一种基于忆阻器的截流型过电流保护电路

2018-08-21谭斌冠

机械制造与自动化 2018年4期

谭斌冠

(华南理工大学电力学院，广东广州 510640)

0 引言

1971年加州大学蔡少棠教授根据电路变量关系的完备性提出了忆阻器的概念及定义[1]。忆阻器描述了磁通和电荷的关系，是继电阻、电感、电容之后的第四个基本电路元件[2]。忆阻器的本质特征是当通过正向电流时，其阻值会随着流过的电荷量的增加而变大；当通过反向电流时，其阻值会随着流过的电荷量的减少而减少。忆阻器的符号表示如图1所示。

图1 忆阻器

2008年，HP公司发现了纳米级别的忆阻器实物模型。然而该模型是在严格的实验室条件下制作而成，难以商业化。现有的关于忆阻器的论文大多用忆阻器的数学模型或等效实现电路进行仿真分析。

基于忆阻器的上述特性，本文提出用忆阻器替换截流型过电流保护电路的分压电阻，从而更快速地提高保护电路三极管的基极电压。将通过simulink搭建出忆阻器的等效实现电路模型，然后构造基于忆阻器的截流型过电流保护电路并进行理论分析和仿真验证。

1 基于simulink的忆阻器等效实现电路

通过simulink仿真构建了忆阻器的等效实现电路，如图2所示。其伏安特性曲线如图3所示。

图2 忆阻器的simulink模型

图3 忆阻器的伏安特性曲线

2 基于忆阻器的截流型过电流保护电路

本文所构造的基于忆阻器的截流型过电流保护电路如图4所示。

图4中Q1是调整管，R2是电流采样电阻，它与Q2，R1和忆阻器M共同构成了保护电路。开关S闭合时为提供过电流的条件。其中A点电位为：

UA=I0R2+U0

(1)

B点电位为：

(2)

根据A,B两点的电位，求出Q2开关管b-e间电压为：

(3)

对于传统型截流型保护电路，正常运行时，Q2的UBE2是低电位，所以Q2截止。当输出电流增大时，会导致A点的电位上升，通过电阻R1和接地电阻的分压，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。

基于忆阻器的保护电路的保护过程与传统型大致一样，但是当U1的电位上升，通过电阻R1和忆阻器M的分压时，由于忆阻器的阻值会随着电流增大而增大。这会使得与忆阻器一端相连的Q2基极电压UB2的电位上升比传统型更快，UBE2更快导通，同时Q2的分流作用也会更强烈，相同阀值的情况下，输出电流降低的速度更快。

图5和图6分别给出了传统的截流型过电流保护电路和基于忆阻器的过电流保护电路的输出电流波形。

图6 基于忆阻器的截流型过电流保护电路的输出电流

从图5和图6可以看出，基于忆阻器的保护电路和传统型保护电路在过电流前后的各支路电流值基本一样，这说明当输出电压降为0时，最后稳定的输出电流是一样的。但其过程却不一样。从输出电流的波形变换图可以看出，输出电压接地瞬间，输出电流都会急剧上升，但是基于忆阻器的保护电路的超调量更大，这说明基于忆阻器的保护电路的阀值更高。因为当输出电压接地时，输出电流先是急剧上升到阀值，然后再回落到稳定值。对于同样的稳定值和分流效果，阀值更高意味着电流能减少值更大。反过来说，通过调节，使得忆阻器和电阻对应的阀值一样时，忆阻器的电流也将减少到更小的值，起到更好的保护作用。