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电池-有源电容脉冲负载供电系统容量优化配置

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电源学报 2024年

作者：杨磊黄玉平陈家伟敖文杰北京精密机电控制设备研究所重庆大学自动化学院

混合供电技术可有效整合不同供电单元的优势，是实现高功率密度脉冲负载供电系统的关键技术之一。针对现有航天伺服脉冲负载供电系统容量大，功率密度低等问题，提出了一种电池-有源电容脉冲负载混合供电系统及其容量优化配置技术。首... 详细信息

混合供电技术可有效整合不同供电单元的优势，是实现高功率密度脉冲负载供电系统的关键技术之一。针对现有航天伺服脉冲负载供电系统容量大，功率密度低等问题，提出了一种电池-有源电容脉冲负载混合供电系统及其容量优化配置技术。首先对系统架构及运行状态进行了分析，确立了优化目标及关键约束条件；其次利用分析法对电池和有源电容的容量进行了优化，确立了脉冲负载功率在电池和有源电容间的分配关系，实现了供电系统的体积最小化。最后，在实验室建立了一台常值功率2.7kW\峰值功率35kW的脉冲负载用供电系统实验样机，实验结果验证了理论分析的正确性。

关键词：脉冲供电系统低频脉冲负载容量配置有源电容

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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电源学报 2020年第1期18卷 176-184页

作者：杨明朱国荣邓翔天王菁李存中王浩然武汉理工大学电力电子技术研究所武汉430074 奥尔堡大学能源技术学院丹麦奥尔堡9220

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... 详细信息

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。

关键词：容值控制功率损耗二端口有源电容

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差频无功有源电容对二次纹波抑制的方法研究

差频无功有源电容对二次纹波抑制的方法研究

作者：沈维俊华东交通大学

学位级别：硕士

世界经济的快速发展带来了环境污染、能源消耗等问题,然而化石燃料能源总量有限,采储量却与日俱增。因此,世界各国开始越来越重视新能源领域,绿色可再生能源成为解决环境与能源问题的关键。光伏能源无污染、易得、分布广泛,已成为社会... 详细信息

世界经济的快速发展带来了环境污染、能源消耗等问题,然而化石燃料能源总量有限,采储量却与日俱增。因此,世界各国开始越来越重视新能源领域,绿色可再生能源成为解决环境与能源问题的关键。光伏能源无污染、易得、分布广泛,已成为社会关注的焦点。单相逆变器作为关键器件广泛应用于新能源发电领域。由于单相逆变器直流侧普遍存在二倍频功率问题,直接降低了光伏新能源的发电效率。对于二倍频问题,通常是在逆变器直流侧并联一个电解电容用于吸收二倍频功率。电解电容具有容量大,价格低等优势。但它寿命短、环境适应性差成为了其致命短板。为克服电解电容寿命短、环境适应性差的缺陷,寻找一种通用性强、对主电路耦合程度低、可模拟电解电容外特性,从而对电解电容进行模块化替换的有源电容方案,在新能源发电领域去电解电容化研究具有重要意义。通过分析有源电容的工作原理与国内外学者的研究现状。按技术特征将有源电容分为并联型有源电容、串联型有源电容和有源电容控制策略三大类。并联型有源电容,并联于母线侧吸收电流波动分量,由于其电路结构与工作原理,需承受较高的母线电压,使得系统效率下降明显。串联型有源电容,开关管与主吸收电容串联,通过改变串联电压值达到控制目的。由于开关管仅需承担部分母线压降,因此相对于并联型有源电容具有更高的系统效率。有源电容的控制策略,是通过控制策略使有源电容具有电解电容相同的外特性。有源电容具有良好的滤波效果,但目前仅在中小功率场合得到应用。本文提出一种差频无功理论,通过提高系统频率并利用该高频功率合成低频功率,实现异频功率转换。将此机制运用在有源电容上可以较大程度上提高有源电容的等效容值,从而扩大有源电容的应用范围。首先,对差频无功理论进行详细的介绍,接着,将差频无功理论与新型有源电容拓扑相结合,组成差频无功有源电容,并分析其工作原理。然后,通过建立差频无功有源电容系统的数学模型,对其控制策略进行设计。差频无功理论得到的是两个高频旋转矢量的复杂波动函数,通过设计一种基于高频旋转坐标系的控制系统,将高频转变为低频进行控制,从而抑制直流侧波动。最后,根据差频无功有源电容的特性,对差频无功有源电容进行了硬件的设计与软件的编写。通过MATLAB/Simulink仿真软件搭建差频无功有源电容仿真模型,仿真结果与预期的一致,验证了差频无功理论的可行性。仿真结果表明,差频无功电容具有在较大功率下对电解电容替代的能力。

关键词：二次功率扰动有源电容单相逆变器无功功率补偿

基于部分功率调控的有源–无源电容分裂叠加式高峰均比低频脉冲功率平抑方法

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中国电机工程学报 2023年第3期43卷 1154-1162页

作者：张佐乾吴红飞杨帆高桪单鹏邢岩多电飞机电气系统工信部重点实验室(南京航空航天大学) 江苏省南京市210016 南京邮电大学自动化学院江苏省南京市210023

高峰均比低频脉冲电流载荷影响航天器电源系统高效稳定运行,基于大容量储能电容阵的脉冲功率被动平抑技术极大增加航天器系统的体积重量。以降低航天器电源系统体积重量为目标,提出基于部分功率调控的脉冲功率平抑方法。通过将无源解耦... 详细信息

高峰均比低频脉冲电流载荷影响航天器电源系统高效稳定运行,基于大容量储能电容阵的脉冲功率被动平抑技术极大增加航天器系统的体积重量。以降低航天器电源系统体积重量为目标,提出基于部分功率调控的脉冲功率平抑方法。通过将无源解耦电容分裂为有源电容与无源解耦电容串联,不仅为负载提供稳定的供电电压,而且大幅增加解耦电容电压波动范围、减小解耦电容体积重量。由于有源电容仅需提供部分脉冲负载功率,有效降低了脉冲功率主动平抑所需额外增加的功率电路容量、体积重量和损耗。文中详细分析所提脉冲平抑系统架构、电路实现及其控制方法,实验结果证明了所提方法的可行性和有效性。

关键词：空间电源高峰均比脉冲功率功率解耦部分功率变换有源电容

基于有源电感与电容的CMOS模拟带通滤波器

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基于有源电感与电容的CMOS模拟带通滤波器

作者：王宇太原理工大学

学位级别：硕士

在模拟接收器的结构中,Armstrong的结构作为基本构造已将近使用了70年。其主要的元器件包括带通滤波器,低噪放大器,混频器,锁相环,振荡器,模拟数字转换器。带通滤波器是信号被天线接收后遇到的第一个元器件,用来选择包含所需信号的波段... 详细信息

在模拟接收器的结构中,Armstrong的结构作为基本构造已将近使用了70年。其主要的元器件包括带通滤波器,低噪放大器,混频器,锁相环,振荡器,模拟数字转换器。带通滤波器是信号被天线接收后遇到的第一个元器件,用来选择包含所需信号的波段并且过滤掉谐波和噪声信号,起到了非常重要的作用。目前随着摩尔定律在CMOS(Complementary Metal of Semiconductor)技术上的应用,数字电路的通道长度正在以每代为上代的0.7的速度缩小,目前市面上的CPU已可以做到10nm的通道长度,使得电子产品的运算速度得到了飞速的提升而产品面积得以快速的缩小,以iPhone为例,A10的运算速度为2.4GHz。但是由于螺旋绕线式电感在模拟电路中的使用,导致很难将高性能并能同时保持较小面积的接收器做到与数字电路在同一块芯片上。目前国内外的文献关于电感在模拟电路上的使用主要有两个大的方向:(1)通过在集成电路外接传统绕线式电感,由于传统绕线式电感使用材料较多且笨重,导致产品面积和成本无法减小;(2)通过特殊工艺将铜丝刻在芯片上形成平面式的螺旋式电感,但是由于这种电感的自带电阻较大,会影响产品的性能。同时,平面螺旋式的电感也增加了芯片面积,这与越来越小的芯片面积的发展方向是相悖的。基于以上基础,几个国家的研究团队提出了新的两种主要的设计思路:(1)使用新的无源电感结构来代替以往应用的平面式电感,这些电感结构通过提高自身的品质因数从而达到抑制自带电阻大小的目的,最终提高了产品的性能;(2)使用由CMOS晶体管构成的有源电感结构,这种结构使得产品面积大大减小。但是思路(1)无法降低使用电感元件的面积大小而思路(2)又受制于自身所带电阻阻值而无法获得较好的性能。本文通过有源电感和有源电容构成的共振器构建了基于传统切比雪夫结构的模拟带通滤波器。有源电容的自带负阻可以用来抵消有源电感的自带电阻,提升了共振器的品质因数,进而提升了模拟带通滤波器的中心频率,抑制比,带宽等核心参数。有源电容实现的等效电容值和负阻值可在较大范围内保持不变的特性为消除有源电感的自带电阻和提升模拟带通滤波器的稳定性能起到了重要的作用。有源电感使用的是由两个回转电容器构成的单端口电感,简单的结构提供了较小的产品面积,而其自带电阻可以由有源电容的负阻来消除。由此构建的模拟带通滤波器在保证性能的前提下同时实现了面积和成本的减小。为未来的模拟电路和数字电路的完整集成化开辟了新的方向。通过对CMOS模拟仿真软件Cadence的使用,可以构建出如上的模拟带通滤波器电路,不仅可以验证方法的正确性还可以找到此种电路的最高工作频率时对应的性能参数,为将来滤波器的使用提供重要的理论和应用指导。

关键词： CMOS 有源电感有源电容模拟带通滤波器 Cadence

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矿用本安电源开关变换器滤波电容消解方案

工矿自动化 2020年第4期46卷 109-112页

作者：陈慧丽李杰郑州科技学院电气工程学院河南郑州450064

针对矿用本安电源因开关变换器滤波电容较大而导致输出电压纹波较大、本安性能较差等问题,提出采用有源电容技术消解本安电源开关变换器滤波电容的方案,对有源电容的工作原理、控制策略和数学模型进行了分析.有源电容技术通过控制内部... 详细信息

针对矿用本安电源因开关变换器滤波电容较大而导致输出电压纹波较大、本安性能较差等问题,提出采用有源电容技术消解本安电源开关变换器滤波电容的方案,对有源电容的工作原理、控制策略和数学模型进行了分析.有源电容技术通过控制内部全桥变换器,将直流母线瞬时功率差转移给非直流母线电容进行能量平衡,从而实现直流母线滤波电容容量消解.以基于Buck变换器的电源为例,介绍了有源电容技术在矿用本安电源中的应用,并通过仿真和试验验证了采用有源电容技术可以较小的电容达到输出本安要求.

关键词：矿用本安电源开关电源开关变换器输出本安特性滤波电容消解有源电容

考虑hold-up time和功率密度的DC-link电容研究与设计

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考虑hold-up time和功率密度的DC-link电容研究与设计

作者：戚明轩武汉理工大学

学位级别：硕士

单相功率变换器交流侧的脉动功率会导致DC-link母线上产生低频纹波电压和纹波电流,影响直流侧设备的性能或寿命。通常采用在DC-link母线上并联电容方式来抑制此低频纹波分量:采用容量较大的铝电解电容和薄膜电容组成的无源电容模组方案... 详细信息

单相功率变换器交流侧的脉动功率会导致DC-link母线上产生低频纹波电压和纹波电流,影响直流侧设备的性能或寿命。通常采用在DC-link母线上并联电容方式来抑制此低频纹波分量:采用容量较大的铝电解电容和薄膜电容组成的无源电容模组方案;利用有源开关器件对电容电压进行控制构成的有源电容方案。无源电容方案无疑制约了变换器的功率密度,有源电容方案提高了电容利用率,所需要的电容可以大大减小,从而提升了功率密度。然而,DC-link电容除了作为能量缓冲器平滑DC-link母线电压,还作为储能装置在DC-link电压突然下降(如电网故障或扰动引起并网点的电压跌落等)的系统支撑时间(hold-up time)内,为系统提供必要的能量支撑,甚至向电网提供一定无功功率支持电网恢复。因此DC-link电容还需满足hold-up time性能指标,这无疑对功率变换器功率密度提出了一定的挑战。本文将对三种DC-link电容进行研究与设计,对比分析低频纹波抑制能力、hold-up time性能和功率密度,并进行实验验证。首先,设计抑制低频纹波分量的DC-link电容。通过电路拓扑和数学建模分析单相PWM整流器DC-link母线的低频纹波电压的产生机理,选取无源电容、电流反馈型有源电容和电压反馈型有源电容进行参数设计和控制设计;在PLECS软件中搭建单相PWM整流器和DC-link电容仿真电路,对比分析三种DC-link电容的母线纹波电压和电流抑制效果。然后,针对DC-link电容在hold-up time场合中的应用,重新设计三种DClink电容中的储能电容部分,并加入hold-up time的控制环节。从提升功率密度的角度进行功率器件选型,选取高功率密度、低功率损耗的宽禁带Ga N开关器件并计算功率损耗;基于器件的损耗和热阻对散热片选型;基于选型结果,分析三种DC-link电容的成本和功率密度;在PLECS软件中对三种DC-link电容的hold-up time性能进行仿真,与理论分析进行对比。最后,搭建实验平台对两种DC-link电容进行实验验证与分析。搭建5.5k W单相PWM整流器、无源电容和电流反馈型有源电容硬件平台。实验验证两种DC-link电容的低频纹波电压抑制功能和hold-up time性能。在实现设计目标的基础上,所设计的电流反馈型有源电容硬件装置的功率密度高于无源电容,对变换器的功率密度有明显的提升效果。

关键词： DC-link电容有源电容低频纹波 Hold-up time 功率密度

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脑电检测前置放大器静电保护电路的设计

电子技术应用 2013年第7期39卷 80-82页

作者：王敏陈亚光武昌理工学院信息工程学院湖北武汉430223 中南民族大学生物医学工程学院湖北武汉430074

以CMOS仪表运算放大器作为脑电检测前置放大器是经常选择的技术方案。但是,在使用过程中人体静电所产生的高能电子流会击穿COMS管的绝缘栅并停留在那里,从而使得放大器无法正常工作。采用在输入回路中并接二极管或电容器的方法可以实现... 详细信息

以CMOS仪表运算放大器作为脑电检测前置放大器是经常选择的技术方案。但是,在使用过程中人体静电所产生的高能电子流会击穿COMS管的绝缘栅并停留在那里,从而使得放大器无法正常工作。采用在输入回路中并接二极管或电容器的方法可以实现静电保护,但由于器件参数的不对称性将极大地降低系统的共模抑制比。为此设计了一个有源储能电路,通过该电路能精密调节等效电容量的大小,在不影响共模抑制比的前提下,提高了放大器的抗静电能力,增强了系统的可靠性。

关键词： CMOS仪表放大器静电保护有源电容

基于片内PID补偿器的高压Buck变换器设计

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微电子学 2010年第5期40卷 667-670页

作者：路烜明鑫周泽坤张波电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室成都610054

设计了一种基于片内PID补偿并具有宽输入电压范围的高压Buck变换器。该变换器采用有源电感、有源电容以及密勒电容实现片内PID补偿,从而简化了芯片外围电路的设计。通过改变PID补偿器中低频极点的位置,实现增益补偿,以保证在整个输入电... 详细信息

设计了一种基于片内PID补偿并具有宽输入电压范围的高压Buck变换器。该变换器采用有源电感、有源电容以及密勒电容实现片内PID补偿,从而简化了芯片外围电路的设计。通过改变PID补偿器中低频极点的位置,实现增益补偿,以保证在整个输入电压范围内反馈环路的稳定性。使用Matlab和HSpice软件对环路进行建模、分析和设计。结果表明,该变换器在8~30V的输入电压范围内可以稳定地工作,线性调整率小于0.013%/V。

关键词： PID补偿 Buck变换器有源电容增益补偿