电源学报

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适用于分布式宇航电源系统的电源控制器研究

何雄，陈永刚，王力，司雪圆，吴建超

电源学报. 2022, 20(5): 5-13. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.5

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针对传统电源控制器PCU（power conditioning unit）空间能量利用率低，工作域切换复杂，不利于分布式电源系统构建的问题，提出一种适用于分布式宇航电源系统的电源控制器及其功率调节技术。该技术可根据光照强度、载荷变化情况以及蓄电池放电深度等对系统工作模式进行判读和处理，保证电源控制器分时处于母线恒压控制、蓄电池恒流充电控制、蓄电池恒压充电控制和最大功率点跟踪MPPT（maximum power point tracking）控制4种工作模式，实现宇航电源系统的功率调节和母线控制。研制了两台500 W实验样机，实验结果表明，电源控制器在不同情况下输出母线稳定，为分布式宇航电源系统构建提供坚实的技术基础。

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基于通用电源模块的卫星用分布式电源系统设计

佟强，曲璐，刘贺

电源学报. 2022, 20(5): 14-21. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.14

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分布式电源系统相比集中式电源系统具有高冗余度、灵活度和可靠度的优势，逐渐成为航天电源系统的研究重点之一。从分布式电源系统结构出发，采用模块化设计手段，对系统的核心部件通用电源模块进行设计，并对基于APR模块和双向BCDR模块的分布式电源系统进行工作模式分析与控制策略设计，最后通过实验证明该控制策略的有效性，为航天器分布式电源系统设计与发展，提供了有益的借鉴。

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基于Superbuck变换器的光伏MPPT调节器控制策略

方子文，窦英华，杨亚红，付北南

电源学报. 2022, 20(5): 22-30. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.22

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针对应用于航天器光伏调节变换系统的Superbuck变换器，通过状态空间平均法建立了其小信号模型。基于MPPT模式提出了太阳电池阵列电压控制的双闭环控制策略，并在LTspice仿真软件中得到传递函数的波特图。最后，搭建了光伏MPPT调节器的实验平台。结果表明，所提出的控制策略能够使系统保持良好的稳态和动态性能，提高了太阳电池阵列的能源利用率，具有较强的有效性和实用性。

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低轨卫星电源系统锂离子电池组主被动混合均衡拓扑

李卿鹏，杨琴，段鑫，刘子祎，靳晓光

电源学报. 2022, 20(5): 31-41. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.31

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低轨卫星电源中锂离子电池均衡系统是保障电池单体一致性，充分利用电池组容量，提高电池可靠性和循环寿命的重要部分。被动均衡技术由于结构简单、控制容易等优点，在直流母线卫星电源系统中占绝对主要地位，但被动均衡有热设计复杂的缺点，而且往往仅在电池充电时均衡，会导致电池单体放电深度不能得到一致控制，从而影响电池组寿命。主动均衡技术具有较高的效率和均衡速度，而且可以采用智能化的控制方法，是锂离子电池均衡技术的主流发展方向，但主动均衡技术往往需要大量的开关和储能器件、复杂的控制算法，存在体积大以及可靠性低的缺点。现有的大多数主动均衡技术还不能直接应用于直流母线卫星电源系统。根据低轨卫星电源储能蓄电池的工作特性，提出了一种基于开关矩阵的主被动混合均衡拓扑。该拓扑具有结构简单、控制容易、可靠性高的优点，并通过实验证明了其可行性。

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空间电推进系统电源处理单元技术发展综述

张保平，阮新波，高波，武荣，陈昶文，张欣怡

电源学报. 2022, 20(5): 42-50. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.42

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电推进技术作为目前航天器的一种先进推进技术，已逐步广泛用于各类航天器，电源处理单元PPU（power processing unit）作为系统供配电的核心关键设备之一，其技术发展对电推进技术的可靠应用具有重要作用。为给推进系统设计者以及PPU研究人员提供更加全面的技术发展信息，综述了电推进PPU产品的国内外发展与研究现状，针对霍尔推力器和离子推力器的多种供配电技术方案在实际应用中的通用性与局限性进行了对比分析，同时，结合我国电推进系统PPU的应用背景，介绍了目前PPU技术发展面临的高效率功率变换、高压绝缘防护和高功率密度小型化等问题的解决途径，最后，讨论了PPU技术发展的挑战与趋势。

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航空推进电源系统研究综述

齐扬，李伟林，吴宇，赵宏卫，祝文涛，何林珂

电源学报. 2022, 20(5): 51-59. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.51

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随着电力电子技术的进步和航空产业绿色发展的需求，以电能作为主体推进动力的航空飞行器受到了广泛关注，特别是航空推进电源系统的设计对于优化飞机结构、减少碳排放和提高飞机可靠性具有重要意义。同时，多电/全电背景下的飞机电源系统在转换效率、功重比和能量综合管理等方面也面临着新的问题与挑战。围绕电推进飞机的关键技术，对航空推进电源系统的能源体系架构、电力电子变换器拓扑结构、协同控制方法和能量管理等方面进行了研究现状的梳理。在此基础上，归纳和展望了飞机电推进系统，包括宽禁带半导体器件、大功率脉冲性负载以及分布式电推进等方面的未来研究趋势。

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航天器开关上电脉冲抑制方法研究

王力，吴建超，王杰，刘密，何雄，陈永刚

电源学报. 2022, 20(5): 60-67. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.60

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开关上电脉冲广泛存在于采用机械开关作为配电控制的宇航配电系统中。该脉冲尖峰产生时间要早于常规浪涌电流，脉冲峰值比稳态电流高几百倍，上升沿达ns数量级，对配电系统危害巨大。通过剖析开关上电脉冲产生机理，对比了开关上电脉冲与常规浪涌电流的区别，分析了几种开关上电脉冲抑制方法的优劣，最终给出了一种最佳抑制方案。该方案基于预充电原理，在原功率开关支路上并联小开关串电阻支路，巧妙设计驱动时序，在不增加指令和重量等资源前提下，将上电脉冲控制在预期指标之内，解决了常规浪涌电路无法抑制的开关上电脉冲。

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固态功率控制器感性负载下的续流特性分析

李辉耀，万成安，陈永刚，李心歆，李丽

电源学报. 2022, 20(5): 68-74. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.68

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结合我国空间站用固态功率控制器的保护特性，对其在不同关断模式下的续流特性进行了理论分析，并通过建模仿真给出了不同感性负载下关断电流对功率回路MOSFET、二极管关键半导体器件的电、热应力影响，最后给出了固态功率控制器感性负载下的使用注意事项，对固态功率控制器安全性设计及使用具有一定的参考意义。

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应用GaN HEMT的宽输入堆叠半桥LLC变换器设计

林润韬，王建军，赵晶，万志华

电源学报. 2022, 20(5): 75-83. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.75

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对于航天发射系统中的地面支持设备与特种重型车辆，锂电池组等新兴供电单元的应用使得车辆母线电压不断提高。这种电压提升在提高电池组充放电速度的同时，也对辅助电源的输入电压范围提出了更宽的要求。同时，为了提高电源开关频率与设备效率，将氮化镓高电子迁移率晶体管GaN HEMT（gallium nitride high electron mobility transistor）器件引入到LLC变换器设计中。为有效解决GaN HEMT耐压带来的应用限制，使用堆叠半桥三电平拓扑实现器件分压。通过PSIM进行仿真验证，证明该拓扑的设计有效性。最终制作2 kW的实物样机，实现400～800 V电压输入与25～40 V电压输出，峰值功率达到93.89%。

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流线型挡板对PEMFC性能的影响

孙峰，苏丹丹，殷宇捷

电源学报. 2022, 20(5): 84-91. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.84

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优化质子交换膜燃料电池PEMFC（proton exchange membrane fuel cell）的流道结构是强化反应气体传输及提升输出性能的一种重要方法。在PEMFC直流道中添加了一种新型流线型挡板结构，与矩形挡板进行了对比，并分析了流线型挡板的背风面长度对PEMFC传质特性的影响。最后在平行流场中添加流线型挡板，研究了挡板的分布方式对PEMFC性能的影响。结果表明，在直流道内添加挡板提高了挡板下方反应气体的流动速度，增加了扩散层中的反应气体总通量，PEMFC电流密度得到提高。当流线型挡板的背风面长度增加时，有利于减小挡板后方的涡流大小。此外，在平行流场中添加流线型挡板并采用交错分布时，增大了平行流场中的反应气体压降，提高了催化层中的反应气体浓度。当工作电压为0.5 V时，采用交错分布平行流场的PEMFC电流密度比常规平行流场提高了3.4%。研究结果可为今后挡板优化及分布方式的研究提供理论基础和技术储备。

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三相四桥臂混合五电平逆变器及其3D-SVPWM算法

魏金成，杨鑫，邱晓初，李琴

电源学报. 2022, 20(5): 92-100. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.92

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混合型多电平逆变器可以用较少的开关器件输出更多的电平，常被应用于中频逆变器领域，与传统逆变器相比，具有体积小、成本低和效率高等优点。一种新型的三相四桥臂混合式五电平逆变器拓扑及其abc坐标下的空间矢量脉宽调制（SVPWM）优化算法被提出，通过将直流端3个电容器的电压按1∶2∶1的比例调整，可实现输出线电压的9个电压等级，精简了电路结构，降低开关管应力。最后，所提结构和3D-SVPWM算法的仿真和实验结果验证了该方法的性能。

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基于补偿网络电流分析的恒压恒流无线充电系统

李乐，程冰，何良宗，刘厚轩

电源学报. 2022, 20(5): 101-110. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.101

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为了避免民用飞机机载设备与电源插拔过程中带来电火花的危险，并提高设备充电的便利性，采用了无线充电方式为其进行供电。在恒压恒流无线充电系统中，补偿网络支路电流大小不仅决定功率器件成本，也与系统损耗直接相关。因此，对补偿网络电流优化，是实现高效无线电能传输的重要途径。首先分析了低阶网络的回路电流关系，得到了回路电流最小的条件，进一步推广到高阶网络，获得最优补偿网络电流一般性方法。其次，在分析原副边完全对称补偿网络具有实现恒压或恒流的基础上，得到一系列恒压恒流拓扑，并结合最优补偿网络电流方法对拓扑进行参数设计，同时采用原边电流检测方法进行恒压恒流切换，避免了原副边之间的通信。最后，通过仿真和实验验证电流优化方法和负载无关实现方法，结果表明，所述拓扑具有很好的恒压恒流输出特性，同时电流优化方法能大幅度减小回路电流应力，从而提高系统传输效率。

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一种基于四开关Buck-Boost变换器的四模式控制策略

曹以龙，吴丹，朱冬冬，江友华，杨兴武

电源学报. 2022, 20(5): 111-118. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.11

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四开关Buck-Boost FSBB（four-switch Buck-Boost）变换器电路工作在Buck和Boost两种工作模式时可以获得更高的工作效率，但是在2种模式之间相互切换时，就会出现影响变换器性能的盲区。通过分析四开关变换器输入输出电压的转换比和开关管占空比之间的关系，从而推导出盲区产生的原因，并对传统的两模式控制策略加以改进，提出了一种电压控制带补偿的四模式控制策略，使开关管在全部工作电压范围内均可工作于有效占空比区间，从而消除盲区的影响。通过环路补偿网络设计，提高变换器的性能，减小了输入电压、负载等扰动的影响，实现了整个系统的稳定、高效运行。仿真及实验验证了控制策略正确且可行。

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宽输入范围高动态响应放电调节器的研究

吴玉哲，程新，杨华，邱燕

电源学报. 2022, 20(5): 119-124. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.119

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为了满足放电调节电路宽输入范围、高动态响应的要求，针对100 V母线电压的电源控制器放电调节器进行设计，提出基于精确小信号模型的电压电流双闭环控制环路设计方案。通过波特图和仿真分析验证控制回路的稳定性和合理性。最后给出了1.8 kW样机的实验结果，验证了理论分析的正确性。

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三端口双向直流变换器断路故障综合诊断方法

陈周牛，谷伟平

电源学报. 2022, 20(5): 125-134. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.125

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三端口双向直流变换器是现代微电子技术中的新型核心装置，其故障的快速综合诊断可促进电子技术的发展。通过建立SHEV电气系统的三端口双向直流变换器的仿真拓扑模型，考虑功率器件的位置条件，以直流侧母线输出电流作为特征量，细致划分每种故障类别，并分析不同故障下输出电流的特性，通过快速傅里叶变换FFT（fast Fourier transform）分解信号获取各个频率段，以20 kHz频率段直流侧电流信号能量作为故障诊断的特点量，结合遗传算法BP神经网络，综合实现故障类别的区分与诊断。实验结果表明，此方法在诊断与区分交直流变换器的断路故障时，诊断最小误差仅为0.033，诊断结果精（准）；且可在一个开关周期内实现开关管断路故障诊断，具有较高准确率及效率。

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一种模块化多电平换流器交流侧预充电可控充电策略

王立权，宋吉江，鲁尧，王雪姣

电源学报. 2022, 20(5): 135-141. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.135

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为解决模块化多电平换流器在充电阶段过渡时易出现的电流过冲问题，以及因不当投切引起的模块过充问题，深入分析了换流器内子模块电容的预充电过程，并根据子模块电容的充电特点提出了一种适用于可控充电阶段的有源交流侧均衡控制充电策略。通过母线电压定斜率控制固定上、下桥臂的子模块投切数目，避免数目突变。同时，在充电过程中为使各臂子模块电容电压可准确跟踪其参考值，考虑了环流压降对桥臂子模块充电的影响，引入环流稳压控制环节对臂间子模块投切比例进行动态微调，从而保证子模块充电效果，提高相间充电一致性。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建了双端有源换流器预充电仿真模型，验证了上述充电策略的有效性，该策略控制下电容电压及直流母线电压平稳抬升，系统实现由不可控充电阶段到可控充电阶段的安全过渡。

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基于模式切换的固态变压器多直流电压平衡控制方法

陈彦州，王奇，张晗，吴黎黎，廖志伟

电源学报. 2022, 20(5): 142-151. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.142

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能源互联网通过固态变压器整合分布式可再生能源，但是容易出现不同H桥模块间电压失衡、直流变换效率低以及能耗高的问题，因此，研究基于模式切换的固态变压器多直流电压平衡控制方法。依据直流变换器运行原理，分析移相控制模式和梯形电流控制模式，进行模式切换；分析固态变压器中负责能量传递的双移相桥隔离型双向直流变换器损耗分布情况，为直流变换器效率优化提供分析依据；通过移相控制模式和梯形电流控制模式间的合理切换控制，提高直流变换器效率，实现固态变压器中双向直流变换器全功率范围内的损耗最佳控制；在此基础上，通过空间矢量脉宽调制SVPWM（space vector pulse width modulation）算法，解决变压器的模块级联H桥型固态变压器出现不同H桥模块间的均压问题，实现变压器多直流电压的平衡控制。结果表明，该方法对固态变压器多直流电压平衡后，固态变压器AC/DC的3H桥电容电压达到了平衡状态，直流母线端口电压以及低压直流端口电压稳定，达到平衡状态。

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基于虚拟阻抗的MMC降损策略研究

李清，徐彦，彭光强，荣飞

电源学报. 2022, 20(5): 152-160. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.152

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模块化多电平变流器MMC（modular multilevel converter）具有易扩展、模块化和谐波含量低等优点，在大容量高压柔性直流输电场合中得到广泛应用。以MMC为研究对象，对其降损策略进行了研究，从抑制MMC二倍频环流角度考虑，分析了MMC换流阀的结构以及工作原理，推导了MMC二倍频环流的具体数学解析式，提出了虚拟阻抗和无差拍控制相结合的环流抑制控制策略。最后，利用Matlab/Simulink平台搭建了31电平的混合型MMC仿真模型。仿真结果表明，所提策略能有效抑制二倍频环流，从而达到降损目的，并对输出电能质量无影响。

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基于虚拟阻抗的低压微网多逆变器环流抑制研究

许立，董成哲

电源学报. 2022, 20(5): 161-168. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.161

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低压微网内逆变器等效输出阻抗导致多逆变器间环流上升，低压微网整体运行出现异常，稳定性下降，严重时会造成器件损毁。为解决上述问题，提出基于虚拟阻抗的低压微网多逆变器环流抑制策略，在低压微网结构中，分析等效输出阻抗对输出功率特性的影响，提出多环控制策略，在下垂控制方法基础上引入虚拟阻抗，将全部逆变器的等效输出阻抗由感性转变为阻性，均分低压微网负荷功率，提升低压微网稳定性。在Matlab/Simulink仿真平台内构建低压微网仿真模型，仿真结果显示，引入虚拟阻抗后可将低压微网多逆变器间的环流最大值降至2 A以下，保障了低压微网系统稳定运行，仿真结果证明了所提方法及控制器的可行性与有效性。

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高功率因数谐振式无桥型LED驱动电源

黄聪，曹克煜，刘雪山，周群，贺明智

电源学报. 2022, 20(5): 169-176. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.169

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针对传统LED驱动电源交流输入侧整流二极管导通损耗大的问题，提出了一种高功率因数谐振式无桥型LED驱动电源。该驱动电源利用谐振网络实现了正负极性增益，即无论是正电压输入还是负电压输入，负载端均可以实现正电压输出，进而实现了无桥输入。同时，利用谐振电容电荷平衡实现了各输出支路均流，解决了并联LED串的均流驱动问题。该驱动电源中的双向有源开关仅采用一个控制信号，简化了控制电路。对该LED驱动电源的工作模态及工作特性进行了理论分析。该驱动电源具有结构简单、输出升降压、电气隔离等优点。最后，搭建了一台98 W的实验样机，验证了理论分析的正确性及可行性。

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Boost型无频闪谐振降压式LED驱动电源分析与设计

刘文菡，刘雪山，贺明智，周群，孙曼

电源学报. 2022, 20(5): 177-186,204. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.177

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传统的二次型Boost功率因数校正变换器只能实现升压输出，在一定程度上限制了其在LED驱动电源中的应用。基于二次型Boost变换器提出了一种Boost型无频闪谐振降压式LED驱动电源，并分析了其工作原理及特性。该LED驱动电源利用一个有源开关管将二次型Boost变换器与一个谐振网络进行整合，可实现低电流纹波和降压变换输出。最后，搭建了一台84 W的实验样机，最高效率达到92.88%，验证了所提方法的正确性及可行性。

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基于动态电压修正的IPMSM动态过调制策略研究

李银露，舒志兵

电源学报. 2022, 20(5): 187-195. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.187

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过调制区域的有效利用对于永磁同步电机在高速运行状态下的母线电压利用率以及转矩输出能力提升具有重要意义。传统的过调制策略更多强调对于直流母线电压利用率的提升，忽略了高速状态下、动态过程中电机控制系统的动态性能。为此，提出了一种基于动态电压修正的动态过调制策略，在提升直流母线电压利用率的基础上，有效改善了高速状态下、工况突变过程中控制系统的动态性能。仿真与实验结果表明了所提算法的可行性与优越性。

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无刷级联双馈感应发电机稳压控制策略

陈杰，陈昊，贲能军

电源学报. 2022, 20(5): 196-204. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.196

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级联双馈感应电机作为无刷变速恒频发电机带负载独立运行时，由于负载和转速变化，存在脱网下维持恒频恒压输出的控制问题，故设计了一种新型稳压控制策略。基于级联双馈感应电机作为无刷变速恒频发电机运行的数学模型，设计了一种易于实施的间接磁场定向矢量控制，可在转速和负载单独变化或一起变化时，稳定发电机的输出电压幅值和频率。同时，电压控制器的设计避免了前馈补偿及其所需额外电流传感器的应用，即通过合理设计抑制了耦合效应带来的扰动。利用所搭建的级联双馈感应电机测试平台开展了实验研究，测试结果验证了电压控制器的稳压性能。

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基于FGMOS的电压求和电流传送器及其应用设计

贺素霞，乐丽琴，周湘贞

电源学报. 2022, 20(5): 205-212. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.5.205

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提出了一种基于FGMOS晶体管的电压求和电流传送器的设计。通过对FGMOS晶体管的等效电路分析，得到其框图和等效电路，并设计了其电路结构。为了表明所提电压求和电流传送器的实用性，将提出的电压求和电流传送器用于实现受控振荡器和电压求和放大器；通过SPICE仿真结果表明，基于FGMOS的电压求和电流传送器不仅具有较高的线性特性，而且其电压传递增益和电流传递增益分别可达0.99和0.98，此外还有着很好的频率响应性能、±0.5 V的低电源电压、79.8 μW的低功耗和14 kΩ~2.1 MΩ的线性电子可调谐电阻。基于电压求和电流传送器设计的受控振荡器具有稳定的正弦输出，而且振荡频率可以通过偏置电流来控制，设计的电压求和放大器具有高输入电阻和可控的增益。

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2022年, 第20卷, 第5期　刊出日期：2022-09-30

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