CN114696643A - 一种基于n次谐波和相位同步控制的负电阻 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于n次谐波和相位同步控制的负电阻，包括直流电压源、全桥逆变电路、过零比较器、数字控制器和驱动电路，数字控制器包含CAP模块及第一、二、三PWM模块；第二PWM模块产生两路方波控制信号PWMA2和PWMB2；第三PWM模块产生两路方波控制信号PWMA3和PWMB3；开关管驱动模块根据方波控制信号PWMA2、PWMB2、PWMA3、PWMB3分别生成四路开关管驱动信号；开关管驱动信号分别控制开关管的开通和关断，以实现对全桥逆变电路输出电压相位和有效值的控制。本发明可以通过改变全桥逆变电路输出电压的占空比，实现对全桥逆变电路输出电压有效值的灵活控制，同时降低全桥逆变电路的开关频率。

Description

一种基于n次谐波和相位同步控制的负电阻
技术领域
本发明涉及负电阻构造的技术领域，尤其是指一种基于n次谐波和相位同步控制的负电阻。
背景技术
负电阻是一种满足欧姆定律的一端口有源元件，特点是当选取关联参考方向时，其两端的电压和流过电流的相位相反，向外输出有功功率。现有的大功率负电阻构造方法主要有两种：一是基于自激振荡控制的逆变电路，二是基于移向控制的逆变电路。前者逆变电路输出电压的占空比始终等于1，只能通过在逆变电路前端级联DC-DC变换器来改变逆变电路直流侧的电压以实现对负电阻输出电压大小的调整，但这增加了系统的成本和体积，后者可以通过移向调节逆变器占空比，仅利用逆变电路实现对负电阻输出电压大小的调整。但现有的负电阻都是基于基波分量工作，这要求逆变电路的开关频率必须随着谐振频率同步升高，导致开关损耗增加、成本提高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于n次谐波和相位同步控制的负电阻，基于n次谐波，通过同步和移相控制生成逆变电路开关管的驱动信号，仅利用逆变电路，实现对逆变电路输出电压大小和相位的控制，同时大幅度降低了逆变电路的开关频率，所提出的负电阻构造具有结构简单、成本低、效率高、实用性强的特点。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于n次谐波和相位同步控制的负电阻，包括直流电压源、全桥逆变电路、过零比较器、数字控制器和驱动电路；所述直流电压源与全桥逆变电路相连；所述全桥逆变电路包含4个半导体功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4；所述过零比较器生成与全桥逆变电路输出电流n次谐波分量相位相同且频率相同的方波信号；所述数字控制器包含CAP模块、第一PWM模块、第二PWM模块和第三PWM模块；所述CAP模块捕获过零比较器生成的方波信号的上升沿，实时获取全桥逆变电路输出电流n次谐波分量的相位和频率，并且当CAP模块捕获到方波信号的第(n+1)个上升沿时，生成第一PWM模块的同步信号；所述第二PWM模块产生两路方波控制信号PWMA2和PWMB2；所述第三PWM模块产生两路方波控制信号PWMA3和PWMB3；所述驱动电路根据方波控制信号PWMA2、PWMB2、PWMA3、PWMB3分别生成四路开关管驱动信号VGS1、VGS2、VGS3、VGS4；所述开关管驱动信号VGS1、VGS2、VGS3、VGS4分别控制半导体功率开关管Q1、Q2、Q3和Q4的开通和关断；所述全桥逆变电路输出电压的n次谐波分量与其输出电流的n次谐波分量相位相同，其中n为奇数；所述n次谐波分量的频率为开关管驱动信号频率的n倍，所述全桥逆变电路输出电压的占空比可调，整个电路的端口特性能够等效为负电阻。
进一步，所述第一PWM模块包括第一周期计数器和第一时基计数器，所述第二PWM模块包括第二周期计数器和第二时基计数器，所述第三PWM模块包括第三周期计数器和第三时基计数器，所述第一周期计数器、第二周期计数器和第三周期计数器的值始终等于周期值PRD，所述周期值PRD满足：PRD＝nT/TCLK，其中T表示全桥逆变电路输出电流n次谐波分量的周期，TCLK表示数字控制器的PWM模块的时钟周期；所述第一时基计数器、第二时基计数器和第三时基计数器配置为下降模式，在下降模式下，所述第一时基计数器、第二时基计数器和第三时基计数器首先分别加载第一周期计数器、第二周期计数器和第三周期计数器的值，然后开始向下递减，直到减到0时，自动再加载第一周期计数器、第二周期计数器和第三周期计数器的值，并重复以上动作；当第二时基计数器的值等于第二周期计数器的值时，方波控制信号PWMA2置高，方波控制信号PWMB2置低，当第二时基计数器的值等于1/2第二周期计数器的值时，方波控制信号PWMA2置低，方波控制信号PWMB2置高；当第三时基计数器的值等于第三周期计数器的值时，方波控制信号PWMA3置高，方波控制信号PWMB3置低，当第三时基计数器的值等于1/2第三周期计数器的值时，方波控制信号PWMA3置低，方波控制信号PWMB3置高；所述第一时基计数器的值等于第一比较值CMP1时，产生第二PWM模块的同步信号，所述第二时基计数器的值等于0时，产生第三PWM模块的同步信号；所述第一比较值CMP1满足以下关系：
Figure BDA0003547169710000031
其中，k表示整数。
进一步，当第一PWM模块的同步信号到来时，所述第一时基计数器的值马上更新为PRD，当第二PWM模块的同步信号到来时，所述第二时基计数器的值马上更新为Pha2，当第三PWM模块的同步信号到来时，所述第二时基计数器的值马上更新为Pha3，所述Pha2和Pha3满足以下关系：
Figure BDA0003547169710000032
其中，0≤DS≤1/n表示全桥逆变电路的占空比。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明基于n次谐波，能够有效降低逆变电路的开关频率，降低开关损耗。
2、本发明基于n次谐波，能够有效提高降压转换比，有利于负电阻在低输出电压场合的应用。
附图说明
图1为实施方式中提供的一种基于n次谐波和相位同步控制的负电阻的结构框图。
图2为实施方式中n＝3时图1所示的开关管驱动信号生成的示意图。
图3为实施方式中基于所提负电阻的串联-串联型无线电能传输系统框图。
图4为实施方式中n＝3时图3所示的逆变电路输出电压和输出电流的稳态波形。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本实施例公开了一种基于n次谐波和相位同步控制的负电阻，包括直流电压源、全桥逆变电路、过零比较器、数字控制器和驱动电路；所述直流电压源与全桥逆变电路相连；所述全桥逆变电路包含4个半导体功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4；所述过零比较器生成与全桥逆变电路输出电流n次谐波分量相位相同且频率相同的方波信号；所述数字控制器包含CAP模块、第一PWM模块、第二PWM模块和第三PWM模块；所述CAP模块捕获所述过零比较器生成的方波信号的上升沿；所述第二PWM模块产生两路方波控制信号PWMA2和PWMB2；所述第三PWM模块产生两路方波控制信号PWMA3和PWMB3；所述驱动电路根据方波控制信号PWMA2、PWMB2、PWMA3、PWMB3分别生成四路开关管驱动信号VGS1、VGS2、VGS3、VGS4；所述开关管驱动信号VGS1、VGS2、VGS3、VGS4分别控制半导体功率开关管Q1、Q2、Q3和Q4的开通和关断。所述全桥逆变电路输出电压的n次谐波分量vPn与其输出电流的n次谐波分量iPn始终保持同相，其中n为奇数；所述n次谐波分量的频率为开关管驱动信号频率的n倍，所述全桥逆变电路输出电压的占空比可调，整个电路的端口特性可等效为负电阻-RN。
在本实施例中，以基于3次谐波运行为例进行说明，方波控制信号和开关管驱动信号的具体生成过程如图2所示。首先数字控制器的CAP模块捕获过零比较器生成的方波信号i′P的上升沿，并且当所述CAP模块捕获到所述方波信号的第4个上升沿时，生成所述第一PWM模块的同步信号Sn1，数字控制器根据捕获的方波信号上升沿计算逆变电路输出电流3次谐波分量的频率，并实时更新第一周期计数器、第二周期计数器和第三周期计数器的值PRD，PRD＝3T/TCLK，其中T表示全桥逆变电路输出电流3次谐波分量的周期，TCLK表示数字控制器的PWM模块的时钟周期；所述第一时基计数器、第二时基计数器和第三时基计数器配置为下降模式，在下降模式下，所述第一时基计数器、第二时基计数器和第三时基计数器首先加载第一周期计数器、第二周期计数器和第三周期计数器的值，然后开始向下递减，直到减到0时，自动再加载第一周期计数器、第二周期计数器和第三周期计数器的值，并重复以上动作；当第二时基计数器的值CTR2等于第二周期计数器的值时，所述方波控制信号PWMA2置高，所述方波控制信号PWMB2置低，当第二时基计数器的值等于1/2第二周期计数器的值时，所述方波控制信号PWMA2置低，所述方波控制信号PWMB2置高；当第三时基计数器的值CTR3等于第三周期计数器的值时，所述方波控制信号PWMA3置高，所述方波控制信号PWMB3置低，当第三时基计数器的值等于1/2第三周期计数器的值时，所述方波控制信号PWMA3置低，所述方波控制信号PWMB3置高；所述第一时基计数器的值CTR1等于第一比较值CMP1时，产生第二PWM模块的同步信号Sn2，所述第二时基计数器的值等于0时，产生第三PWM模块的同步信号Sn3。所述第一比较值CMP1满足以下关系：
Figure BDA0003547169710000063
进一步的，当所述第一PWM模块的同步信号到来时，所述第一时基计数器的值马上更新为PRD，当所述第二PWM模块的同步信号到来时，所述第二时基计数器的值马上更新为Pha2，当所述第三PWM模块的同步信号到来时，所述第二时基计数器的值马上更新为Pha3，所述Pha2和Pha3满足以下关系：
Figure BDA0003547169710000061
其中，0≤DS≤1/n表示全桥逆变电路的占空比。
为了进一步说明本发明的优点，在本实施例中，将所提出的负电阻用于串联-串联型无线电能传输系统，其原理框图如图3所示,其中Vdc表示直流电压源的输入直流电压，LP和LS分别表示发射线圈电感和接收线圈电感，CP和CS分别表示发射端电容和接收端电容，RS和RP表示发射线圈和接收线圈内阻，MPS表示线圈之间的互感值，RL表示负载值。电路稳态时n＝3时，对应的驱动信号、逆变电路输出电压和输出电流波形如图4所示，其中，iP3表示逆变电路输出电流的3次谐波分量，vP表示逆变电路输出电压，vPn表示逆变电路输出电压n次谐波分量，其有效值VPn满足以下关系：
Figure BDA0003547169710000062
由图4可以看到逆变电路输出电压3次谐波分量和输出电流3次谐波分量保持同相。
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上述实施例的限制，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 (3)

1.一种基于n次谐波和相位同步控制的负电阻，其特征在于：包括直流电压源、全桥逆变电路、过零比较器、数字控制器和驱动电路；所述直流电压源与全桥逆变电路相连；所述全桥逆变电路包含4个半导体功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4；所述过零比较器生成与全桥逆变电路输出电流n次谐波分量相位相同且频率相同的方波信号；所述数字控制器包含CAP模块、第一PWM模块、第二PWM模块和第三PWM模块；所述CAP模块捕获过零比较器生成的方波信号的上升沿，实时获取全桥逆变电路输出电流n次谐波分量的相位和频率，并且当CAP模块捕获到方波信号的第(n+1)个上升沿时，生成第一PWM模块的同步信号；所述第二PWM模块产生两路方波控制信号PWMA2和PWMB2；所述第三PWM模块产生两路方波控制信号PWMA3和PWMB3；所述驱动电路根据方波控制信号PWMA2、PWMB2、PWMA3、PWMB3分别生成四路开关管驱动信号VGS1、VGS2、VGS3、VGS4；所述开关管驱动信号VGS1、VGS2、VGS3、VGS4分别控制半导体功率开关管Q1、Q2、Q3和Q4的开通和关断；所述全桥逆变电路输出电压的n次谐波分量与其输出电流的n次谐波分量相位相同，其中n为奇数；所述n次谐波分量的频率为开关管驱动信号频率的n倍，所述全桥逆变电路输出电压的占空比可调，整个电路的端口特性能够等效为负电阻。
2.根据权利要求1所述的一种基于n次谐波和相位同步控制的负电阻，其特征在于：所述第一PWM模块包括第一周期计数器和第一时基计数器，所述第二PWM模块包括第二周期计数器和第二时基计数器，所述第三PWM模块包括第三周期计数器和第三时基计数器，所述第一周期计数器、第二周期计数器和第三周期计数器的值始终等于周期值PRD，所述周期值PRD满足：PRD＝nT/TCLK，其中T表示全桥逆变电路输出电流n次谐波分量的周期，TCLK表示数字控制器的PWM模块的时钟周期；所述第一时基计数器、第二时基计数器和第三时基计数器配置为下降模式，在下降模式下，所述第一时基计数器、第二时基计数器和第三时基计数器首先分别加载第一周期计数器、第二周期计数器和第三周期计数器的值，然后开始向下递减，直到减到0时，自动再加载第一周期计数器、第二周期计数器和第三周期计数器的值，并重复以上动作；当第二时基计数器的值等于第二周期计数器的值时，方波控制信号PWMA2置高，方波控制信号PWMB2置低，当第二时基计数器的值等于1/2第二周期计数器的值时，方波控制信号PWMA2置低，方波控制信号PWMB2置高；当第三时基计数器的值等于第三周期计数器的值时，方波控制信号PWMA3置高，方波控制信号PWMB3置低，当第三时基计数器的值等于1/2第三周期计数器的值时，方波控制信号PWMA3置低，方波控制信号PWMB3置高；所述第一时基计数器的值等于第一比较值CMP1时，产生第二PWM模块的同步信号，所述第二时基计数器的值等于0时，产生第三PWM模块的同步信号；所述第一比较值CMP1满足以下关系：
Figure FDA0003547169700000021
其中，k表示整数。
3.根据权利要求2所述的一种基于n次谐波和相位同步控制的负电阻，其特征在于：当第一PWM模块的同步信号到来时，所述第一时基计数器的值马上更新为PRD，当第二PWM模块的同步信号到来时，所述第二时基计数器的值马上更新为Pha2，当第三PWM模块的同步信号到来时，所述第二时基计数器的值马上更新为Pha3，所述Pha2和Pha3满足以下关系：
Figure FDA0003547169700000031
其中，0≤DS≤1/n表示全桥逆变电路的占空比。
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