基于阻抗补偿方法的交流大电流源电路及其阻抗补偿方法与流程

本申请涉及电流源技术，尤其涉及一种基于阻抗补偿方法的交流大电流源电路及其阻抗补偿方法。

背景技术：

宽频大电流源目前广泛应用于电力传输、轨道交通、航空大飞机制造等行业中，在电力元器件测试、大电流电学传感器的校准等领域，对高精度、宽频带的大电流发生电源有很高的依赖性。然而，随着功率和输出频率的提升，电源的设计与制造难度也随之而上升，国内外很多机构对于宽频大电流源技术进行了研究与探讨，并相应制造出了功率较高、频带较宽的大电流源。目前的大电流源一般采用波形发生与线性功率放大器直推技术，实现大电流波形的发生与功率放大，可以获得较为理想的精度，然而，现有的设备并未考虑输出回路的寄生电抗参数，导致电源的频带较窄，无功功率较高，体积较大。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种基于阻抗补偿方法的交流大电流源电路及交流大电流源的阻抗补偿方法。

本申请实施例提供的基于阻抗补偿方法的交流大电流源电路，包括依次连接的：功率放大器、电容补偿网络、电流输出回路；其中，

所述电容补偿网络位于所述功率放大器和所述电流输出回路之间，用于对所述电流输出回路的阻抗进行匹配，使得所述电流输出回路中的负载呈现的阻抗值减小。

在本申请一可选实施方式中，所述电容补偿网络的第一端与所述功率放大器的输出端连接，所述电容补偿网络的第二端与所述电流输出回路的输入端连接；所述电容补偿网络用于根据所述电流输出回路输出的交流大电流的频率和/大小或电流大小对所述电流输出回路的阻抗进行匹配。

在本申请一可选实施方式中，所述电流输出回路在不同的工作频率处所呈现的阻抗不同；

所述电容补偿网络基于所述电流输出回路输出的电流的频率不同采用不同的网络参数对所述电流输出回路的阻抗进行补偿。

在本申请一可选实施方式中，所述交流大电流源电路还包括：波形发生器；其中，

所述波形发生器用于产生正弦波信号，并将所述正弦波信号输入所述功率放大器，所述功率放大器用于对所述正弦波信号进行放大，并将放大后的正弦波信号转换至目标值输入所述电容补偿网络。

在本申请一可选实施方式中，所述交流大电流源电路还包括控制器和反馈网络；

所述控制器分别与所述波形放大器和所述功率放大器连接；

所述反馈网络分别与所述控制器和所述电容补偿网络连接；

所述反馈网络用于采集所述电流输出回路输出电流的输出参数及输出状态，将所述输出参数及输出状态反馈至所述控制器；

所述控制器用于从所述反馈网络中获得所述输出参数及输出状态，根据所述输出参数和输出状态向所述波形发生器发送第一控制信号，以及向所述功率放大器发送第二控制信号。

在本申请一可选实施方式中，所述电流输出回路中呈现电感特征；相应地，

所述电容补偿网络用于对所述电流输出回路的阻抗进行匹配，使得所述电流输出回路中的负载呈现的感抗值减小。

在本申请一可选实施方式中，所述交流大电流源电路还包括降压整流滤波电路；

所述降压整流滤波电路分别连接所述波形发生器和所述功率放大器，用于对所述交流大电源电路的外部电源信号进行处理。

本申请实施例提供一种交流大电流源的阻抗补偿方法，应用于交流大电流源电路，所述交流大电流源电路包括依次连接的：功率放大器、电容补偿网络、电流输出回路；所述电容补偿网络位于所述功率放大器和所述电流输出回路之间；所述方法包括：

通过所述电容补偿网络对所述电流输出回路的阻抗进行匹配，使得所述电流输出回路中的负载呈现的电抗值减小。

在本申请一可选实施方式中，连接所述电容补偿网络的第一端和所述功率放大器的输出端，连接所述电容补偿网络的第二端与所述电流输出回路的输入端；

根据所述电流输出回路输出的电流的频率和/或电流值，利用所述电容补偿网络对所述电流输出回路的阻抗进行匹配。

在本申请一可选实施方式中，所述电流输出回路在不同的工作频率处所呈现的阻抗不同；

所述电容补偿网络基于所述电流输出回路输出的电流的频率不同采用不同的网络参数对所述电流输出回路阻抗进行补偿。

在本申请一可选实施方式中，所述交流大电流源电路还包括：波形发生器；其中，所述方法还包括：

通过所述波形发生器产生正弦波信号，并将所述正弦波信号输入所述功率放大器，所述功率放大器对述正弦波信号进行放大，并将放大后的正弦波信号转换至目标值输入所述电容补偿网络。

在本申请一可选实施方式中，所述交流大电流源电路还包括控制器和反馈网络；所述控制器分别与所述波形发生器和所述功率放大器连接；所述反馈网络分别与所述控制器和所述电容补偿网络连接；其中，所述方法还包括：

通过所述反馈网络采集所述，电流输出回路输出电流的输出参数及输出状态，将所述输出参数及输出状态反馈至所述控制器；

通过所述控制器从所述反馈网络中获得所述输出参数及输出状态，根据所述输出参数及输出状态向所述波形发生器发送第一控制信号，以及向所述功率放大器发送第二控制信号。

在本申请一可选实施方式中，所述电流输出回路中呈现电感特征；相应地，所述方法还包括：

通过所述电容补偿网络对所述电流输出回路的阻抗进行匹配，使得所述电流输出回路中的负载呈现的感抗值减小。

在本申请一可选实施方式中，所述交流大电流源电路还包括降压整流滤波电路；所述降压整流滤波电路分别连接所述波形发生器和所述功率放大器，

通过所述降压整流滤波电路对所述交流大电源电路的外部电源信号进行处理。

本申请实施例的技术方案中，所述基于阻抗补偿方法的交流大电流源电路包括依次连接的：功率放大器、电容补偿网络、电流输出回路；其中，所述电容补偿网络用于对所述电流输出回路的阻抗进行匹配，使得所述电流输出回路中的负载呈现的电抗值减小。采用本申请实施例的技术方案，能够在输出回路及阻抗变化时对电流输出回路的阻抗进行匹配，实现电源的精准的宽频大电流输出，通过对电源进行阻抗补偿，能够在设备体积缩小、功率因数提高的同时提升电源的输出功率，降低设备的设计与制造成本，本申请实施例的电源采用功率放大方式使电源的输出产生的误差与干扰很小，能够应用于需要精准测量的场合。

附图说明

图1为本申请实施例提供的基于阻抗补偿方法的交流大电流源电路示意图；

图2为本申请实施例提供的电容补偿网络示意图。

具体实施方式

宽频大电流源能够在较宽的频带内实现大电流的输出，具体应用中，宽频大电流源的功率输出可以通过线性功率放大器输出的方式实现，还可以通过逆变的方式实现。

逆变方式是指通过开关器件实现电流的大小与波形的变换。通过开关器件周期性的导通与关断，将电能变换为所需的波形的信号。由于开关器件在开关工作时，功率损耗较低，因此，采用逆变方式实现电源的功率输出可以提升设备的效率。然而，由于开关器件具有强烈的非线性，采用逆变方式时会导致电源输出的电流的纹波较大、干扰较强。因此，当需要进行电流的精确输出与测量时，逆变方式所引起的误差与干扰会引入电源输出的不确定性，导致电源的输出与测量不准确。

本申请实施例的交流大电流源电路采用功率放大方式使电源的输出产生的误差与干扰很小，能够应用于需要精准测量的场合。

基于上述宽频大电流源采用不同方式实现功率输出时存在的问题，提出本申请的各实施例。

本申请实施例的基本思想是：采用电容补偿技术实现电源的大电流输出。通过利用电容电感的串联谐振抵消电流输出回路中的电抗分量，使得输出回路呈现阻性，进而提高电源输出的有功功率和电源的功率因数。实际应用中，宽频电流源的电流输出回路随着电源工作频率的增大会使负载的感性特征增强，导致电源电流输出回路的无功功率增加，损耗也随之上升。为降低电源电流输出回路的无功功率，提高电源的功率因数，增大电源的带负载能力，本申请实施例在电源输出的前端加入电容补偿网络，进行电容无功补偿。需要说明的是，本申请实施例中的电流输出回路可以实现大电流的输出，从而本申请实施例中的电流输出回路也可以称为大电流输出回路。

为便于理解本申请实施例的技术方案，以下对本申请实施例相关的技术进行说明。

如图1所示，本申请实施例提供基于阻抗补偿方法的交流大电流源电路示意图，所述交流大电流源电路10包括依次连接的：功率放大器102、电容补偿网络103、电流输出回路104；其中，

所述电容补偿网络103位于所述功率放大器102和所述电流输出回路104之间，用于对所述电流输出回路104的阻抗进行匹配，使得所述电流输出回路104中的负载呈现的电抗值减小。

在本申请实施例中，所述电容补偿网络的第一端与所述功率放大器的输出端连接，所述电容补偿网络的第二端与所述电流输出回路的输入端连接；所述电容补偿网络用于根据所述电流输出回路输出的交流大电流的频率大小和/或电流大小对所述电流输出回路的阻抗进行匹配。

在本申请实施例中，所述电流输出回路在不同的工作频率处所呈现的电抗不同；

所述电容补偿网络基于所述电流输出回路输出的电流的频率不同采用不同的网络参数对所述电流输出回路的阻抗进行补偿。

需要说明的是，所述电流输出回路在不同的工作频率处所呈现的阻抗不同；所述电容补偿网络基于所述电流输出回路输出的电流的频率不同采用不同的网络参数对所述电流输出回路进行阻抗补偿。当交流大电流源电路处于不同的工作频率下工作时，电容补偿网络能够根据工作频率的不同，采用不同的网络参数对所述电流输出回路进行阻抗补偿。

实际应用中，电流输出回路104的负载处于不同的工作频率时，所述负载对外呈现的感抗值随着工作频率的不同也会产生变化，另外，受趋肤效应、临近效应等因素的影响，电容补偿网络网络能够根据实际的整体电路情况的进行变化，在不同的工作频率下，采用不同的网络参数，对电流输出回路104的阻抗进行分段匹配，通过采用分段精准补偿技术对电源实现宽频带范围内高性能的功率补偿，提升电源的频率特性。

在本申请实施例中，所述电流输出回路104中呈现电感特征；相应地，

所述电容补偿网络103用于对所述电流输出回路104的阻抗进行匹配，使得所述电流输出回路104中的负载呈现的感抗值减小。

具体的，所述电流输出回路104是连接着电源与负载的电气回路，由于电流输出回路104中存在寄生参数，导致电流输出回路104一般呈现电感特征，采用电容补偿网咯能够补偿电流输出回路104的电感，使得电流输出回路104中的负载呈现的感抗值减小，一种理想情况下，通过电容补偿网络103对电流输出回路104中负载的阻抗的匹配，可以使电流输出回路104的负载呈现纯电阻的特性。

对于本申请实施例中的电流输出回路104，其回路导线的截面积、导线围成的体积等都会影响电源的输出，因此，在设计电源电路时，可以通过调整电流输出回路的回路面积、导线截面积等参数实现电源的参数匹配，提高电源的输出功率，改善电源的稳定性，实现电源稳定的大功率输出，使得负载端获得最大功率的输出能量。

需要说明的是，所述电容补偿网络具备不同的网络参数，本申请实施例的电容补偿网络可以设置于升流器中，与升流器一起构成阻抗匹配升流器，其中，升流器中包括有变压器，能够实现对电流进行提升的目的。本申请实施例的电容补偿网络可以采用如图2所示的一种形式。

图2所示的电容补偿网络设置于升流器中，升流器中的变压器能够对实现对电流进行提升的目的。此外，电容补偿网络201通过开关与电容串联形成的多个支路实现使电容补偿网络具备不同的网络参数。功率放大器将正弦波信号进行放大输出后，所述阻抗匹配升流器中的变压器功率放大器输出的电流进行提升，用于产生大电流，阻抗匹配升流器中的电容补偿网络201由多个开关与电容串联的支路构成，使电容补偿网络201具备不同的网络参数，当信号传输至电容补偿网络201后，所述电容补偿网络通过接通不同的支路，实现在不同的频率点处，采用不同的网络参数，对电流输出回路的阻抗进行分段匹配，通过采用分段精准补偿技术对电源实现宽频带范围内高性能的功率补偿，提升电源的频率特性。此外，图2中还包括有电流取样输出电路202，能够对经电容补偿后的电流进行取样，检测电流输出回路的电流，从而验证采用本申请实施例的技术方案，能否提高电流输出的性能。

在本申请一可选实施方式中，所述交流大电流源电路还包括：波形发生器；其中，

所述波形发生器用于产生正弦波信号，并将所述正弦波信号输入所述功率放大器，所述功率放大器用于对所述正弦波信号进行放大，并将放大后的正弦波信号转换至目标值输入所述电容补偿网络。

在本申请一可选实施方式中，所述交流大电流源电路10还包括降压整流滤波电路107；

所述降压整流滤波电路107分别连接所述波形发生器101和所述功率放大器102，用于对所述交流大电源电路10的外部电源信号进行处理。

需要说明的是，所述波形发生器101是本申请实施例中所述电源的信号源，外部电源通过降压整流滤波后对所述波形发生器101进行供电。所述波形发生器101用于产生高精度的正弦波信号，并将其产生的高精度正弦波信号输入至功率放大器102。本申请实施例中，为所述波形发生器101供电的外部电源可以是3×380v的三相交流电源。所述功率放大器102接收来自波形发生器101的输出信号后，对所述正弦波信号的电压和电流进行放大，进而将放大后的电压转换至目标值，采用功率放大器102能够提高电源的带负载能力，本申请中对所选功率放大器102的类型和型号等不做限定，根据所要设计的电源的具体指标和参数而定，例如，可以选用线性大功率功率放大器来实现电源的功率输出。本申请实施例中，外部电源经降压整流滤波电路107对外部电源信号处理后对所述功率放大器102进行供电，为所述功率放大器102供电的外部电源可以是3×380v的三相交流电源。

在本申请一可选实施方式中，所述交流大电流源电路10还包括控制器105和反馈网络106；

所述控制器分别与所述波形发生器和所述功率放大器连接；

所述反馈网络分别与所述控制器和所述电容补偿网络连接；

所述反馈网络106用于采集所述电流输出回路104输出电流的输出参数及输出状态，将所述输出参数及输出状态反馈至所述控制器105；

所述控制器105用于从反馈网络中106获得所述输出参数及输出状态，根据所述输出参数和输出状态向所述波形发生器101发送第一控制信号，以及向所述功率放大器102发送第二控制信号。

具体的，本申请实施例中的反馈网络106能够实时采集所述电流输出回路104的输出电流的输出参数及输出状态，将所述输出参数及输出状态反馈至所述控制器105，使得控制器105能够及时获取电源的实际输出情况并根据反馈网络反馈的信号，向所述波形发生器101发送第一控制信号，以及向所述功率放大器102发送第二控制信号。所述波形发生器101根据其接收到的第一控制信号调整其输出的正弦波信号频率、幅值等参数，所述功率放大器102根据其接收到的第二控制信号调整自身的工作状态和输出。通过引入反馈网络106，能够实现电源系统的闭环，提高整个电源系统输出的精度。

本申请实施例中的控制器105是整个电源的控制核心，所述控制器105用于获取电源的输出状态与输出参数信息，此外，本申请实施例对控制器的形式不作具体限定。控制器105从反馈网络106获得电流输出回路104的输出电流的输出参数及输出状态后，根据所获得的输出参数及输出状态控制波形发生器101和功率放大器102，具体的，控制器105根据所述输出参数及输出状态向所述波形发生器101发送第一控制信号，以及向所述功率放大器102发送第二控制信号。所述波形发生器101根据其接收到的第一控制信号调整其输出的正弦波信号频率、幅值等参数，所述功率放大器102根据其接收到的第二控制信号调整工作状态和输出。

采用本申请实施例提供的基于阻抗补偿方法的交流大电流源电路，利用电路领域的无功功率补偿原理，能够对电源的负载阻抗进行匹配，实现对负载阻抗的分段补偿，对于不同的工作频率，采用电容补偿网络的不同的网络参数，在电源的负载端实现大电流输出的同时，提升了电源输出的稳定性，降低了电源整体的无功功率，能够大幅度缩小电源设备的体积，降低对电源输入端口的要求，通过采用分段补偿技术和电流输出回路的负载的阻抗匹配技术，拓宽了电源的输出频带，实现交流大电流源电路的宽频交流大电流输出，提高了电源的输出功率，综合降低了电源的制造成本，并提高了电能的利用率。

本申请实施例还提供一种交流大电流源的阻抗补偿方法，应用于交流大电流源电路，所述交流大电流源电路包括依次连接的：功率放大器、电容补偿网络、电流输出回路；所述电容补偿网络位于所述功率放大器和所述电流输出回路之间；所述方法包括：

通过所述电容补偿网络对所述电流输出回路的阻抗进行匹配，使得所述电流输出回路中的负载呈现的电抗值减小。

在本申请一可选实施方式中，连接所述电容补偿网络的第一端和所述功率放大器的输出端，连接所述电容补偿网络的第二端与所述电流输出回路的输入端；

根据所述电流输出回路输出的电流的频率和/或电流值，利用所述电容补偿网络对所述电流输出回路的阻抗进行匹配。

在本申请一可选实施方式中，所述电流输出回路在不同的工作频率处所呈现的阻抗不同；

所述电容补偿网络基于所述电流输出回路输出的电流的频率不同采用不同的网络参数对所述电流输出回路进行阻抗补偿。

在本申请一可选实施方式中，所述交流大电流源电路还包括：波形发生器；其中，所述方法还包括：

通过所述波形发生器产生正弦波信号，并将所述正弦波信号输入所述功率放大器，所述功率放大器对述正弦波信号进行放大，并将放大后的正弦波信号转换至目标值输入所述电容补偿网络。

在本申请一可选实施方式中，所述交流大电流源电路还包括控制器和反馈网络；所述控制器分别与所述波形发生器和所述功率放大器连接；所述反馈网络分别与所述控制器和所述电容补偿网络连接；其中，所述方法还包括：

通过所述反馈网络采集所述电流输出回路的输出信号，将所述输出信号反馈至所述控制器。

通过所述控制器从所述反馈网络获得所述交流大电流源的电流输出参数和状态，根据所述输出状态与输出参数信息向所述波形发生器发送第一控制信号，以及向所述功率放大器发送第二控制信号。

在本申请一可选实施方式中，所述电流输出回路中呈现电感特征；相应地，所述方法还包括：

通过所述电容补偿网络对所述电流输出回路的阻抗进行匹配，使得所述电流输出回路中的负载呈现的感抗值减小。

在本申请一可选实施方式中，所述交流大电流源电路还包括降压整流滤波电路；所述降压整流滤波电路分别连接所述波形发生器和所述功率放大器，通过所述降压整流滤波电路对所述交流大电源电路的外部电源信号进行处理。

通过本申请实施例提供的阻抗补偿电流源电路及方法，通过在电源中加入电容补偿网络及反馈网络，使得电源能够在负载阻抗变化、输出回路变化时，实现精准的电流输出，电路中波形发生器产生的信号经由功率放大器实现大功率输出，电流输出回路中实现了宽频大电流的精确输出。采用本申请实施例的阻抗补偿电流源电路及方法在提高电源的输出功率和功率因数的同时，能够缩小电流源设备的体积，降低设备的设计与制造成本。

本申请实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和智能设备，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个第二处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。