CN100461627C - 三电平开关功率放大器 - Google Patents

Abstract

一种三电平开关功率放大器，属于电压—电流型开关功率放大器。包括信号混合处理电路，脉宽调制电路，保护和光耦隔离驱动电路，以及将来自控制器的信号进行处理得到相应的电压信号驱动桥式电路，从而控制负载的电流大小。该功率放大器主要由模拟器件组成，结构简单，可靠性高，实时性好，电流纹波小，采用自举供电方式，成本低，效率高。双极性功率放大器无偏置电流，功率损耗更小，适用于磁悬浮轴承和磁悬浮列车等需要控制负载电流的场合，具有广阔的工业应用前景。

Description

三电平开关功率放大器

技术领域

本发明的三电平开关功率放大器，属电压—电流型开关功率放大器。

背景技术

早期的电压—电流型功率放大器为线性功率放大器，由于其功率损耗大，效率低，后来采用两电平开关功率放大器，但两电平功率放大器存在有电流纹波大，动态特性受限等缺点。[臧晓敏，王晓琳，仇志坚，等.磁轴承开关功放中电流三态调制技术的研究[J].中国电机工程学报，2004，24(9)：167-172.]近几年学者提出了三电平调制技术，数字三电平开关功率放大器多以DSP，CPLD或FPGA等芯片为主控制电路[王大鹏，刘刚，房建成.基于CPLD的飞轮磁悬浮轴承低功耗开关功率放大器研究[J].微计算机信息，2005，21(7-2)：142-144.]，有的还要加上A/D模块，价格较贵，还要考虑数模信号的干扰问题，可靠性不高；模拟三电平开关功率放大器利用成熟的脉宽调制技术，可靠性高，成本低廉，适合工业应用。

发明内容

本发明的目的在于提供结构简单、成本低、效率高、可靠性高的三电平开关功率放大器。

功率放大器包括以下电路：

1.信号混合处理电路：将电流传感器反馈回来的感性负载中的电流信号、静态电流调节的电压信号(单极性开关功率放大器有，双极性开关功率放大器无此电压信号)和PID控制器的信号相加，产生控制信号。为了使功率放大器控制精确，采用比例积分电路。

2.脉宽调制电路，保护和光耦隔离驱动电路：脉宽调制电路用于将来自信号混合处理电路的控制信号同三角波进行比较，产生占空比随控制信号变化而变化的PWM脉冲信号。光耦隔离驱动电路将此脉冲信号输出驱动桥式电路的开关管，在负载上流过相应的电流，产生磁力。保护电路可以保护功率开关管，限制最大电流，避免因电流过大而损坏。

3.桥式电路：对于单极性的功率放大器采用了改进的半桥结构，多用于要求负载有静态电流的场合。双极性的功率放大器采用了全桥结构，多用于要求负载无需静态电流的场合。

本发明的技术方案是：包括将电流传感器从功率开关桥式电路的电磁线圈中反馈回来的感性负载的电流信号、静态电流调节的电压信号和PID控制器的信号进行相加处理的信号混合处理电路的输出连于由三角波发生器连于比较器所组成的脉宽调制电路，该脉宽调制电路的输出连于保护电路及光耦隔离驱动电路，该光耦隔离驱动电路的输出连于功率开关桥式电路。

所述信号混合处理电路，包括PID控制器输出信号经运算放大器反向后经电阻的PID信号，经电阻的电流反馈信号与-5伏电压经电阻的偏置电压三者叠加产生的控制信号经运算放大器进行比例积分以提高电流响应速度。

所述脉宽调制电路和光耦隔离驱动电路，包括由上级处理电路的输出信号通过三角波比较器，经与非门电路输出高低电平的脉冲电压，再输入到光耦驱动器提供给功率开关桥式电路，使桥式电路工作。

所述保护电路，包括由来自电流传感器检测流过差动线圈负载电流经电阻转换成电压信号，经两级运算放大器后与设定的电压值经比较器后的输出信号控制功率开关桥式电路中开关管的关断，实现对开关管的保护功能。

本发明的积极效果是：

基于三电平调制技术的原理，单极性和双极性开关功率放大器具有开关频率固定，输出纹波小，能控制最小导通和关断脉冲宽度，功放电容功率损耗小，效率高等特点，能使负载电流快速跟踪控制信号，可根据现场的需要调节偏置电流。光耦电路采用自举供电方式，使驱动每一路负载都要少一路隔离的电源，对于象磁悬浮轴承系统中五个自由度十个线圈的驱动就要少十路电源，这将大大减少成本。双极性开关功率放大器桥式电路带有栅极电荷快速放电回路，有效地降低了开关管开通和关断产生的电压尖峰，防止同一桥臂导通导致短路过流而损坏开关管。

四、附图说明

图1是本发明的单极性功率放大器原理框图。

图2是本发明的单极性功率放大器信号混合处理电路原理图。

图3是本发明的单极性功率放大器脉宽调制电路和光耦隔离驱动电路原理图。

图4是本发明的单极性功率放大器保护电路原理图。

图5是本发明的单极性功率放大器桥式电路原理图。

图6是本发明的双极性功率放大器原理框图。

图7是本发明的双极性功率放大器的脉宽调制电路原理图。

图8是本发明的双极性功率放大器桥式电路原理图。

五、具体实施方式

以控制两个线圈负载电流的单极性功率放大器为例，双极性功率放大器与单极性功率放大器原理大部分相同，不同之处另外说明。

单极性功率放大器电路原理如图1所示，图1中符号名称：Q1、Q3为开关管，D2、D4为功率二极管。主要包括信号混合处理电路，脉宽调制电路，保护电路，光耦隔离驱动电路和桥式电路。信号混合处理电路如图2所示，由于PID信号要分别控制一个自由度的上下两个差动线圈负载，其中一个PID信号经运算放大器U_1C反向。-5V是提供静态电流所需的偏置电压，经电阻R4的PID信号、经电阻R₆的-5V偏置电压与经电阻R3的电流反馈信号叠加产生控制信号经运算放大器U_1D进行一级比例积分来提高电流响应速度。脉宽调制电路和光耦隔离驱动电路如图3所示。图3中符号名称：G₁和G₂为上级处理电路输出信号，TANG为三角波信号，U₃、U₁₃、U₅、U₁₅为比较器，U_4A、U_14A、U_6A、U_16A为与非门，TP1、TP2、TP3、TP4为光耦驱动器。正反向的三角波TANG作为载波频率，上级处理电路的输出信号G₁、G₂与三角波TANG经过比较器比较后输出高低电平的脉冲电压，通过高速光耦驱动器提供给半桥电路上下两个MOSFET管Q1，Q3栅极驱动信号，使桥式电路工作。电阻R10和R32，电阻R15和R37通过与电阻R8，R28，R13和R35的分压可改变栅极驱动信号的死区时间，保证上下桥臂不同时导通，防止短路过流。二极管D4，电阻R18和电容C3组成上线圈负载高端驱动自举供电电路，在下桥工作时，+15V电源经二极管D4，电阻R18，负载和下桥给电容C3充电，以确保下桥关断，上桥开通时上桥的栅极有足够的储能来驱动。二极管D6，电阻R40和电容C8为下线圈负载高端驱动自举电路，原理同上。二极管D1，D2，D3和D5接保护电路。保护电路如图4所示，图4中符号名称：U₈、U₉、U₁₇、U₁₈为运算放大器，L1、L2为绿色发光二极管，L3、L4为红色发光二极管。分别由电流传感器检测流过两个差动线圈负载的电流i_a、i_b，分别经电阻R20和电阻R41转换为相应的电压信号，与电位器W3，W6和W7设定值比较，当负载中电流值大于设定的电流最小值时，绿色二极管L1，L2点亮，红色二极管L3，L4不亮，表明功率放大器正常工作；当负载中电流值超过设定的电流最大值时，绿色二极管L1，L2不亮，红色二极管L3，L4点亮，表明功率放大器有故障，应关断电源检查，同时关断光耦驱动器输入端的脉冲信号，使桥式电路停止工作。图4中的M点接图3中的二极管D1、D3，N点接图3中的二极管D2、D5。单极性功率放大器所用的桥式电路如图5所示，为常用的改进半桥结构。图5中符号Q1、Q3为开关管，D2、D4为二极管。

双极性功率放大器原理如图6所示。图中符号Q1、Q2、Q3、Q4为开关管。主要包括信号混合处理电路，脉宽调制电路，保护电路，光耦隔离驱动电路和桥式电路。信号混合处理电路，保护电路和光耦隔离驱动电路原理结构基本与单极性功率放大器相同。双极性功率放大器的脉宽调制电路如图7所示。图7中符号名称：U4、U5为比较器，U6C、U7C、U6D、U7D为与非门，X1C、X1D、X2E、X2F、X1E、X1F、X1A、X1B为触发器，T1、T2、T3、T4为光耦驱动器，Q1、Q2、Q3、Q4接开关管栅极。二极管D1，电阻R8，电容C13组成RC充放电电路，由RC时间常数来控制驱动桥式电路同一桥臂的死区时间，上升沿延时，下降沿快速下降。二极管D2，电阻R10，电容C15，二极管D6，电阻R14，电容C20，二极管D7，电阻R17，电容C23也为RC充放电回路。由于双极性功率放大器需要驱动4个开关管，比单极性功率放大器多驱动2个，所以增加2路来驱动另两个开关管Q2，Q4。图中的G点为上级信号处理电路的输出信号，P点接保护电路。双极性功率放大器所用的桥式电路如图8所示。图中标示的符号Q1~Q4为开关管。

Claims (5)

1.一种三电平开关功率放大器，其特征在于：包括信号混合处理电路、脉宽调制电路、保护电路、光耦隔离驱动电路、功率开关桥式电路，其中所述的脉冲调制电路由三角波发生器连于比较器所组成，所述的信号混合处理电路是将功率开关桥式电路的电磁线圈中反馈回来的感性负载的电流信号和静态电流调节的电压信号及PID控制器的信号相加处理，经信号混合处理电路进行相加处理的输出信号连于脉宽调制电路中的比较器输入，比较器的输出连于光耦隔离驱动电路的输入，光耦隔离驱动电路的输出连于功率开关桥式电路，保护电路的输入与功率开关桥式电路的电磁线圈相连，保护电路的输出与光耦隔离驱动电路的输入相连。

2.根据权利要求1所述的三电平开关功率放大器，其特征在于：信号混合处理电路，包括PID控制器输出信号经第一运算放大器(U_1C)反向后经第四电阻(R₄)的PID信号，经第三电阻(R₃)的电流反馈信号与-5伏电压经第六电阻(R₆)的偏置电压三者叠加产生的控制信号经第二运算放大器(U_1D)进行比例积分以提高电流响应速度。

3.根据权利要求1或2所述的三电平开关功率放大器，其特征在于：脉宽调制电路和光耦隔离驱动电路，包括由上级处理电路的输出信号通过三角波比较器，经与非门电路输出高低电平的脉冲电压，再输入到光耦驱动器提供给功率开关桥式电路，使桥式电路工作。

4.根据权利要求1或2所述的三电平开关功率放大器，其特征在于：保护电路，包括由来自电流传感器检测流过上差动线圈负载电流(ia)经第二十电阻(R₂₀)转换成电压信号，经第一个第一级运算放大器(U₈)连于第一个第二级运算放大器(U₉)正输入，第一个第二级运算放大器(U₉)输出经第二十五电阻(R₂₅)连于第一比较器(U₁₁)反向输入端，由第三可调电阻(W₃)设定电压连于第一比较器(U₁₁)正向输入端，第一比较器(U₁₁)的输出经第一发光二极管(L₁)和第三十一电阻(R₃₁)连于正电源，第一个第二级运算放大器(U₉)输出经第二十六电阻(R₂₆)连于第二比较器(U₁₂)反向输入端，由第七可调电阻(W₇)设定电压经二十七电阻(R₂₇)连于第二比较器(U₁₂)正向输入端，第二比较器(U₁₂)的输出连于光耦隔离驱动电路的输入，同理，由来自电流传感器检测流过下差动线圈负载电流(ib)经第四十一电阻(R₄₁)转换成电压信号，经第二个第一级运算放大器(U₁₇)连于第二个第二级运算放大器(U₁₈)正输入，第二个第二级运算放大器(U₁₈)输出经第四十五电阻(R₄₅)连于第三比较器(U₂₀)反向输入端，由第六可调电阻(W₆)设定电压连于第三比较器(U₂₀)正向输入端，第三比较器(U₂₀)的输出经第二发光二极管(L₂)和第四十七电阻(R₄₇)连于正电源，第二个第二级运算放大器(U₁₈)输出经第四十三电阻(R₄₃)连于第四比较器(U₁₉)反向输入端，由第七可调电阻(W₇)设定电压经第四十四电阻(R₄₄)连于第四比较器(U₁₉)正向输入端，第四比较器(U₁₉)的输出连于光耦隔离驱动电路的输入。

5.根据权利要求3所述的三电平开关功率放大器，其特征在于：保护电路，包括由来自电流传感器检测流过上差动线圈负载电流(ia)经第二十电阻(R₂₀)转换成电压信号，经第一个第一级运算放大器(U₈)连于第一个第二级运算放大器(U₉)正输入，第一个第二级运算放大器(U₉)输出经第二十五电阻(R₂₅)连于第一比较器(U₁₁)反向输入端，由第三可调电阻(W₃)设定电压连于第一比较器(U₁₁)正向输入端，第一比较器(U₁₁)的输出经第一发光二极管(L₁)和第三十一电阻(R₃₁)连于正电源，第一个第二级运算放大器(U₉)输出经第二十六电阻(R₂₆)连于第二比较器(U₁₂)反向输入端，由第七可调电阻(W₇)设定电压经二十七电阻(R₂₇)连于第二比较器(U₁₂)正向输入端，第二比较器(U₁₂)的输出连于光耦隔离驱动电路的输入，同理，由来自电流传感器检测流过下差动线圈负载电流(ib)经第四十一电阻(R₄₁)转换成电压信号，经第二个第一级运算放大器(U₁₇)连于第二个第二级运算放大器(U₁₈)正输入，第二个第二级运算放大器(U₁₈)输出经第四十五电阻(R₄₅)连于第三比较器(U₂₀)反向输入端，由第六可调电阻(W₆)设定电压连于第三比较器(U₂₀)正向输入端，第三比较器(U₂₀)的输出经第二发光二极管(L₂)和第四十七电阻(R₄₇)连于正电源，第二个第二级运算放大器(U₁₈)输出经第四十三电阻(R₄₃)连于第四比较器(U₁₉)反向输入端，由第七可调电阻(W₇)设定电压经第四十四电阻(R₄₄)连于第四比较器(U₁₉)正向输入端，第四比较器(U₁₉)的输出连于光耦隔离驱动电路的输入。

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