CN208386515U - 一种用于谐振电路的大功率电流控制型负电阻 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于谐振电路的大功率电流控制型负电阻，包括交流受控电压源和控制电路，其中，所述控制电路包括依次相连的电流采样模块、相位补偿模块、过零比较模块和开关驱动模块，所述电流采样模块采样谐振电路的输入电流，经相位补偿模块和过零比较模块转化为与输入电流完全反相的方波，经开关驱动模块产生开关器件的驱动信号至交流受控电压源，所述交流受控电压源根据驱动信号在正输出端和负输出端之间产生基波电压。本实用新型可以实现不同功率等级，具有工作特性灵活、在线可调的特点，为交流负电阻在各种功率场合的实际应用提供了参考。

Description

一种用于谐振电路的大功率电流控制型负电阻

技术领域

本实用新型涉及负电阻构造的技术领域，尤其是指一种用于谐振电路的大功率电流控制型负电阻。

背景技术

负电阻是满足欧姆定律的一端口有源元件。现有的负电阻构造主要分为三种：一是利用半导体材料构成有负电阻效应的元件；二是利用非线性元件(二极管和晶体管等)和正电阻构成负电阻；三是采用运算放大器和正电阻组成负阻抗变换器。由于以上构造方法输出的有功功率有限，通常用于微波射频电路抵消正电阻提高谐振器品质因数；或用于非线性电路研究非线性系统分岔或混沌等动力学行为等。学者发现负电阻对于功率场合的应用也具有显著优势，例如利用负电阻可以有效地改善无线电能传输系统的传输特性。然而，现有负电阻的构造方法主要集中在小功率负电阻，严重限制了负电阻在此类几百至上千瓦的大功率场合的应用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种用于谐振电路的大功率电流控制型负电阻，可以实现不同功率等级，具有工作特性灵活、在线可调的特点，为交流负电阻在各种功率场合的实际应用提供了参考。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种用于谐振电路的大功率电流控制型负电阻，包括相连的交流受控电压源和控制电路，所述交流受控电压源和控制电路分别与谐振电路相连，其中，所述控制电路包括依次相连的开关驱动模块、过零比较模块、相位补偿模块和电流采样模块，所述电流采样模块采样谐振电路的输入电流，经相位补偿模块和过零比较模块转化为与输入电流完全反相的方波，经开关驱动模块产生开关器件的驱动信号至交流受控电压源，所述交流受控电压源根据驱动信号在正输出端和负输出端之间产生基波电压。

进一步，所述交流受控电压源由能够输出高频率交流电压的高频交流逆变电路构成，所述高频交流逆变电路输出基波电压与输入电流相位相差180度，向外输出有功功率。

进一步，所述相位补偿模块能根据外接谐振电路自动调整相位偏移，经相位补偿后的电流信号始终与输入电流同相。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

本实用新型提供的用于谐振电路的大功率电流控制型负电阻，可工作在输入电流即流过负电阻电流为高频的情况，输入电流与输入电压的关系在谐振电路谐振频率处满足负电阻关系，而且本实用新型所实现的负电阻功率等级由交流受控电压源决定，因此可选用不同功率等级的交流受控电压源以适应不同的功率应用场合。其中，采用高频电压型逆变电路作为交流受控电压源，其特点是：第一，可输出高频率的交流电压，满足交流负电阻高频运行的需求；第二，控制电路均为模拟电路，控制精度高且动态响应速度快，系统起振不需要启动电路；第三，负电阻的功率大小由高频逆变电路的额定功率决定，可以通过设计逆变电路的工作参数，实现不同功率等级的负电阻。以上特点为交流负电阻在各种功率场合的实际应用提供了参考。

附图说明

图1为实施方式中提供的负电阻模型图。

图2为实施方式中采用全桥电压型逆变器实现负电阻的电路图。

图3为实施方式中图2所示电路起振时输入电流和控制电路信号的波形图。

图4为实施方式中图2所示电路稳态时输入电压和输入电流的波形图。

具体实施方式

为进一步阐述本实用新型的内容和特点，以下结合附图对本实用新型的具体实施方案进行具体说明。但本实用新型的实施和保护不限于此。

如图1所示，本实施例所提供的用于谐振电路的大功率电流控制型负电阻，其基本原理是用利用谐振电路的谐振电流的过零点信息控制交流受控电压源的输出电压，使得电路的输入电压的基波量始终与输入电流反相，整个电路相当于一个负电阻8，包括相连的交流受控电压源1和控制电路3，交流受控电压源1和控制电路3分别与谐振电路2相连，控制电路3包括依次相连的开关驱动模块4、过零比较模块5、相位补偿模块6和电流采样模块7，电流采样模块7采样输入电流i_in，经相位补偿模块6和过零比较模块5转化为与输入电流i_in完全反相的方波，经开关驱动模块4产生开关器件的驱动信号至交流受控电压源1，交流受控电压源1根据驱动信号在正输出端P和负输出端N之间产生基波电压u_F。

在上述的交流负电阻中，由欧姆定律可知输入电压基波量和输入电流基波量满足：

交流受控电压源是由可输出高频率的交流电压的高频交流逆变电路构成，可向外输出有功功率，满足负电阻特性。高频交流逆变电路的基本工作原理是将输入电流i_in转化为同相的开关驱动信号，用来驱动逆变电路中的开关管，从而控制电路的输出基波电压u_F，使得输入电流i_in在谐振电路谐振频率处始终与输入电压u_in基波量始终反相。

控制电路原理为电流采样模块采样正弦输入电流i_in，得到采样电流信号i_S，电流采样模块包含储能元件，i_S与i_in的相位发生偏移，相位补偿模块对采样电流信号i_S进行相位调整后得到的i′_S始终与输入电流i_in同相。经相位补偿后的采样电流信号i′_S经过过零比较模块转化为方波信号，送至开关驱动模块，由此高频交流逆变电路根据驱动信号在正输出端和负输出端之间产生基波电压u_F。

在本例中，高频交流逆变电路采用全桥电压型逆变器，如图2所示。其中L₁和C₁为串联谐振支路，R₁为串联谐振支路的内阻，S₁和S₄作为一对开关管，S₂和S₃作为一对开关管，成对的两个开关管同时导通，两对交替各导通180度，开关管S₁和S₄的驱动波形与输入电流i_in反相，开关管S₂和S₃的驱动波形与输入电流i_in同相，即当输入电流i_in<0时，开通开关管S₁、S₄使得u_in>0；当输入电流i_in>0时，开通开关管S₂、S₃使得u_in<0。开关驱动模块根据与输入电流i_in反相的方波信号i_D产生正弦脉宽调制信号，驱动开关管。此时，全桥逆变电路的输出电压的基波量u_F为：

u_F(t)＝MV_dcsin(ωt)。 (1)

其中M为脉宽调制比。

假设输入电压基波u_F用相量表示为输入电流相量表示为则有：

高频全桥逆变电路开关管受如图1所示的控制电路产生的开关驱动信号驱动，使得输入电压基波始终与输入电流反相，此时系统的运行频率为：

此时对应的负电阻阻值为：

R_N＝-R₁ (4)

由式(3)和(4)可知，交流负电阻的工作频率和阻值与谐振电路有关。

以下结合如图2所示的全桥电压型逆变电路说明图1中控制电路的基本原理，控制电路主要分为四个部分：电流采样模块、相位补偿模块、过零比较模块和开关驱动模块。电路启动时，流过L₁、C₁和R₁的串联谐振支路的电流为零，此时开关管S₁和S₄的初始驱动信号u_g1和u_g4表现为正电平，开关管S₁和S₄导通，直流电压源V_dc与L₁、C₁和R₁串联谐振支路构成二阶电路，开始产生电流，该电流信息经采样电路后的电流i_S存在相位偏移，经相位补偿电路之后的电流信息i′_S与输入电流i_in同相位，经过零比较模块后转化为两个互补的方波，如图3所示，开关驱动模块根据方波信号产生正弦脉宽调制控制信号，给逆变电路开关管提供驱动信号。

假设高频逆变电路输入直流电源电压为48V。当负电阻两端外接LRC串联谐振支路时，串联谐振电路的参数为：L₁＝300μH，C₁＝211.11nF，R₁＝2Ω。电路进入稳态后仿真的输入电压和输入电流波形如图4所示。交流负电阻的工作频率为f_S＝20kHz，负电阻的阻值为R_N＝-2Ω。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于谐振电路的大功率电流控制型负电阻，其特征在于：包括相连的交流受控电压源(1)和控制电路(3)，所述交流受控电压源(1)和控制电路(3)分别与谐振电路(2)相连，其中，所述控制电路(3)包括依次相连的开关驱动模块(4)、过零比较模块(5)、相位补偿模块(6)和电流采样模块(7)，所述电流采样模块(7)采样谐振电路(2)的输入电流，经相位补偿模块(6)和过零比较模块(5)转化为与输入电流完全反相的方波，经开关驱动模块(4)产生开关器件的驱动信号至交流受控电压源(1)，所述交流受控电压源(1)根据驱动信号在正输出端(P)和负输出端(N)之间产生基波电压。

2.根据权利要求1所述的一种用于谐振电路的大功率电流控制型负电阻，其特征在于：所述交流受控电压源(1)由能够输出高频率交流电压的高频交流逆变电路构成，所述高频交流逆变电路输出基波电压与输入电流相位相差180度，向外输出有功功率。

3.根据权利要求1所述的一种用于谐振电路的大功率电流控制型负电阻，其特征在于：经所述相位补偿模块(6)相位补偿后的电流信号始终与输入电流同相。