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忆阻器等效实现电路及电力工程应用研究

  • 发布日期:2018-07-23
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本文是一篇硕士电力工程论文,电力不足严重阻碍着国民经济的发展。世界各国的经验表明,电力生产的发展速度应高于其他部门的发展速度,才能促进国民经济的协调发展,所以电力工业又被称为国民经济的“先行官”。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇硕士电力工程论文,供大家参考。
 
第一章绪论
 
1.1 忆阻器的概念及电学特性
考虑到荷控型忆阻器和电阻的单位相同,所以可以将其称作忆阻器;磁控忆阻器和电导的单位相同,所以又可以将其称作忆导器。1976 年,蔡少棠教授发现一大类设备和系统都存在忆阻特性,但是却不能用之前所提的忆阻器的定义去解释。通过研究发现,忆阻器只是这一类设备的一个特例。根据这一发现,蔡少棠教授提出了忆阻系统的概念[2]。忆阻器的理论模型被提出之后,由于没有找到实物,并没有引起广泛关注。在之后长达三十年的时间里,忆阻器并没有太多的进展。2008 年,HP 公司利用 TiO2和 TiO2-x薄膜制造了纳米级别忆阻器实物模型[3]。该实物模型的发现验证了蔡少棠教授所提忆阻器在现实中确实存在,引起了国际上各研究所的广泛关注,并重新激发了国内外学者对忆阻器及其应用电路的研究兴趣[4]-[10]。忆阻器与电阻有相同的量纲,一般来说,当输入激励为正弦波时,它具备以下三个特性:(1)输入激励电压与电流的伏安特性曲线呈现出一个斜“8”字的滞回曲线。理想忆阻器的斜“8”字形状伏安特性曲线是过零点的,且在零点处自交叉,有奇对称性[1]。(2)当输入激励频率一定时,幅值增大,其滞回曲线所围的面积会增大。(3)当输入激励幅值一定时,频率增大,其滞回曲线所围面积会减少;当频率增大到无穷时,其滞回曲线退化成一条直线,也即线性电阻。忆阻器系统又称为广义忆阻器[11],广义忆阻器包含理想忆阻器的概念,与理想忆阻器相比,不再严格要求忆阻器的斜“8”字形滞回曲线在零点出自交叉[11]。
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1.2 忆阻器的研究现状
目前国内外关于忆阻器的研究主要集中在两个方面。一是建模及其等效实现电路的研究,二是忆阻器应用电路的研究。忆阻器的建模及其等效实现电路的研究目前主要有两种思路[12],一种是基于 HP 实验室提供的忆阻器模型,即将忆阻器等效为一个阻值受磁通或者电荷控制的可变电阻[13-16];另一种则是基于蔡少棠教授对忆阻器最原始的定义,即考虑磁通与电荷的关系进行研究[17-19]。文献[1]中提到了一种利用转换器实现忆阻器的等效电路。这是由蔡少棠教授提出的最早的忆阻器等效电路模型。其中包括 M-R 转换器,M-L 转换器和 M-C 转换器,如图1-2 所示。而转换器则主要通过一个或者两个受控源来实现。从原理图 1-2 和 1-3 中可以看出,上述两种忆阻器等效电路模型主要运用忆阻器磁通与电荷的关系搭建而成,即蔡少棠提出关于忆阻器最原始的定义。文献[21]中提到利用晶体管 JEFT 的可变电导区域来实现忆阻器等效电路模型,具体结构如图 1-4 所示。该电路中,通过运放 CA3140 与运放 TL084 来得到一个与磁通有关的电压变量 vgs,通过 vgs控制晶体管 J310 的 G 端,从而使得端口等效为一个忆阻器。
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第二章忆阻器的建模与仿真
 
2.1 忆阻器的数学建模
HP 公司根据 TiO2和 TiO2-x制造出了纳米级别的忆阻器[3]实物,并提出了新的忆阻器数学模型。HP 公司的忆阻器模型本质上是一个滑动变阻器,TiO2-x的阻值较小,TiO2的阻值较大。当施加正向电压时,TiO2-x的氧空位向 TiO2一侧漂移,此时整个元件的阻值变小;同样的,当施加反向电压时,忆阻器的阻值减小。本文中第二章第二节与第三节中用 Simulink 和 PSpice 等仿真软件搭建的模型和第四章中所提到的大功率忆阻器等效电路模型都是基于 HP 忆阻器模型搭建而成的。考虑到忆阻器本质上是一个非线性电阻,接下来分析在给定输入正弦波的情况下,输入电流产生的谐波分量情况[20,45,46]。通过了解电流的谐波分量,可以利用忆阻器实现相应的谐波发生器;或者通过设计出能产生与忆阻器相同的谐波分量的电路,从而等效忆阻器。由于在实际电路中,电压源的使用较电流源更为广泛,且本文所搭建的忆阻器模型为磁控型忆阻器,所以这里以磁控型(磁通为电压的积分)忆阻器为例进行说明。
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2.2 基于 Simulink 的忆阻器模型
考虑到数学模型缺乏直观性,且不能进行直接的电路应用仿真与实验。这里,我们参考之前的研究[47]-[49],提出了一种基于 Simulink 搭建的忆阻器电路模型。该模型的理论基础是带有窗函数的 HP 忆阻器数学模型。Simulink 是 Matlab 中一种可视化的电路仿真工具。它的模块都是近乎于理想化的模块,为非线性系统提供了一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成化环境。这里通过Simulink 的模型搭建,我们可以很直观的理解忆阻器的内部机理,方便进一步的工作研究。图 2-4 和图 2-5 中,(a)图表示输入电压的时域波形,(b)图表示输入电流的时域波形,(c)图为忆阻器阻值随时间的变化波形,(d)图为忆阻器的伏安特性曲线。从图(b)中可以看出,由于忆阻器的非线性特性,输入电流不再是标准的正弦波,而是含有一定的谐波含量。对比图 2-4(a)与图 2-4(c),可以发现,在输入电压为正的时候,忆阻器的阻值会不断变小,当输入电压为负的时候,忆阻器的阻值会不断变大。图 2-4(d)和图 2-5(d)中可以看出,忆阻器的伏安特性曲线呈现出经典的斜“8”字形磁滞回线,且过原点并在原点出自相交。对比图 2-4 与图 2-5 的(c)图,可以发现,随着频率的增大,忆阻器的变化范围缩小了。在图 2-4(c)图中,忆阻器阻值的变化范围约为 200Ω 到 1400Ω。而在图 2-5(c)中,忆阻器的变化范围缩小到约为 700Ω 到 1400Ω。在图 2-4(d)和图 2-5(d)中,更直观的表现为随着输入电压频率的增加忆阻器的磁滞回线变得更为紧致,所围的面积也更小。
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第三章二极管应用电路的忆阻特性......17
3.1 整流桥的忆阻特性 ......... 17
3.1.1 整流桥电路的理论分析 ........... 17
3.1.2 整流桥电路的仿真 ......... 19
3.2 倍压整流电路的忆阻特性 ....... 20
3.3 基于二极管和电容串并联的电路的忆阻特性 ..... 26
3.4 本章小结 ..... 32
第四章基于 SPWM 控制实现的大功率忆阻器等效电路............34
4.1 可变电阻电路 ....... 34
4.2 忆阻器的大功率等效实现电路模型的理论分析 ........... 36
4.2.1 控制电路分析 ....... 36
4.2.2 主电路分析 ........... 38
4.3 忆阻器的特性电路分析 ........... 39
4.4 忆阻器的大功率等效实现电路模型的仿真分析 ........... 40
4.5 实验验证 ..... 43
4.6 本章小结 ..... 48
第五章 基于忆阻器的两种应用电路分析......50
5.1 一种基于忆阻器的截流型过电流保护电路 ......... 50
5.2 基于忆阻器的直流断路器 ....... 53
5.3 本章小结 ..... 55
 
第五章基于忆阻器的两种应用电路分析
 
5.1 一种基于忆阻器的截流型过电流保护电路
考虑到集成电路中可能会因为负载过重等原因,造成过电流等不正常现象的出现。所以一般在集成电路中会加入过电流保护电路以防止调整管等器件被烧坏。一般来说,保护电路分为限流型过电流保护电路和截流型过电流保护电路[59]。这两种电路各有优缺点,限流型保护电路的结构较为简单,但是保护电路起作用后,调整管仍然有较大电流,功率损耗较大。截流型保护电路的功率损耗较小,但是电路相对复杂。本章节提出一种新型截流型过电流保护电路,能进一步提高保护电路的响应时间以及降低保护电路的功率损耗。图 5-1(a)为传统限流型过电流保护电路,其中 Q1为调整管,R0为电流采样电阻,I0为主电路调整管的输出电流,保护电路由 Q2和 R0组成。正常工作时 Q2的基极-射极电压低于其开启电压,所以 Q2为截止状态。当出现过电流时,输出电流 I0增大,采样电阻 R0上的电压也相应的增大,当增大到 Q2的开启电压时,Q2导通,从而导致 Q1的基极电流被分流,相应的也限制了 Q1的发射极电流,起到保护作用。限流型保护电路的输出特性如图 5-2(a)所示。图 5-1(b)为传统截流型过电流保护电路。相比限流型保护电路,截流型保护电路增加了 R1,Rf两个分压电阻。正常运行时,Q2的 UBE2同样的小于导通电压 Uon,所以Q2截止。当输出电流增大时,导致 A 点的电位上升,通过电阻 R1和接地电阻 Rf的分压,使得 Q2基极电压 UB2的电位也上升。当输出电流增大到阀值时,Q2导通,对调整管 Q1的基极电流进行分流,使得输出电流减少,从而导致输出电压 U0减少,UBE2进一步增大,导致 Q2的电流进一步增大,对 Q1的分流也增大,这便是传统截流型保护电路的正反馈过程。输出特性如图 5-2(b)所示。
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总结
 
所做的工作忆阻器作为第四种基本元器件,描述了磁通 φ 与电荷 q 之间的关系。当输入正弦交流信号时,它的伏安特性曲线具有类似斜“8”字的紧致磁滞回线。一般来说,忆阻器根据磁通为电荷的单值函数或者电荷为磁通的单值函数,分为磁控忆阻器和荷控忆阻器。考虑到,现实中输入激励大多为电压源,所以忆阻器更多的以磁控忆阻器的形式存在。本文通过总结现有的研究成果,发现现有的很多电力电子电路尤其是整流电路中存在有忆阻特性,而忆阻器特有的非线性特性在电力电子电路中也有一定的应用前景。此外,忆阻器作为一个基本元器件,暂时没有实现商业化,现有的关于忆阻器的研究中,有不少研究忆阻器的等效电路。然而现有的等效电路中大多是以运放等信号器件为基础搭建而成,这样的等效电路在电力电子电路中受到了限制。根据以上针对忆阻器的调研结果,本文主要完成了忆阻器的仿真模型建立、电力电子电路的忆阻特性研究、大功率磁控忆阻器的等效电路模型搭建、忆阻器的应用等工作。具体工作完成如下:
(1)总结了现有的关于忆阻器的两个数学模型,即蔡少棠教授提出的根据磁通和电荷关系描述的数学模型和 HP 实验室根据忆阻器的可变电阻特性提出的数学模型。在这两个模型的基础上,分析了在输入正弦电压信号的情况下,输入电流的谐波含量。在完成数学模型的分析后,在前人的基础上,搭建了仿真模型,即基于 Simulink 的忆阻器模型和基于 PSpice 的忆阻器模型。这两个软件各有其独特的优势。Simulink 模型能够帮助我们观察忆阻器的内部参数变化,而 PSpice 模型能够作为一个独立的二端器件应用到仿真电路中。
(2)鉴于有人提出了基于整流桥电路的忆阻器等效电路,本文进一步深入研究电力电子电路中含有的忆阻特性。首先改进了基于整流桥电路的忆阻器等效电路模型,并进行了仿真和实验验证;接下来由整流电路引申出了倍压整流电路,其中包括二倍压整流和多倍压整流,通过理论分析和仿真验证发现其同样具备忆阻器的相关特性。最后结合二极管的转移特性和电容的积分特性,提出了一个基于二极管和电容串并联的电路,理论分析其符合蔡少棠提出的忆阻系统数学模型,仿真分析和实验验证了其伏安特性曲线也与忆阻器的一致,并通过分析输入电流的谐波含量进一步揭示了忆阻器的本质特性。
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