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考虑宽负载变化的有源电容等效容值控制与损耗分析

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  • 2020-3-23 14:16:20
考虑宽负载变化的有源电容等效容值控制与损耗分析

中文关键词:  容值控制  功率损耗  二端口  有源电容

作者                        单位
杨明                        武汉理工大学电力电子技术研究所, 武汉 430074
朱国荣                     武汉理工大学电力电子技术研究所, 武汉 430074
邓翔天                     武汉理工大学电力电子技术研究所, 武汉 430074
王菁                        武汉理工大学电力电子技术研究所, 武汉 430074
李存中                     武汉理工大学电力电子技术研究所, 武汉 430074
王浩然                     奥尔堡大学能源技术学院, 奥尔堡 9220, 丹麦

中文摘要:
二端口有源电容是一种仅有2个引出端口而无需任何附加电气连接端子的有源电路。然而,基于传统控制方法的有源电容等效容值在理想情况下是无穷大的,这不适用于某些需要精确容值的无源电容应用场合。为此,提出了一种基于二端口有源电容的等效容值控制方法,该方法能根据不同的应用需求实现对有源电容的精准容值控制。首先,对有源电容的阻抗进行建模与分析;然后,通过基于单相整流器的仿真分析,将通过等效容值控制的有源电容与具有相同容值的无源电容进行对比,以验证控制精度;最后,通过与传统有源电容控制方式在功率损耗和动态响应速度方面进行对比,结果验证了所提出等效容值控制方法的有效性。

内容节选:
在电力电子变换器中电容得到了广泛的应用,主要起到缓冲瞬时功率、滤除谐波和能量支撑作用。但由于无源电解电容的性能主要取决于介电材料和制造工艺,在汽车、航天和能源行业中会对电容有更严格的要求,因此电容在体积、可靠性和成本方面遇到了极大的挑战[1-2]。
文献[3]提出了一种使用二端口有源电容替代可靠性差的大容量储能电容的方法,在使用时与无源电容一样便利。但是目前对二端口有源电容的研究主要集中在硬件优化上,如文献[4-5]提出了提升电路可靠性的多目标设计方法,目前对有源电容的控制方法与阻抗建模方法的关注较少。在一些应用场合中,经常需要改变电路中的具体电容取值以达到不同的设计需求。文献[6-7]提出了一种考虑低功率补偿和寄生成分影响的LC谐振放大电路,合理选取LC能够起到很好的信号滤波作用,可将所需频率的信号提取出来。文献[8-9]从时域与频域角度,在所需信号频率为10kHz、高频干扰信号频 为4.8MHz条件下,通过调节C值得到在不同RC时间常数下低通滤波器的干扰信号衰减效果。
针对可变容值的应用场合,文献[13]介绍一种基于二端口有源电容的控制方法,使有源电容等效容值在理想情况下为无穷大,但同时也引入了以下问题院淤电容不能控制为设定值,不适用于如谐振电路以及对定时间常数、纹波率电路等对精确容值有具体要求的应用场合;于该电路吸收了更多的谐波电流,由于低阻抗使得电压纹波远低于设计指标,但同时它带来了更大的功率损耗;盂在负载变化的条件下,会导致较慢的动态响应速度。
为了解决这些问题,本文提出了一种基于二端口有源电容的等效容值控制方法,该方法能够精确调节有源电容的等效容值以满足相关的应用要求。首先,通过对有源电容阻抗进行建模与分析,对控制参数进行分析设计,提出了一种等效容值控制方法;然后,对所提等效容值控制的有源电容和具有相同等效容值的无源电容的性能进行对比,以验证控制精度;最后对所提出的等效容值控制方法与传统控制方法进行比较,观察在宽负载范围内功率损耗和动态响应方面的优势,通过PLECS仿真对比验证了该等效容值控制方法的有效性。

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