一种线性交流调压与电压滤波的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种线性交流调压与电压滤波的装置及方法，包括信号产生单元、乙类线性放大结构、供电电源，信号产生单元为乙类线性放大结构的栅极提供多路独立电压信号，乙类线性放大结构的源极作为整个电路的电压输出点。利用金属‑氧化物‑半导体场效应管工作在线性放大状态组成互补对称功率放大电路；供电电源与输入信号的电压波形为同频同相的正弦波，输入变化的电压信号以实现输出电压的调节，输入标准的正弦波信号可达到电压滤波的目的。该方法具有连续平滑调压、精准滤波及快速动态响应的特性。

A Device and Method of Linear AC Voltage Regulating and Voltage Filtering

【技术实现步骤摘要】
一种线性交流调压与电压滤波的装置及方法
本专利技术涉及调压与滤波领域，尤其涉及大功率电力电子器件线性应用领域的一种线性交流调压与电压滤波的方法。
技术介绍
随着电力行业的迅猛发展，越来越多的电力电子器件广泛的应用到电网中，注入到电网中的谐波日益增多，由此引起的谐波问题也愈显突出。谐波的存在对电力系统的正常运行有较大的危害，它会造成电网的功率损耗增加，导致设备的不安全运行，影响系统的可靠性以及自动装置的工作等。滤波器是电力系统中进行谐波抑制的主要手段，有源滤波器具有良好的动态补偿效果，但其安装容量受到开关器件水平和补偿性能的限制，而且初期投资较高。利用电感、电容和电阻组合设计的无源滤波器虽然能在一定程度上满足滤波要求，但其也存在很多不足，如系统阻抗较小，实际滤波效果欠佳，易与系统阻抗发生串、并联谐振等。在电力电子电路中,电力电子器件一般工作在开关状态,它是一个时变的、非线性电路。其非线性性质会带来诸多不便,例如：电路分析困难,谐波问题突出等。开关电路解决谐波问题的方法一般多为辅以LC滤波变换电路，但其静动态综合性能仍不可观。为满足波形电压高正弦度、多类负载适应性、抗突变负载扰动能力兼顾的需求,射极输出器型线性电路成为首选对象。线性功率放大器具有高工作带宽和输出电压线性度高的优点，可以很好地实现对输入信号的功率放大。在实际应用中，乙类双电源互补对称功率放大电路便可以实现大功率电压的输出，一般作为功率放大器的基础。交流调压就是把一定幅值的交流电压变成幅值可调的交流电压，在现有技术中通常利用大功率多抽头绕组式的自耦变压器实现这一目的，但自耦变压器需要通过手动或电动机拖动调节碳刷位置来达到调节输出电压的目的，这种调压方案碳刷易损坏且有微小级差，另外无法进行快速的动态调压。
技术实现思路
本专利技术就是为了解决上述技术问题而完成的。鉴于以上现有技术的不足，本专利技术针对普通多抽头绕组式调压器的输出电压无法快速平滑调节的问题，提出一种线性交流调压与电压滤波的方法，以期输出电压能紧紧跟随信号源电压从而达到输出连续平滑可调电压的目的，此外还有电压滤波的效果。本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：一种线性交流调压与电压滤波的装置，其特征在于：包括信号源：用于产生功率管栅极驱动大信号，作为最终输出电压的参考；甲乙类互补对称功率放大结构：用于高保真线性功率放大；交流供电电源：用于装置的能量输入并有效降低功率管管压降；信号源的频率和相位利用锁相环与供电电源保持一致，且为甲乙类线性放大结构的栅极提供电压信号，甲乙类线性放大结构的源极作为整个电路的电压输出点，所述供电电源的参考电位通过负载电阻RL与互补对称放大结构中的输出点连接。在上述的一种线性交流调压与电压滤波的装置，甲乙类线性放大结构包括：NMOS管与PMOS管组成的功率单元，其中，NMOS管的源极与PMOS管的源极连接并作为电压输出点，NMOS管的栅极与PMOS管的栅极同时与信号源的输出相连；功率管保护电路，采用15V稳压管限制栅源之间过电压。在上述的一种线性交流调压与电压滤波的装置，供电电源为交流电压源，可以是从普通变压器抽头取出的电压，也可以是开关电路逆变后经简单滤波得到的输出电压，对波形质量要求不高，而输入信号为一定大小的标准正弦波；供电电源决定了输出电压调节的范围，调压的方式是改变输入信号的大小，只要电源电压大于输入信号，调压便可正常进行。一种线性交流调压与电压滤波的方法，其特征在于：包括：步骤1、为了避免交越失真，标准正弦波信号中需叠加同频率的方波，方波值的大小应与功率管的门坎电压值相等，输入信号由特定的信号源产生；步骤2、当信号源Vi在小于电源电压Vs的范围内变化时即为调压的正常工作状态，功率器件处于线性导通状态，负载电压将瞬态跟踪栅极信号从而实现输出电压状态的调节；步骤3、当交流供电电源为含有多次谐波的电压源时(在标准电源中注入特定谐波)，在满足供电电源电压值时刻大于信号源的前提下，输出电压由于跟随输入信号的标准正弦波即达到滤波效果。与已有技术相比，本专利技术有益效果体现在：在本专利技术中，供电电源为交流电压源，可以在一定程度上解决乙类双电源互补对称功率放大电路的效率问题。由于输出电压能紧紧跟随信号源电压，故输入变化的信号源电压时，便可输出连续平滑的可调电压；输入信号源为标准的正弦波电压时，便可以达到电压滤波的效果。此电路的功率管互补对称工作，相当于功率管的源极同时接负载，便形成跟随器对称结构而获取高阻输入低阻输出的特性，由于源极跟随器的负反馈形成的系统具有强有力的抗干扰特点,使得系统具有较高的效率和较强的鲁棒性,故具有多类负载适应性、快速动态响应(抗负载扰动波形不变能力)的性能。附图说明图1是本专利技术一种线性交流调压与电压滤波的方法的实现电路示意图；图2是正弦波叠加同频率方波的信号源波形的示意图；图3是理想状态下电路工作时信号源、供电电源、输出电压波形的示意图；图4是电压滤波效果的示意图；图5是仿真软件下电路工作时信号源、供电电源、输出电压波形的示意图；图6是实验平台下电路工作时信号源、供电电源、输出电压波形的示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明：图1是一种线性交流调压与电压滤波方法的实现电路图，主要由信号产生单元、乙类线性功率单元、供电电源三部分构成。产生信号的具体方式如下：首先由微处理器LPC4337的I/O口输出电压幅值约为1伏的可调标准正弦波信号，其频率可调，而相位通过锁相环与交流供电电源的相位保持一致。经过TLCO82CDR集成电路与模拟管高压放大后，得到电压幅值较高且能在较大范围内连续调节的电压波形，为提高信号源的动态响应与抗负载变化能力，末级采用源极跟随器结构，其输出作为乙类线性功率单元推挽式电路功率管的栅极驱动信号。如图1所示，乙类线性功率单元中的PMOS管的源极与NMOS管的漏极相连，NMOS管的源极接负载作为整个电路的输出。信号源同时与NMOS管与PMOS管的栅极相连，当改变信号源的输出进行调压时，二者皆工作在线性状态，极限状态(栅极输入信号电压逼近电源电压时)为临界饱和，偏线性侧。信号从栅极输入时二者轮流导电，组成推挽式电路。当信号处于正半周且满足Vgs＞0.7V(NMOS管的门坎电压Vth为0.7V)时，PMOS管截止，NMOS管导通，有电流通过负载RL；当信号处于负半周且满足Vgs＜-0.7V(NMOS管的门坎电压Vth为-0.7V)时，NMOS管截止，PMOS管导通，仍有电流通过负载RL。图2是正弦波叠加方波的信号源波形图。由于没有直流偏置，功率管的栅源电压的绝对值必须要大于门坎电压才可以正常工作，故需要在信号源中再叠加同频率的值为0.7V的方波信号(方波值的大小与功率管的门坎电压值相等)，用于避免交越失真。此时，输入信号在其幅值低于门坎电压的时间段内，仍然能够得到线性放大。图3是理想状态下电路工作时信号源、供电电源、输出电压的波形图。Vi为信号源电压，Vs为电源电压，Vo为输出电压，信号源电压Vi的波形应与电源电压Vs同频同相。由于共漏极放大电路的增益小于1且接近于1，故输出电压Vo略小于信号源电压Vi，如图3所示，前者波形比后者略低一点，二者几乎重合。当信号源Vi在小于电源电压Vs的范围内变化时即为调压的正常工作状态，输出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种线性交流调压与电压滤波的装置，其特征在于：包括信号源：用于产生功率管栅极驱动大信号，作为最终输出电压的参考；甲乙类互补对称功率放大结构：用于高保真线性功率放大；交流供电电源：用于装置的能量输入并有效降低功率管管压降；信号源的频率和相位利用锁相环与供电电源保持一致，且为甲乙类线性放大结构的栅极提供电压信号，甲乙类线性放大结构的源极作为整个电路的电压输出点，所述供电电源的参考电位通过负载电阻RL与互补对称放大结构中的输出点连接。

【技术特征摘要】
1.一种线性交流调压与电压滤波的装置，其特征在于：包括信号源：用于产生功率管栅极驱动大信号，作为最终输出电压的参考；甲乙类互补对称功率放大结构：用于高保真线性功率放大；交流供电电源：用于装置的能量输入并有效降低功率管管压降；信号源的频率和相位利用锁相环与供电电源保持一致，且为甲乙类线性放大结构的栅极提供电压信号，甲乙类线性放大结构的源极作为整个电路的电压输出点，所述供电电源的参考电位通过负载电阻RL与互补对称放大结构中的输出点连接。2.根据权利要求1所述的一种线性交流调压与电压滤波的装置，其特征在于：甲乙类线性放大结构包括：NMOS管与PMOS管组成的功率单元，其中，NMOS管的源极与PMOS管的源极连接并作为电压输出点，NMOS管的栅极与PMOS管的栅极同时与信号源的输出相连；功率管保护电路，采用15V稳压管限制栅源之间过电压。3.根据权利要求1所述的一种线性交流调压与电压滤波的装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈柏超，高伟，陈耀军，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42