混合式阻抗匹配拓扑结构及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种混合式阻抗匹配拓扑结构及其控制方法，混合式阻抗匹配拓扑结构包括：有源变换器，输入侧与功率放大器连接；电容模块，与所述有源变换器的输出侧连接；其中，所述电容模块与电声换能器连接，且在最小工作频率时，所述电容模块的容抗与所述电声换能器的感抗相等。本发明专利技术可以在不同的负载、功率放大器变电压频率、幅值的条件下，实现高精度、宽频带、宽负载范围的阻抗匹配。宽负载范围的阻抗匹配。宽负载范围的阻抗匹配。

Hybrid impedance matching topology and its control method

【技术实现步骤摘要】
混合式阻抗匹配拓扑结构及其控制方法


[0001]本专利技术涉及电气工程中的变流
，特别是一种混合式阻抗匹配拓扑结构及其控制方法。

技术介绍

[0002]开关型功率放大器(以下简称功率放大器)相比于线性功率放大器，具有功率大、损耗小的特性，广泛应用于射频、音频、水声等领域。水下电声换能系统在海洋水下主动探测、远程通信、地形探测等领域不可或缺。功率放大器为电声换能器提供驱动电压，但是电声换能器负载功率因数低，限制了功率放大器的输出。如何提升功率放大器提供给电声换能器的功率，对于电声换能系统而言意义重大。
[0003]功率放大器输出功率受限的主要因素是电声换能器的阻抗与功率放大器的阻抗不匹配。如果阻抗不匹配，则功率放大器的输出受到限制，电声换能器接收到的功率有限，影响了其输出的声源级，从而影响系统的正常工作。超磁致伸缩电声换能器在工作频率区间通常呈阻感性，因此当功率放大器直接给换能器供电时系统功率因数会很低。传统的阻抗匹配应用串联电容组进行匹配，该方法存在体积大、调节精度低、很难自适应调节等不足。所以，研究一种宽频带自动调节的阻抗匹配电路，对于水下电声换能系统具有重要的实际意义。
[0004]“适用于海洋通讯电声换能器的阻抗匹配系统及其匹配方法”(公开号：CN108882108A，公开日：2018年11月23日)，其可以换能器工作环境变化，负载变化的情况下实现阻抗匹配。但是，其需要开关电容阵列，此设备有体积大、可调精度低的缺点。“阻抗匹配方法和阻抗匹配系统”(公开号：105594122B，公开日：2019年03月08日)，通过改变驱动频率来实现阻抗匹配。但是，其未考虑负载无功对系统效率的影响。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种混合式阻抗匹配拓扑结构及其控制方法，解决功率放大器与电声换能器因阻抗不匹配导致的功率因数低的问题，提高功率放大器的功率输出能力。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种混合式阻抗匹配拓扑结构，包括：
[0007]有源变换器，输入侧与功率放大器连接；
[0008]电容模块，与所述有源变换器的输出侧连接；
[0009]其中，所述电容模块与电声换能器连接，且在水声换能器工作频率最小时，所述电容模块的容抗与所述电声换能器的感抗相等。
[0010]本专利技术阻抗匹配由两部分构成，串并联电容组(即电容模块)可以实现粗匹配，有源变换器可以实现精匹配。粗匹配等效电容值由最低工作频率时换能器的感抗决定，即在最小工作频率时换能器的感抗等于串并联电容组的容抗。在一定程度上解决了功率放大器
与电声换能器因阻抗不匹配导致的功率因数低的问题，提高了功率放大器的功率输出能力。
[0011]为了便于调节电容模块的电容值，所述电容模块包括多个并联的支路，每个支路包括多个串联的电容。
[0012]所述有源变换器为单模块有源变换器或多模块有源变换器；所述单模块有源变换器包括全桥逆变器和滤波电路，所述全桥逆变器两个桥臂中点与所述滤波电路连接；所述多模块有源变换器包括多个级联的单模块有源变换器，多模块有源变换器可以提高匹配的范围。
[0013]为了实现宽频带、动态自调节的阻抗匹配，进一步提高功率放大器的功率输出能力，所述有源变换器用于对阻抗匹配进行精匹配，具体实现过程包括：通过采集电容模块和电声换能器串联电路的电压和电流，计算还需补偿的无功功率，并通过控制有源变换器产生相应的匹配电压，实现阻抗匹配。
[0014]本专利技术还提供了一种上述混合式阻抗匹配拓扑结构的控制方法，包括：
[0015]1)对组合电压v
L
、功率放大器输出电流i
L
进行1/4T时长的延迟，分别得到v
LD
以及i
LD
，计算出经过粗匹配以后电容模块和电声换能器串联的组合电路的瞬时功率：
[0016][0017]其中，p
L
为瞬时有功功率，q
L
为瞬时无功功率；T为功率放大器输出电压的周期；
[0018]2)对p
L
、q
L
进行低通滤波，分别得到利用下式计算出有功功率P
L
和无功功率Q
L
：
[0019]3)对功率放大器输出电压v
Co
进行3/4T时长的延迟，得到v
CoD
，利用下式计算参考电压v
AB
*：
[0020]4)将所述参考电压v
AB
*经过前馈控制和反馈控制产生驱动有源变换器功率器件的控制信号。参考电压v
AB
*与前馈控制系数K
f
的乘积，参考电压v
AB
*与实际电压v
AB
的差乘以G
_PR
(s)，上述两者的和经过SPWM调制产生驱动信号；反馈控制为一个分段谐振控制，传递函数为G
_PR
(s)，根据ω0的大小来确定G
_PR
(s)工作在哪一个区间，利用下式计算G
_PR
(s)：
[0021][0022]其中，ω0为输出电压v
Co
的角频率；K
P1
，K
P2
，
…
，K
Pn
为分段谐振控制的比例系数；K
I1
，K
I2
，
…
，K
In
为分段谐振控制的积分系数；ω
c
为分段谐振控制的角频率带宽；ω2，ω3，
…
，ω
n
为分段谐振控制的分段频率点；S1，S2，
…
，S
n
为分段谐振控制的工作区间符号；v
AB
*为有源变换器输出的参考电压；v
AB
为有源变换器产生的实际电压。
[0023]所述有源变换器的直流电压V
dc
与调制系数m的乘积大于参考电压v
AB
*的幅值，m一般取值0.9左右；在功率放大器输出电压频率、幅值最大时，水声换能器产生的无功功率最大，此时需要匹配的电压v
AB
*也为最大幅值。
[0024]上述步骤1)之前，还包括：采用过零比较方法实时计算功率放大器输出电压v
Co
的相角ω0和周期T。
[0025]本专利技术采用有源变换器和电容模块进行阻抗匹配，电容模块匹配部分无功功率，剩下的无功功率通过有源变换器进行匹配，两者结合拓宽了匹配的频带；电容模块的匹配是不可以调节的，用来匹配电声换能器工作在最低频率的无功功率；根据换能器工作频率及幅值的变大，电容模块不足以补偿电声换能器的无功功率，此时通过有源变换器进行匹配，有源变换器可以根据水声换能器工作频率的变化实时的匹配，从而实现了宽频带、动态自调节的阻抗匹配，提本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合式阻抗匹配拓扑结构，其特征在于，包括：有源变换器，输入侧与功率放大器连接；电容模块，与所述有源变换器的输出侧连接；其中，所述电容模块与电声换能器连接，且在电声换能器工作频率最小时，所述电容模块的容抗与所述电声换能器的感抗相等。2.根据权利要求1所述的混合式阻抗匹配拓扑结构，其特征在于，所述电容模块包括多个并联的支路，每个支路包括多个串联的电容。3.根据权利要求1所述的混合式阻抗匹配拓扑结构，其特征在于，所述有源变换器为单模块有源变换器或多模块有源变换器；所述单模块有源变换器包括全桥逆变器和滤波电路，所述全桥逆变器两个桥臂中点与所述滤波电路连接；所述多模块有源变换器包括多个级联的单模块有源变换器。4.根据权利要求1所述的混合式阻抗匹配拓扑结构，其特征在于，所述有源变换器用于对阻抗匹配进行精匹配，具体实现过程包括：通过采集电容模块和电声换能器串联电路的电压和电流，计算还需补偿的无功功率，并通过控制有源变换器产生相应的匹配电压，实现阻抗匹配。5.一种权利要求1～4之一所述混合式阻抗匹配拓扑结构的控制方法，其特征在于，包括：1)对组合电压v
L
、功率放大器输出电流i
L
进行1/4T时长的延迟，分别得到v
LD
以及i
LD
，计算出经过粗匹配以后电容模块和电声换能器串联的组合电路的瞬时功率：其中，p
L
为瞬时有功功率，q
L
为瞬时无功功率；T为功率放大器输出电压的周期；v
L
为电容模块两端电压与有源变换器两端电压之和；2)对p
L
、q
L
进行低通滤波，分别得到利用下式计算出有功功率P
L
和无功功率Q
L
：3)对功率放大器输出电压v
Co
进行3/4T时长的延迟，得到v
CoD
，利用下式计算参考电压v
AB
*：4)将所述参考...

【专利技术属性】
技术研发人员：王雷，田伟，徐千鸣，于佳文，马朝飞，杨驰，吕源，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：