项所述的用于高频无桥整流电路的开关管驱动信号电路，其特征在于：所述用于产生高频无桥整流电路的开关管驱动信号电路中所有的有源器件都共用一个电源V1，包括所述积分电路中的U3、U4，所述退饱和电路中的U8、17个反相器、U1、U2，所述交流同步PWM调制电路中的U5、U6、U7。
9.根据权利要求3所述的用于高频无桥整流电路的开关管驱动信号电路，其特征在于：所述的电阻R1、R2、R3、R4、R6、R7、R8、R9的阻值全部相等，所述U3、U4型号相同。
10.用权利要求1-9之一所述电路在高频无桥整流电路的整流方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)在退饱和电路中，交流电流采样信号从U8的同相端输入，该采样信号的周期用T表示U8对该采样信号进行过零比较，输出一个过零比较信号；后续17个反相器组成一个延时反相器；将过零比较信号和延时反相器的输出信号与U1的两个输入端连接，U1在过零比较信号的上升沿输出一个短脉冲，在该脉冲的作用下S1导通，C1通过R5和S1构成的回路放电，uc1变为零；将过零比较信号和延时反相器的输出信号与U2的两个输入端连接，U2在过零比较信号的下降沿输出一个短脉冲，在该脉冲的作用下S2导通，C2通过R10和S2构成的回路放电，uc2变为零；
(2)积分电路中R1、R2、R3、R4、R6、R7、R8、R9的阻值全部相等，用R进行表示，电容C1、C2的容值相等，用C表示，电源电压用uVcc表示，则U3和U4的输出电压为：
Figure FDA0003270805620000021
uc最大不超过电源电压uVcc，在退饱和电路的作用下，当满足公式(2)时，uc呈现为锯齿波；
Figure FDA0003270805620000022
(3)交流同步PWM调制电路中的U5、R13、R14、R15组成电压跟随器，U6、R11、R16组成比较器，U7、R12、R17组成比较器；调制波信号从U5的同相端输入，用D表示，则U5的输出电压为：
Figure FDA0003270805620000031
U6对uc1和uU5进行比较，输出信号PWM1；U7对uc2和uU5进行比较，输出信号PWM2，PWM1和PWM2的占空比相等，用d表示，且d：
Figure FDA0003270805620000032
(4)对高频无桥整流电路进行整流，整流前的电流用is表示，若is为：
Figure FDA0003270805620000033
式中Is是is的幅值，
Figure FDA0003270805620000034
是初始相位；
则整流电路的输出电流为：
Figure FDA0003270805620000035
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