宽增益高效率CLLLC变换器的变频双移相调制策略

在输入电压宽范围变化时,变频调制CLLLC变换器存在开关频率变化范围宽的问题,而移相调制CLLLC变换器难以实现宽范围零电压导通(ZVS)。为了实现宽输入电压CLLLC变换器的高效率,该文提出一种变频双移相调制方法。通过同时调节开关频率、一次侧全桥和二次侧全桥之间的移相角,拓宽CLLLC变换器的增益并提高其效率。采用时域分析法求解变频双移相调制CLLLC变换器的电压增益与谐振电感电流有效值,并分析频率以及移相角对电压增益和谐振电感电流有效值的影响。最后,通过搭建一台100~300 V输入、48 V/400 W输出的实验样机,验证了理论分析的正确性。

基于时钟抖动流水线结构的高效率真随机数发生器

现代加密系统对密钥随机性的需求不断增加。使用时序抖动、热噪声、亚稳态等作为熵源的真随机数发生器,因其可以提供高质量的随机性成为该领域的研究热点。因此,提出一种可配置、轻量级、高效率的真随机数发生器。该发生器使用基于随机数学模型的设计方法,由差分构架的两级时钟抖动流水线组成。第一级流水线中两个环形振荡器在规定时间内累积抖动,第二级流水线利用近似相同的两个环形振荡器的微小周期差构建时间数字转换器,对第一级输出的高斯抖动进行量化,通过数字化模块输出随机比特。在时间数字转换器运行过程中,第一级流水线已经重新启动累积下一个阶段的抖动,减少了空闲时间,提高了真随机数的质量和效率。在Xilinx Atrix-7平台进行了验证,该结构的硬件资源仅消耗了25个LUTs和13个DFFs,获得高达32.55 Mb/s的吞吐量。

COT架构Buck型转换器的纹波补偿电路

针对恒定导通时间(COT)架构的DC/DC Buck变换器,在输出电容的等效串联电阻(ESR)较小时出现的次谐波振荡问题,提出了一种纹波补偿电路,通过纹波补偿减小环路稳定性对于输出电容的大ESR的依赖,并且可通过数控电流源设置电流,从而调节补偿纹波的大小。采用提出的方法,实现了一款基于tsmc180rf工艺的DC/DC Buck变换器,其中输入电压为3.3 V,输出电压为0.9 V,带负载能力为1.5 A。实验结果显示,应用此方法的转换器,其输出电压纹波仅为2.4 mV。该方法可以在保证环路稳定性的同时,避免过补偿,为DC/DC转换器的纹波补偿设计提供了新的思路。

SPA-H钢转炉快速脱碳冶炼生产实践

根据SPA-H钢成分特点,通过理论分析认为,该钢种具有快速脱碳的条件。采取优化供氧流量和压力,降低平均枪位,改善造渣制度,优化底吹系统等措施后,该钢种冶炼时间平均降低0.6 min,提高了转炉作业效率。

基于时变权重模型预测的双向DC-DC优化控制方法

双向DC-DC变换器是电动汽车的关键电压变换部件,提高其动态负载下的响应速度与鲁棒性对电动汽车低压供电系统有重要意义。提出一种基于模糊时变权重的MPC(model predictive control)控制方法。基于状态空间平均法建立变换器动态模型。基于MPC原理搭建变换器MPC模型,实现对电压的跟踪控制;在分析权重对动态负载下电压跟踪性能的影响的基础上,设计权重模糊调节器,实现权重的在线调节。基于HM-cSPACE搭建实验平台验证所提方法的准确性。在Matlab/Simulink环境下与PI控制和传统MPC控制进行对比,结果表明:在负载变化时采用时变权重MPC控制的变换器有更好的动态性能和鲁棒性,超调量降低26.1%。该方法对提高双向DC-DC变换器动态负载下的优化控制具有重要意义。

基于时域模型的CLLC谐振变换器参数优化设计方法

CLLC谐振变换器能够实现双向功率传输,具有高功率密度、高效率的特点,但传统的参数设计方法步骤繁琐且求解困难。为此,深入分析CLLC谐振变换器的工作原理和工作特性,综合考虑参数对CLLC谐振变换器增益、模式切换条件、软开关和功率损耗的影响,提出一种基于时域模型的参数优化设计方法,以实现宽电压输出范围和窄频带范围。在2 kW的实验中,所提出的参数设计方法在一定频带范围内效率达到98.3%,证明了时域分析的准确性以及参数优化方法的有效性。

大功率并网变流器离散域电流控制策略

兆瓦级大功率并网变流器的开关频率较低,延迟和离散化误差对控制性能影响较大,导致动态响应慢、电网背景谐波影响大等问题。因此,直接离散域控制系统设计成为必要。该文针对LCL滤波并网变流器建立离散域数学模型,并基于此提出桥臂侧电流和网侧电流融合的离散域电流控制器。同时,为了在不额外增加电流传感器和检测电路的情况下获取并网电流信息,设计电容电压微分器,实现网侧电流的估算,降低硬件复杂性和控制成本。研究表明,该文设计的离散域电流控制器,具有较好的动态性能和电网背景谐波抑制能力。最后,通过硬件在环半实物仿真系统对所提设计进行了实验验证。

深冲钢炼钢区段专线化层流运行模式实践

鉴于某钢厂深冲钢炼钢区段运行效率较低、能量耗散较大、过程稳定性较差等问题,对炼钢区段各工序内时间-事件进行解析,协调优化各工序作业时间;并结合生产线特点,构建“一对一”层流专线化生产路径。生产实践表明:采用专线化层流运行模式生产深冲钢,可避免前、后工序间交叉运行时铁素流在空间、时间、能耗上的不确定性;工序间链接时间缩短,炼钢区段总作业时间从247.9 min缩短至193.5 min;过程能量耗散减少,转炉终点温度从1671.7℃降至1653.9℃。

一种高速A/D转换器时域重构技术研究

A/D转换器在航空航天系统中的重要元器件,随着器件转换时钟频率不断提高而其工作环境不断恶化,如何准确测试其时间参数对于全面评价A/D转换器性能特别重要。目前对于高速A/D转换器时间参数测试,主流方法是通过示波器直接测试其输出,该方法对于示波器采样速度要求比较高。文章提出一种高速A/D转换器时域重构技术,可以通过计算机数字信号处理方法来实现高速A/D转换器时间参数测试,同时避免对示波器采样速度的依赖。同时,在研究高速A/D转换器时域重构技术方法及其应用的基础上,通过了相关试验验证。

基于短时傅里叶变换和深度网络的模块化多电平换流器子模块IGBT开路故障诊断

针对现有模块化多电平换流器(MMC)子模块故障诊断过程中所需传感器较多、测量干扰较大等问题,提出一种基于深度学习的MMC子模块IGBT开路故障诊断方法。在对MMC子模块开路故障特征进行分析的基础上,利用短时傅里叶变换(STFT)提取桥臂电压信号的谐波分量信息作为故障诊断所需的特征参数。将所得到的特征参数进行处理后构建故障诊断样本,在通过深度置信网络实现故障类型快速检测的基础上,依据不同故障类型,构建多个基于卷积神经网络的故障定位网络,进而实现开路故障的检测与定位。通过129电平的MMC系统仿真模型和降功率的MMC实验系统搭建,对该文所提方法进行了验证。仿真和实验结果表明,所提故障诊断方法可以在减少传感器数量的基础上实现子模块开路故障的诊断,提高系统的可靠性。

MOSFET输出电容对CLLLC谐振变换器模型的优化

在CLLLC谐振变换器基波等效建模方法中,未虑及变压器二次电流为零及死区时间内MOSFET输出电容对输出侧H桥桥臂中点电压的影响,当开关频率低于谐振频率(欠谐振)时,变换器输出侧H桥桥臂中点电压模型的准确性有待进一步提高。该文通过解析变换器欠谐振区域模型准确度较低的成因,得到变压器二次电流为零及死区时间内MOSFET输出电容电压方程,对基波等效建模方法进行了更为深入的研究,提出了状态变量(输出侧H桥桥臂中点电压、变压器二次电流)与变换器增益的优化计算方法。该方法计算式中包含开关频率、谐振频率、输出电压和MOSFET输出电容的信息,减小了状态变量稳态值求解误差,使等效输出负载与谐振腔参数更加准确,解决了欠谐振时变换器输出侧H桥桥臂中点电压模型精度相对较低的问题。最后,搭建CLLLC谐振变换器电路仿真模型与实验系统对所提方法进行验证,结果验证了该文理论分析的正确性。

线性碲镉汞APD的高速焦平面读出电路研究

设计了一款针对线性模式碲镉汞APD的高速成像读出电路。像元内基于三级推挽放大器级联的电阻反馈跨导放大器(RTIA),实现了光电流的实时线性转换,并利用工作于亚阈值区的MOS管作为反馈电阻实现跨阻增益可调;利用电容补偿法对RTIA的相位裕度进行优化,解决了低增益下的输出振荡现象。结果显示,像元内RTIA跨阻增益可调范围达100~140 dB,增益带宽积可达10^(14)数量级,像元电路输出延时低于1.8 ns。设计了像素外的飞行时间测量电路,采用两段式时间数字转换器分别进行飞行时间的大范围粗量化和高精度细量化,测量范围可达1530 m,测量精度为106.5 cm,线性度高于99.99%。

利用近震Sp转换波到时和远震接收函数P波峰值延迟研究华北盆地浅部结构

收集2017—2020年中国地震科学探测台阵在华北地区布设观测宽频带流动地震观测台采集的高信噪比近震远震地震波形,采用远震接收函数P波峰值延迟和近震Sp转换波到时对华北沉积层厚度进行了估算.由远震接收函数P波峰值延迟,近震Sp转换波和S波到时差方法推断的华北地区沉积层厚度在6~7 km,燕山造山带区域沉积层厚度较小,结晶基底埋深一般小于1 km,华北盆地中部和东南部盆地结晶基底埋深较厚,厚度普遍大于3 km,局部厚度可达7 km.盆地内地垒式隆起区邢衡隆起有3 km厚度的沉积层,冀中坳陷、黄骅坳陷厚度6~7 km;沉积层厚度与地质构造相对应,坳陷区沉积层厚度较大,隆起区沉积层厚度较小,体现了沉积盆地内部不同二级块体的沉降差异.震相拾取误差、震源方位角和震中距对沉积厚度计算结果影响不明显;进行时深转换采用的一维速度模型准确性对计算结果存在一定影响.总体来说,远震接收函数P波峰值延迟和近震Sp转换波到时可以研究沉积层厚度,能够可靠、有效地确定沉积层厚度结构的特征,为地震风险评估提供基础信息.

一种FPGA⁃TDC防气泡误差编码器设计

在设计基于现场可编程门阵列(FPGA)的时间数字转换器(TDC)时,时钟偏斜等因素产生的气泡误差会造成抽头延迟链(TDL)中的延迟单元失效,导致TDC的分辨率变差。提出了一种防气泡误差编码器,通过统计抽头延迟链中发生变化的抽头个数,该编码器使抽头延迟链跳变顺序按照时间顺序映射,从而消除气泡误差的影响。利用Xilinx Virtex UltraScale+FPGA对该防气泡误差编码器的有效性进行验证,使用该编码器后,基于双端采样法的抽头延迟链TDC分辨率由3.18 ps提升至1.76 ps。实验结果表明,所提出的防气泡误差编码器能够解决气泡误差导致的延迟单元失效的问题,避免分辨率的损失。

基于累加式实时串并联变换算法的机械故障声学监测方法

针对基于物联网(IoT)的冲压机床故障监测问题,为了降低冲压机床故障监测的计算复杂度,并提高其低频识别的精度,提出了一种无需机器学习技术的实时性机械故障声学监测方法,即基于累加式实时串并联变换算法的机械故障声学监测方法。首先,研究了物联网场景中冲压机床声学低频分析的必要性,并给出了声学信号的表达式;然后,针对频率轴上多个周期信号重叠导致参数估计较为困难的问题,提出了一种累加式实时串并联变换算法,将输入的采样序列馈入多个具有不同输出端口的串并转换器,从累加的波形中检测出最大绝对值,并进行了比较;最后,通过样本时隙划分,将累加式实时串并联变换算法应用于机械故障监测;通过仿真和冲压机床实机测试,对累加式实时串并联变换算法和实时性机械故障声学监测方法的有效性进行了验证。研究结果表明:在无需大量信号样本的情况下,使用累加式实时串并联变换算法有利于提高低频带的识别精度;在直方图相关性方面,累加式实时串并联变换算法和Morlet小波变换具有相同的性能,且均明显优于短时傅立叶变换;同时,尽管累加式实时串并联变换算法需要的加法总数比Morlet小波变换多2.5倍,但是乘法总数减少了20447%,大幅减少了计算的复杂度。

基于环形游标时间数字转换器的编码转换电路

基于应用在锁相环的环形游标时间数字转换器(Vernier ring time-to-digital converter,VRTDC),提出了一种温度计码编码转换电路,解决了VRTDC电路在小量程计数时输出电路无法输出准确的码值,导致时间间隔错误的输出量化问题。采用Cadence Spectre仿真工具在标准180 nm CMOS混合信号工艺下对编码转换电路进行验证,验证结论表明该VRTDC可输出正确的编码值,有效分辨率可达10 ps、动态范围可达560 ns,且在测量范围内具有很好的线性度。

光频梳下变频信号光纤延时频率恢复方法

针对光频梳下变频信号接收过程中存在的频率信息丢失问题,提出了一种基于频率-相位映射的信号频率恢复方法,该方法使用可调光纤延迟线在两路光频梳变频链路之间产生一组固定已知的时延,时延在信号原始频率与下变频信号相位差之间建立映射关系,利用该映射关系可以从测得的相位差计算出信号的原始频率。分析了时延值等参数对频率恢复的影响,估计了该方法对相位测量不确定度的限值要求,最后给出了该方法具体实施方案中关键参数的设置策略。所有下变频信号的相位差可以通过快速傅里叶变换等数据处理一次性得出,因此该方法的时间代价和计算成本几乎不随着信号个数增加而增加。在不考虑下变频信号混叠的情况下,本文所提出的方法在理论上对处理信号的数量没有限制,因此相比于已有的光频梳下变频信号频率恢复方法,在多信号频率恢复方面更具有优势。

基于高速ADC的数字双混频时差测量系统

使用双混频时差法进行时间和频率测量时,模拟部分引入的噪声会干扰信号过零点的判断,降低测量精度,而使用数字信号处理技术后不再需要判断过零点,量化噪声成为系统内的主要噪声来源,可以通过数字滤波器对其进行抑制。同时有利于设计结构紧凑的系统,更易于小型化,测量速度也可以进行灵活配置。通过引入高速模数转换器、数控振荡器、低通抽取滤波器、数字鉴相器等,设计了数字双混频时差测量系统,并研制了4通道的原理样机。测试结果表明,当频率源为10 MHz的信号时,原理样机中属于同片ADC(analog-to-digital converter)的两个通道间的本底噪声约为5×10^(-14)@1 s,属于不同片ADC的两个通道间的本底噪声约为8×10^(-14)@1 s,满足原子振荡器的测量要求。并以主动型氢钟VCH-1003M为参考,使用原理样机分别对Microchip的5071A铯原子钟和SRS的FS725铷原子钟的稳定度进行测量,测量结果与Microchip的相噪分析仪53100A和5120A无显著差异。

多电压阈值数字化方法

模数转换器将物理量随时间变化的模拟信号转换为易于储存和处理的数字信号,是自然科学和信息科学的桥梁,也是现代工业与科研中不可或缺的核心基础器件。20世纪20年代以来,随着均匀时域采样的电子学实现和数学理论陆续建立,均匀时域采样成为模数转换领域的基石。此后数十年,正电子发射断层成像、核聚变中子能谱和中微子探测等需要对大量通道高速信号进行采样的应用不断涌现。在这些应用中,基于均匀时域采样的模数转换方案存在功耗大、成本高等缺点,以至于不得不在数字化前进行预处理,从而损失了信号的原始信息。基于值域采样的多电压阈值数字化方法通过若干电压阈值对信号进行采样,再在后端结合先验信息重建信号,使得大量通道高速信号的精确数字化成为可能。目前,多电压阈值数字化方法已被运用在正电子发射断层成像、X射线安检、中子石油测井和质子治疗监测等领域中。本文概述多电压阈值数字化方法的原理,介绍近年来多电压阈值数字化电子学的研究进展,展望多电压阈值数字化方法领域的研究趋势。

基于0.18μm CMOS工艺的低温漂低功耗延时电路

基于0.18μm CMOS工艺设计了一款低温漂延时电路,适用于不能使用锁相环电路又对信号传输精度有要求的低功耗传感检测应用。采用正温度系数的偏置电压,通过电流镜为延时电路提供一个正温度系数的偏置电流,利用偏置电流约束电路的延时温漂,实现温漂粗调。采用数字时间转换器,通过外部输入配置,对粗调后的延时进行动态细调,使得延时电路具有更高的动态稳定性和更低的温漂特性。电路测试结果表明,在3.3 V的电源电压下,-55~125℃内延时电路的温度系数为125×10^(-6)/℃,静态功耗仅为0.72 mW。