一种基于虚拟电感和虚拟电容的同步整流Boost变换器仿真电路的制作方法

一种基于虚拟电感和虚拟电容的同步整流boost变换器仿真电路
技术领域
1.本发明属于电气系统实时仿真技术领域，尤其涉及一种基于虚拟电感和虚拟电容的同步整流boost变换器仿真电路。


背景技术：

2.当前，在新能源革命的形势下，可再生能源开发、电动汽车、微电网、柔性输配电等种电力新技术、新装置不断涌现，对仿真验证测试技术提出了新的要求，半实物仿真由此开始走入大众视野。
3.硬件在环仿真技术作为半实物仿真的一种，是功率变换器控制器设计的重要手段，可以有效提高功率变换器控制器的设计效率，降低硬件装置的试验成本，减少测试控制器时带来的风险。
4.传统数字仿真器在仿真boost变换器时，主要由pwm输入、数字处理芯片运算和模拟量输出三个环节组成，首先对输入仿真器的pwm信号进行a/d转换，把pwm电压输入量转化为数字输入量，然后送入数字处理芯片进行运算处理，再通过d/a转换把芯片运算处理后输出的数字量转化为模拟输出量反馈回控制器。其中过程十分繁琐，也会带来诸多延迟，包括输入pwm经过周期平均化和边沿检测后形成数字量的过程所带来的延迟、pwm数字信号板间通信导致的延迟、处理器计算周期带来的延迟、d/a转换输出带来的延迟等。此外，传统数字仿真器的成本高，体积大，重量大，不够便携。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提出了一种基于虚拟电感和虚拟电容的同步整流boost变换器仿真电路，包含了虚拟电感与和虚拟电容，利用运放电路的组合来复现无源电感、无源电容输入输出之间的传递函数关系，从而模拟无源电感、无源电容的电气特性，利用虚拟电感和虚拟电容构成的同步整流boost变换器仿真电路，实现了对实际大功率boost变换器电路的实时模拟。
6.本发明的同步整流boost变换器仿真电路的具体技术方案如下：一种基于虚拟电感和虚拟电容同步整流boost变换器仿真电路，包括输入部分、虚拟电感、虚拟电容、nmos上管q2、nmos下管q1、光耦a、光耦b和负载；所述输入部分正端连接到虚拟电感的端口a，虚拟电感的端口c连接到输入部分负端，所述输入部分负端连接到nmos下管q1源极，所述nmos下管q1栅极连接到光耦a的输出端，所述nmos下管q1漏极连接到虚拟电感的地gnd_l，所述nmos下管q1漏极同时连接到nmos上管q2源极，所述nmos上管q2栅极连接到光耦b的输出端，所述nmos上管q2漏极连接到负载正端，同时连接到虚拟电容的端口d，虚拟电容的端口e连接到负载负端，同时连接到boost电路地gnd_p。
7.进一步的，所述虚拟电感包括虚拟电感运算环节和虚拟电感执行环节，所述虚拟电感运算环节由第一运放电路、第二运放电路级联构成，所述第一运放电路和第二运放电
路对虚拟电感两端输入电压进行积分和比例运算，模拟无源电感的电气特性；所述虚拟电感执行环节由第三运放电路构成，所述第三运放电路把虚拟电感运算环节的电压输出量转化成电流输出量，模拟无源电感储能放电。
8.进一步的，所述第一运放电路由第一运放、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第一电容组成；第一电阻左端与虚拟电感端口a相连，右端与第一运放反向输入端相连；第三电阻和第一电容同时并接在第一运放反向输入端与第一运放输出端之间；第二电阻串接在第一运放同向输入端和虚拟电感地之间；虚拟电感地连接到虚拟电感端口b；所述第二运放电路由第二运放、第四电阻、第五电阻、第六电阻组成；第四电阻串接在第一运放输出端和第二运放反相输入端之间；第六电阻并接在第二运放反向输入端和第二运放输出端之间；第五电阻串接在第二运放同向输入端和虚拟电感地之间；所述第三运放电路由第三运放、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻组成；第七电阻串接在第二运放输出端和第三运放反相输入端之间；第八电阻串接在第三运放同向输入端和虚拟电感地之间；第九电阻串接在第七电阻右端和端口c之间，第十一电阻串接在第三运放输出端和端口c之间；第十电阻并接在第三运放同向输入端和第三运放输出端之间。
9.进一步的，所述虚拟电感执行环节的输出电流大小与传统无源电感输出电流大小相同，方向相反；所述虚拟电感的输出电流全部来自于虚拟电感运放供电电源。
10.进一步的，所述虚拟电感输入为端口a和端口b的电压差，端口a和端口b等同于传统无源电感左右两侧端口，端口c为虚拟电感的电流输出端口；所述虚拟电感第一运放电路和第二运放电路对端口a和端口b的电压差进行积分和比例运算，第三运放电路把第二运放电路的输出电压转化为输出电流输出到端口c；端口c的输出电流与传统无源电感的输出电流大小相等，方向相反。
11.进一步的，所述虚拟电容包括虚拟电容采样检测环节和虚拟电容运算环节，所述虚拟电容采样检测环节由第四运放电路构成，所述第四运放电路对输入电流进行采样并放大，把电流量转化为电压量；所述虚拟电容运算环节由第五运放电路和第六运放电路级联构成，所述第五运放电路和第六运放电路对虚拟电容采样检测环节的输出进行积分和比例运算。
12.进一步的，所述第四运放电路由第四运放、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻和第十五电阻组成；第十二电阻为采样电阻，串接在虚拟电容端口d和虚拟电容地之间，第十三电阻串接在虚拟电容端口d和第四运放反向输入端之间；第十四电阻串接在第四运放同向输入端和虚拟电容地之间；第十五电阻并接在第四运放反向输入端和第四运放输出端之间；所述第五运放电路由第五运放、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、第二电容组成；第十六电阻串接在第四运放输出端和第五运放反向输入端之间；第十七电阻串接在第五运放同相输入端和虚拟电容地之间；第十八电阻和第二电容同时并接在第五运放反向输入端和第五运放输出端之间；所述第六运放电路由第六运放、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻组成；第十九电阻串接在第五运放输出端和第六运放反向输入端之间；第二十电阻串接在第六运放同向输入端和虚拟电容地之间；第二十一电阻并接在第六运放反向输入端和第六运放输出
端之间；第六运放电路输出端连接到端口e。
13.进一步的，所述虚拟电容采样检测环节输入端与虚拟电容运算环节输出端之间的电压差大小与传统无源电容两侧输出电压大小相同，方向相同；所述虚拟电容的输出电压全部来自于虚拟电容运放供电电源。
14.进一步的，所述虚拟电容的输入为流入端口d的采样电流，采样电流经过第四运放电路转化为电压输出，再经过第五运放电路和第六运放电路对第四运放电路的输出电压进行积分和比例运算，最后通过端口e输出对应大小电压；端口d和端口e等同于传统无源电容的两侧端口，端口d和端口e之间的电压差值与传统无源电容输出电压大小相同，方向相同。
15.进一步的，所述虚拟电感电感值大小为；其中，r1为第一电阻阻值，r4为第四电阻阻值，r6为第六电阻阻值，r7为第七电阻阻值，r9为第九电阻阻值，r11为第十一电阻阻值，c1为第一电容容值；使用不同阻值的电阻和不同容值的电容，或者所述第一运放、第二运放、第三运放采用可变增益运放，可以实现电感值的可调；所述虚拟电容电容值大小为；其中，r12为第十二电阻阻值，r13为第十三电阻阻值，r15为第十五电阻阻值，r16为第十六电阻阻值，r19为第十九电阻阻值，r21为第二十一电阻阻值，c2为第二电容容值；使用不同阻值的电阻和不同容值的电容，或者所述第四运放、第五运放、第六运放采用可变增益运放，可以实现电容值的可调。
16.本发明的基于虚拟电感和虚拟电容的同步整流boost变换器仿真电路，具有以下优点：本发明的基于虚拟电感和虚拟电容的同步整流boost变换器仿真电路，利用虚拟电感虚拟电容参数的可调特性，可以实时模拟实际大功率boost变换器电路，有效避免了在验证实际大功率boost变换器电路控制器时可能存在的风险；相比于传统的数字仿真器，本发明的同步整流boost变换器仿真电路，省去了a/d转换、数字芯片运算处理和d/a转换输出的过程，有效减小了延迟时间；并且相比于传统数字仿真器的大体积大重量，本发明体积更小，重量更轻，使用更加便携。
附图说明
17.图1为本发明的虚拟电感电路图；图2为本发明的虚拟电容电路图；图3为本发明的基于虚拟电感和虚拟电容的同步整流boost变换器仿真电路图；图4为本发明的同步整流boost变换器仿真电路在输入为1v、开关频率为1khz、占空比为0.5，负载为100欧姆固定电阻的电感电流波形示意图；图5为本发明的同步整流boost变换器仿真电路输出电压波形示意图。
具体实施方式
18.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于虚拟电感和虚拟电容的同步整流boost变换器仿真电路做进一步详细的描述。
19.如图3所示，本发明的一种基于虚拟电感和虚拟电容的同步整流boost变换器仿真电路包括输入部分、虚拟电感、虚拟电容、nmos上管q2、nmos下管q1、光耦a、光耦b和负载。
20.如图1所示，是本发明提出的一种虚拟电感，包括虚拟电感运算环节和虚拟电感执行环节。
21.所述虚拟电感运算环节由第一运放电路、第二运放电路级联构成；所述虚拟电感执行环节由第三运放电路构成。
22.所述第一运放电路由第一运放、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第一电容组成；第一电阻左端与虚拟电感端口a相连，右端与第一运放反向输入端相连；第三电阻和第一电容同时并接在第一运放反向输入端与第一运放输出端之间；第二电阻串接在第一运放同向输入端和虚拟电感地之间；虚拟电感地连接到虚拟电感端口b。
23.所述第二运放电路由第二运放、第四电阻、第五电阻、第六电阻组成；第四电阻串接在第一运放输出端和第二运放反相输入端之间；第六电阻并接在第二运放反向输入端和第二运放输出端之间；第五电阻串接在第二运放同向输入端和虚拟电感地之间。
24.所述第三运放电路由第三运放、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻组成；第七电阻串接在第二运放输出端和第三运放反相输入端之间；第八电阻串接在第三运放同向输入端和虚拟电感地之间；第九电阻串接在第七电阻右端和端口c之间，第十一电阻串接在第三运放输出端和端口c之间；第十电阻并接在第三运放同向输入端和第三运放输出端之间。
25.所述虚拟电感输入为端口a和端口b的电压差，端口a和端口b等同于传统无源电感左右两侧端口，端口c为虚拟电感的电流输出端口；所述虚拟电感第一运放电路和第二运放电路对端口a和端口b的电压差进行积分和比例运算，第三运放电路把第二运放电路的输出电压转化为输出电流输出到端口c；端口c的输出电流与传统无源电感的输出电流大小相等，方向相反。虚拟电感的输出电流全部来自于虚拟电感运放供电电源。
26.所述虚拟电感通过模拟传统无源电感的电气特性，从而起到传统无源电感储能放电的作用。
27.如图2所示是本发明提出的一种虚拟电容，包括虚拟电容采样检测环节和虚拟电容运算环节。
28.所述虚拟电容采样检测环节由第四运放电路构成；所述虚拟电容运算环节由第五运放电路和第六运放电路级联构成。
29.所述第四运放电路由第四运放、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻和第十五电阻组成；第十二电阻为采样电阻，串接在虚拟电容端口d和虚拟电容地之间，第十三电阻串接在虚拟电容端口d和第四运放反向输入端之间；第十四电阻串接在第四运放同向输入端和虚拟电容地之间；第十五电阻并接在第四运放反向输入端和第四运放输出端之间。
30.所述第五运放电路由第五运放、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、第二电容组成；第十六电阻串接在第四运放输出端和第五运放反向输入端之间；第十七电阻串接在
第五运放同相输入端和虚拟电容地之间；第十八电阻和第二电容同时并接在第五运放反向输入端和第五运放输出端之间。
31.所述第六运放电路由第六运放、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻组成；第十九电阻串接在第五运放输出端和第六运放反向输入端之间；第二十电阻串接在第六运放同向输入端和虚拟电容地之间；第二十一电阻并接在第六运放反向输入端和第六运放输出端之间；第六运放电路输出端连接到端口e。
32.所述虚拟电容的输入为流入端口d的采样电流，采样电流经过第四运放电路转化为电压输出，再经过第五运放电路和第六运放电路对第四运放电路的输出电压进行积分和比例运算，最后通过端口e输出对应大小电压；端口d和端口e等同于传统无源电容的两侧端口，端口d和端口e之间的电压差值与传统无源电容输出电压大小相同，方向相同。虚拟电容的输出电压全部来自于虚拟电容运放供电电源。
33.所述虚拟电感通过模拟传统无源电容的电气特性，从而起到传统无源电容稳压的作用。
34.本发明的一种基于虚拟电感和虚拟电容的同步整流boost变换器仿真电路，如图3所示，包括输入部分、虚拟电感、虚拟电容、nmos上管q2、nmos下管q1、光耦a、光耦b和负载。所述输入部分正端连接到虚拟电感第一运放电路输入端，第一运放电路输出端连接到虚拟电感第二运放电路输入端，第二运放电路输出端连接到虚拟电感第三运放电路输入端，所述第三运放电路输出端连接到输入部分负端，所述输入部分负端连接到nmos下管q1源极，所述nmos下管q1栅极连接到光耦a的输出端，所述nmos下管q1漏极连接到虚拟电感的地gnd_l，所述nmos下管q1漏极同时连接到nmos上管q2源极，所述nmos上管q2栅极连接到光耦b的输出端，所述nmos上管q2漏极连接到负载正端，同时连接到虚拟电容第四运放电路输入端，第四运放电路输出端连接到虚拟电容第五运放电路输入端，第五运放电路输出端连接到虚拟电容第六运放电路输入端，第六运放电路输出端连接到负载负端，同时连接到boost电路地gnd_p。
35.本发明的虚拟电感电感值大小为；其中，r1为第一电阻阻值，r4为第四电阻阻值，r6为第六电阻阻值，r7为第七电阻阻值，r9为第九电阻阻值，r11为第十一电阻阻值，c1为第一电容容值。通过使用不同阻值的电阻和不同容值的电容，或者所述第一运放、第二运放、第三运放采用可变增益运放，可以实现电感值的可调。
36.本发明所提出的虚拟电容电容值大小为；其中，r12为第十二电阻阻值，r13为第十三电阻阻值，r15为第十五电阻阻值，r16为第十六电阻阻值，r19为第十九电阻阻值，r21为第二十一电阻阻值，c2为第二电容容值。通过使用不同阻值的电阻和不同容值的电容，或者所述第四运放、第五运放、第六运放采用可变增益运放，可以实现电容值的可调。
37.当pwma为高电平，pwmb为低电平时，nmos下管q1导通，nmos上管q2关断，虚拟电感第三运放电路输出负电流il1流入nmos下管q1源极，再从nmos下管q1漏极流入虚拟电感的参考地gnd_l。
38.在这段时间里，负电流il1全部来自于虚拟电感运放供电电源，运放供电电源输出端流出负电流il1，最终全部流回虚拟电感运放供电电源的地，完成负电流il1在电路中的闭环流动。
39.当pwma为低电平，pwmb为高电平时，nmos下管q1关断，nmos上管q2导通，虚拟电感第三运放电路输出负电流il2流入虚拟电容第六运放电路输出端，负电流il2接着从虚拟电容的地gnd_c流入采样电阻，il2再从采样电阻流过nmos上管q2，流入虚拟电感的地gnd_l。
40.在这段时间里，负电流il2从虚拟电感运放供电电源流出，流入虚拟电容运放供电电源输出端，再从虚拟电容运放供电电源的地gnd_c流过采样电阻r12，最终流回到虚拟电感运放供电电源的地gnd_l，完成电流的闭环流动。
41.图4是同步整流boost变换器仿真电路在输入为1v、开关频率为1khz、占空比为0.5，负载为100欧姆固定电阻的电感电流波形示意图，图5为输出电压波形示意图。
42.可以看出，虚拟电感完全复现了传统无源电感在boost变换器电路中的输出电流波形，模拟了无源电感的电气特性；虚拟电容完全复现了传统无源电容在boost变换器电路中的电压输出波形，模拟了无源电容的电气特性；基于虚拟电感和虚拟电容的同步整流boost变换器仿真电路完全模拟了基于无源电感电容的传统同步整流boost变换器电路的升压功能。本发明的基于虚拟电感和虚拟电容的同步整流boost变换器仿真电路，通过对虚拟电感和虚拟电容参数的调整，实现对大功率boost变换器电路的实时模拟，完成对其控制器的验证。
43.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。