专利名称：脉宽调制型可调阻容电路及其调节方法
技术领域：
本发明涉及一种可调阻容电路，特别涉及一种脉宽调制(PWM)型可调阻容电路，同时还涉及该电路的调节方法。
背景技术：
电路阻容可调目前最常用的调节电容方法是通过改变电容的物理特性实现，但该方法实现的电容调节，往往具有很强的针对性，而且可调节范围很小，不具有对电容调节的通用性。另外，一些学者也在研究其它调节电容的方法，如哈尔滨理工大学的朱东柏、刘骥等针对目前无功补偿装置中分组投切电容器时电容有级差及补偿所需电容器组的数量较多的问题，基于PWM控制原理，用电力电子开关控制两组电容器的投切，通过调节控制脉冲 的占空比，控制两组电容器的工作时间，等效为投入系统的电容是可调的。但该方案存在开关切换瞬间电容两端电压与电路中电流有突变产生，不能实现调节过程平稳进行。此外还有本文作者曾研究过的一阶脉宽调制型负载通过调节一阶RC电路中的电阻阻值实现阻容的调节，这种方式的调节过程出现的谐波会比较大，平稳性不好。
发明内容
鉴于此，为了解决上述问题，本发明提供了一种脉宽调制型可调阻容电路及其调节方法，保证了开关切换过程电路中电压、电流是连续平稳变化的。为实现所述目的，本发明设计的脉宽调制型可调阻容电路，包括一阶RC电路、电子开关、PWM控制器和保压续流回路；所述PWM控制器产生脉宽调制型方波信号控制电子开关的工作，所述电子开关控制一阶RC电路中电容的接入或断开；所述保压续流回路控制一阶RC电路中电容两端电压，保证电容在不接入电路中的时候，电路中的电流及电容两端的电压不变。进一步，所述保压续流回路是一种输入高阻抗，输出低阻抗，放大倍数约等于I的电路。作为本发明的第一种技术方案，所述保压续流回路包括第一三极管Tl、第二三极管T2、第一二极管D1、第二二极管D2、第二电阻R2和第三电阻R3。第一三极管Tl的集电极与第一二极管Dl的正极连接，第一二极管Dl的负极连接到电容C端点4，第二三极管T2的集电极与第二二极管D2的负极连接，第二二极管D2的正极连接到电容C端点4。第一三极管Tl基极通过第二电阻R2连接到电容C的端点3，第二三极管T2的基极通过第三电阻R3连接到电容C端点3。第一三极管Tl的发射极与第二三极管T2的发射极连接到电子开关。进一步，所述保压续流回路的输入输出电流相等。进一步，所述三极管采用射极跟随器结构。作为本发明的第二种技术方案，所述保压续流回路包括第三三极管T3、第四三极管T4、第三二极管D3、第四二极管D4、第六电阻R6第七电阻R7和运算放大器Α。所述第三三极管Τ3的集电极与第三二极管D3的正极连接，第三二极管D3的负极连接到电容C端点4 ;第三三极管Τ4的集电极与第四二极管D4的负极连接，第四二极管D4的正极连接到电容C以端点4。第三三极管Τ3基极通过第六电阻R6连接到运算放大器A的输出端，第四三极管Τ4的基极通过第七电阻R7连接到运算放大器A的输出端，运算放大器A的正向输入端连接到电容C的端点3，运算放大器A的反向输入端与输出端连接。 进一步，所述三极管采用射极跟随器结构。
脉宽调制型可调阻容电路的调节方法，其特征在于包括以下步骤
第一步当电子开关接通一阶RC电路中电容时，电容C处于充或放电状态；
第二步当电子开关断开一阶RC电路中电容时，保压续流电路保持电容C两端的电压不变，同时保持电路中电流不变；
第三步重复第一步、第二步。进一步，所述第二步中电容C两端的电压是通过PWM控制器产生的方波信号控制电子开关的周期Γ及占空比5来控制电容的充放电时间，等效改变一阶RC电路的时间常
数，从而实现对电路阻容的调节，且7^-!·，占空比越小，则等效一阶RC电路的时间常数越
大。本发明具有以下优点
1、本发明设计的脉宽调制(PWM)型可调阻容电路，包括一阶RC电路、电子开关、PWM控制器、保压续流回路；所述电子开关控制一阶RC电路中电容的接入或断开；所述保压续流回路控制一阶RC电路中电容两端电压，保证电容在不接入电路中的时候，电路中的电流及电容两端的电压不变。所述PWM控制器产生脉宽调制型方波信号控制电子开关的工作，通过调节脉宽占空比控制电子开关的导通时间，从而控制电容充放电速度等效实现阻容的调节，所述保压续流回路控制电容间歇充放电工作状态等效为电容容量的变化实现电路阻容的调节。该脉宽调制型可调阻容电路可调节范围大，具有对电容调节的通用性；
2、本发明设计的保压续流回路实现了开关切换过程电路中电压、电流是连续平稳变化的。
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明
图I为本发明的脉宽调制型可调阻容电路的工作原理 图2为本发明实施例提供的脉宽调制型可调阻容电路实施例一电路 图3为本发明实施例提供的脉宽调制型可调阻容电路实施例二电路 图4为本发明实施例提供的脉宽调制型可调阻容电路实施例三电路 图5为本发明实施例提供的脉宽调制型可调阻容电路实施例四电路 图6为本发明实施例提供的脉宽调制型可调阻容电路实施例五电路 图7为本发明实施例提供的脉宽调制型可调阻容电路实施例六电路图；图8为本发明实施例提供的脉宽调制型可调阻容电路实施例七电路 图9为本发明的电路电压阶跃响应曲线示意 图10为本发明的电路电流阶跃响应曲线 图11为本发明的不同占空比时电路的电压阶跃响应曲线示意图。
具体实施例方式以下将参照附图，对本发明的实施例进行详细的描述。应当理解，实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。本发明所设计的脉宽调制型可调阻容电路，包括一阶RC电路、PWM控制器、电子开关与保压续流回路。所述PWM控制器产生脉宽调制型方波信号控制电子开关的工作，所述 电子开关控制一阶RC电路中电容的接入或断开；所述保压续流回路控制一阶RC电路中电容两端电压，保证电容在不接入电路中的时候，电路中的电流及电容两端的电压不变。所述保压续流回路是一种输入高阻抗(阻值小于2ΜΩ大于IM Ω )，输出低阻抗(小于40Ω )，放大倍数约等于I的电路。本发明可以按电路图2设计出一种脉宽调制型可调阻容电路。作为本发明的第一实施例，所述保压续流回路包括两个方向的三极管(第一三极管Tl与第二三极管T2)、两个方向的二极管(第一二极管Dl与第二二极管D2)和两个电阻(第二电阻R2与第三电阻R3)，所述的三极管采用射极跟随器结构。所述第一三极管Tl的集电极与第一二极管Dl的正极连接，第一二极管Dl的负极连接到电容C端点4，第二三极管T2的集电极与第二二极管D2的负极连接，第二二极管D2的正极连接到电容C端点4。第一三极管Tl基极通过第二电阻R2连接到电容C的端点3，第二三极管T2的基极通过第三电阻R3连接到电容C端点3。第一三极管Tl的发射极与第二三极管T2的发射极连接到电子开关。电子开关接通I时，电容C处于充或放电状态；开关切换接通2时，电流通过保压续流回路流动。考虑到正负电压信号，所以配置了两个方向的三极管Tl、T2，电路中的二极管D1、D2保了续流电路中同时刻只有一个三极管工作。在电子开关从I切换到2时，保持发射极的电压^与电容两端电压U。基本相同，电阻上电压在开关切换前后保持不变，所以流过第一电阻Rl的电流i保持不变，保证了开关切换过程电路中电压、电流是连续平稳变化的。本发明还可以根据图3设计出一种脉宽调制型可调阻容电路。作为本发明的第二实施例，所述保压续流回路包括两个方向的三极管(第一三极管Tl与第二三极管T2)和两个电阻(第二电阻R2与第三电阻R3)，所述的三极管采用射极跟随器结构。所述第一三极管Tl的集电极连接到电容C端点4 ;第二三极管T2的集电极接到电容C端点4。第一三极管Tl基极通过第二电阻R2连接到电容C的端点3，第二三极管T2的基极通过第三电阻R3连接到电容C端点3。第一三极管Tl的发射极与第二三极管T2的发射极连接到电子开关。电子开关接通I时，电容C处于充或放电状态；开关切换接通2时，电流通过保压续流回路流动。考虑到正负电压信号，所以配置了两个方向的三极管T3、T4。在电子开关从I切换到2时，保持发射极的电压^与电容两端电压Uc基本相同，电阻上电压在开关切换前后保持不变，所以流过第一电阻Rl的电流i保持不变，保证了开关切换过程电路中电压、电流是连续平稳变化的。
本发明还可以根据图4设计出一种脉宽调制型可调阻容电路。作为本发明的第三实施例所述保压续流回路包括两个方向的三极管(第一三极管Tl与第二三极管T2)和四个电阻(第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5)，所述的三极管采用射极跟随器结构。所述第一三极管Tl的集电极通过第四电阻R4连接到电容C端点4，第二三极管T2的集电极通过第五电阻R5连接到电容C端点4。第一三极管Tl基极通过第二电阻R2连接到电容C的端点3，第二三极管T2的基极通过第三电阻R3连接到电容C端点3。第一三极管Tl的发射极与第二三极管T2的发射极连接到电子开关。电子开关接通I时，电容C处于充或放电状态；开关切换接通2时，电流通过保压续流回路流动。考虑到正负电压信号，所以配置了两个方向的三极管T1、T2。在电子开关从I切换到2时，保持发射极的电压队与电容两端电压Uc基本相同，电阻上电压在开关切换前后保持不变，所以流过第一电阻Rl的电流i保持不变，保证了开关切换过程电路中电压、电流是连续平稳变化的。本发明也可以根据图5设计出一种脉宽调制型可调阻容电路。作为本发明的第四实施例，所述保压续流回路包括两个方向的三极管(第三三极管T3与第三三极管T4)、两个 方向的二极管(第三二极管D3与第四二极管D4)、两个电阻(第六电阻R6和第七电阻R7)和一个运算放大器A，所述的三极管采用射极跟随器结构。所述第三三极管T3的集电极与第三二极管D3的正极连接，第三二极管D3的负极连接到电容C端点4 ;第三三极管T4的集电极与第四二极管D4的负极连接，第四二极管D4的正极连接到电容C端点4。第三三极管T3基极通过第六电阻R6连接到运算放大器A的输出端，第四三极管T4的基极通过第七电阻R7连接到运算放大器A的输出端，运算放大器A的正向输入端连接到电容C的端点3，运算放大器A的反向输入端与输出端连接。第三三极管T3的发射极和第四三极管T4的发射极连接到电子开关。电子开关接通I时，电容C处于充或放电状态；开关切换接通2时，电流通过保压续流回路流动。考虑到正负电压信号，所以配置了两个方向的三极管T3、T4，电路中的二极管D3、D4保证了续流电路中同时刻只有一个三极管工作。在电子开关从I切换到2时，保持发射极的电压^与电容两端电压Uc基本相同，电阻上电压在开关切换前后保持不变，所以流过第一电阻Rl的电流i保持不变，保证了开关切换过程电路中电压、电流是连续平稳变化的。本发明还可以根据图6设计出一种脉宽调制型可调阻容电路。作为本发明的第五实施例，所述保压续流回路包括两个方向的三极管(第三三极管T3与第三三极管T4)、两个方向的二极管(第三二极管D3与第四二极管D4)、两个电阻(第八电阻R8和第九电阻R9)和一个运算放大器A，所述的三极管采用射极跟随器结构。所述第三三极管T3的集电极与第三二极管D3的正极连接，第三二极管D3的负极连接到电容C端点4 ;第四三极管T4的集电极与第四二极管D4的负极连接，第四二极管D4的正极连接到电容C端点4。第三三极管T3基极连接到运算放大器A的输出端，第四三极管T4的基极连接到运算放大器A的输出端，运算放大器A的正向输入端通过第八电阻R8连接到电容C的端点3，运算放大器A的反向输入端通过第九电阻R9与输出端连接。第三三极管T3的发射极和第四三极管T4的发射极连接到电子开关。电子开关接通I时，电容C处于充或放电状态；开关切换接通2时，电流通过保压续流回路流动。考虑到正负电压信号，所以配置了两个方向的三极管T3、T4，电路中的二极管D3、D4保证了续流电路中同时刻只有一个三极管工作。在电子开关从I切换到2时，保持发射极的电压％与电容两端电压Uc基本相同，电阻上电压在开关切换前后保持不变，所以流过第一电阻Rl的电流i保持不变，保证了开关切换过程电路中电压、电流是连续平稳变化的。本发明还可以根据图7设计出一种脉宽调制型可调阻容电路。作为本发明的第六实施例，所述保压续流回路包括两个方向的三极管(第三三极管T3与第三三极管T4)、两个方向的三极管(第三三极管T3与第三三极管T4)、和一个运算放大器A，所述的三极管采用射极跟随器结构。第三三极管T3的集电极与第三二极管D3的正极连接，第三二极管D3的负极连接到电容C端点4 ;第四三极管T4的集电极与第四二极管D4的负极连接，第四二极管D4的正极连接到电容C端点4。第三三极 管T3基极连接到运算放大器A的输出端，第四三极管T4的基极连接到运算放大器A的输出端，运算放大器A的正向输入端连接到电容C的端点3，运算放大器A的反向输入端与输出端连接。第三三极管T3的发射极和第四三极管T4的发射极连接到电子开关。电子开关接通I时，电容C处于充或放电状态；开关切换接通2时，电流通过保压续流回路流动。考虑到正负电压信号，所以配置了两个方向的三极管T3、T4，电路中的二极管D3、D4保证了续流电路中同时刻只有一个三极管工作。在电子开关从I切换到2时，保持发射极的电压^与电容两端电压Uc基本相同，电阻上电压在开关切换前后保持不变，所以流过第一电阻Rl的电流i保持不变，保证了开关切换过程电路中电压、电流是连续平稳变化的。本发明还可以根据图8设计出一种脉宽调制型可调阻容电路。作为本发明的第七实施例，所述保压续流回路包括两个方向的三极管(第三三极管T3与第三三极管T4)、两个电阻(第八电阻R8和第九电阻R9)和一个运算放大器A，所述的三极管采用射极跟随器结构。所述第三三极管T3的集电极连接到电容C端点4 ;第四三极管T4的集电极连接到电容C端点4。第三三极管T3基极连接到运算放大器A的输出端，第四三极管T4的基极连接到运算放大器A的输出端，运算放大器A的正向输入端通过第八电阻R8连接到电容C的端点3，运算放大器A的反向输入端通过第九电阻R9与输出端连接。第三三极管T3的发射极和第四三极管T4的发射极连接到电子开关。电子开关接通I时，电容C处于充或放电状态；开关切换接通2时，电流通过保压续流回路流动。考虑到正负电压信号，所以配置了两个方向的三极管T3、T4，在电子开关从I切换到2时，保持发射极的电压^与电容两端电压Uc基本相同，电阻上电压在开关切换前后保持不变，所以流过第一电阻Rl的电流i保持不变，保证了开关切换过程电路中电压、电流是连续平稳变化的。基于以上实施例，本发明的脉宽调制型可调阻容电路的调节方法，包括以下步骤
第一步当电子开关接通一阶RC电路中电容时，电容C处于充或放电状态；
第二步当电子开关断开一阶RC电路中电容时，保压续流电路保持电容C两端的电压不变，同时保持电路中电流不变；
第三步重复第一步、第二步。所述第二步中，电容C两端的电压是通过PWM控制器产生的方波信号控制电子开关的周期Γ及占空比来控制电容的充放电时间，等效改变一阶RC电路的时间常数，从而
实现对电路阻容的调节，且,占空比越小，则等效一阶RC电路的时间常数越大。
O图9中，①曲线为开关一直处于设计电路中I位置处时电压响应曲线，此时RC电路的时间常数为，②曲线为电子开关按照周期I*，占空比5工作时电压响应曲线，此时RC电路的时间常数为τ。图10中f曲线为开关处于接通I时的电流阶跃响应曲线， 曲线为开关在1、2之间切换时的电流阶跃响应曲线。图11中，I'曲线为δ=1即开关只处于位置I时的电压阶跃响应曲线，⑥曲线为5 =0.5时的电压阶跃响应曲线，⑦曲线为5 =0. I时电压阶跃响应曲线，可见
权利要求
1.脉宽调制型可调阻容电路，其特征在于包括一阶RC电路、电子开关、PWM控制器和保压续流回路；所述PWM控制器产生脉宽调制型方波信号控制电子开关的工作；所述电子开关控制一阶RC电路中电容的接入或断开；所述保压续流回路控制一阶RC电路中电容两端电压，保证电容在不接入电路中的时候，电路中的电流及电容两端的电压不变。
2.根据权利要求I所述的脉宽调制型可调阻容电路，其特征在于所述保压续流回路是一种输入高阻抗，输出低阻抗，放大倍数约等于I的电路。
3.根据权利要求I所述的脉宽调制型可调阻容电路，其特征在于所述保压续流回路包括第一三极管(Tl)、第二三极管(T2)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第二电阻(R2)和第三电阻(R3)，所述第一三极管(Tl)的集电极与第一二极管(Dl)的正极，第一二极管(Dl)的负极连接到电容C端点4，第二三极管(T2)的集电极与第二二极管(D2)的负极连接，第二二极管D2的正极连接到电容(C)的端点4 ;第一三极管Tl基极通过第二电阻(R2)连接到电容(C)的端点3，第二三极管(T2)的基极通过第三电阻(R3)连接到电容(C)的端点3。·
4.根据权利要求3所述的脉宽调制型可调阻容电路，其特征在于所述保压续流回路的输入输出电流相等。
5.根据权利要求3所述的脉宽调制型可调阻容电路，其特征在于所述三极管采用射极跟随器结构。
6.根据权利要求I所述的脉宽调制型可调阻容电路，其特征在于所述保压续流回路包括第三三极管(T3)、第四三极管(T4)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第六电阻(R6)第七电阻(R7)和运算放大器(A);所述第三三极管(T3)的集电极与第三二极管D3的正极连接，第三二极管(D3)的负极连接到电容C端点4 ;第四三极管(T4)的集电极与第四二极管(D4)的负极连接，第四二极管(D4)的正极连接到电容(C)以端点4 ;第三三极管(T3)基极通过第六电阻(R6)连接到运算放大器(A)的输出端，第四三极管(T4)的基极通过第七电阻(R7)连接到运算放大器(A)的输出端，运算放大器A的正向输入端连接到电容(C)的端点3，运算放大器(A)的反向输入端与输出端连接；第三三极管(T3)发射极连接到电子开关，第四三极管(T4)发射极连接到电子开关。
7.根据权利要求6所述的脉宽调制型可调阻容电路，其特征在于所述三极管采用射极跟随器结构。
8.根据权利要求I所述的脉宽调制型可调阻容电路的调节方法，其特征在于包括以下步骤 第一步当电子开关接通一阶RC电路中电容时，电容C处于充或放电状态； 第二步当电子开关断开一阶RC电路中电容时，保压续流电路保持电容C两端的电压不变，并保持电路中电流不变； 第三步重复第一步、第二步。
9.根据权利要求8所述的脉宽调制型可调阻容电路的调节方法，其特征在于所述第二步中电吝C两端的电压是通过PWM控制器产生的方波信号控制电子开关的周期Γ及占空比5未控制电容的充放电时间，等效改变一阶RC电路的时间常数，从而实现对电路阻容的调节，且,占空比越小，则等效 一阶RC电路的时间常数越大。a
全文摘要
本发明公开了一种脉宽调制(PWM)型可调阻容电路及其调节方法，包括一阶RC电路、电子开关、PWM控制器、保压续流回路；所述电子开关控制一阶RC电路中电容的接入或断开；所述保压续流回路控制一阶RC电路中电容两端电压，保证电容在不接入电路中的时候，电路中的电流及电容两端的电压不变。本发明所设计的脉宽调制型可调阻容电路基于PWM控制技术，控制电容的间歇充放电工作状态等效实现对电路阻容的调节，且设计的保压续流回路实现了开关切换过程电路中电压、电流是连续平稳变化的。
文档编号H02M3/07GK102931832SQ20121048628
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月26日 优先权日2012年11月26日
发明者程森林, 代洪海, 叶兆虹, 朱保卫 申请人:重庆大学