CN101425783A - 一种三电平双电流滞环功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的三电平双电流滞环功率放大器，包括：误差比较模块、PI电流控制器模块、双电流滞环比较模块、光耦隔离驱动模块、功率变换模块和电流反馈模块，通过将传统电流滞环控制与三电平调制相结合，既有滞环控制电路结构简单，电流跟踪性能好，成本低廉，又具有三电平调制具有的电流纹波小，控制精度高，输出谐波含量低的优点。该功率放大器可应用于各种需要控制输出电流的场合中，诸如主动电磁轴承或激振器等电磁机构的功率放大部分。

Description

一种三电平双电流滞环功率放大器

技术领域

本发明涉及一种功率放大器，特别是一种三电平双电流滞环功率放大器。

背景技术

随着电力电子技术的发展，开关型功率放大器以其效率高、能承受大电流大电压的特点，得到了广泛应用。例如在主动电磁轴承领域，目前普遍采用高效率的开关功放取代线性功放。无论线性功率放大器还是开关功率放大器，功率放大器按控制类型可分为电流控制型功率放大器和电压控制型功率放大器。以电磁线圈的电流为控制量的称为电流控制型，以电磁线圈的电压为控制量的称电压控制型。例如在电磁轴承系统中，电压控制型功放由于输出的是电磁线圈的电压，需要把电压转化为线圈电流以驱动电磁线圈产生磁力，因此电压与电流的转换存在一个积分环节，使其控制系统的模型多出一阶，增加了控制系统设计的复杂性。电流控制型功放采用电流反馈，直接控制电磁线圈中的电流，控制手段直接简单，因此在中小型主动电磁轴承系统中得到广泛采用。

电流型开关功率放大器按其调制方式可分为三角波载波比较方式、滞环比较方式和采样保持方式。三角波载波比较方式特点是频率固定，但其输出电压与输出电流之间有较明显的相位差。滞环比较方式的优点是电流跟踪性能好，无相位差，电路实现简单，成本低廉。采用采样保持方式的开关功放开关频率是固定的，总是发生在时钟的边沿，不能在任意时间开通。这样就可能会漏掉接近最小宽度的脉冲，即采样保持型功放对小信号不敏感，引起的控制误差大小取决于开关频率的大小。

电流型开关功率放大器按其工作电平又可分为两电平和三电平两种形式。两电平开关功率放大器放由于设计简单、容易实现而被广泛使用，三电平功率放大器的电流纹波小于两电平功率放大器，且纹波大小几乎与母线电压无关，因此近年来得到很大应用。

目前，国内对三电平开关功放的研究做了不少工作，但也存在一些问题。如改进的采样保持策略的三电平调制方式，控制电路复杂，只能采用各种分立的数模器件组合，很少采用模块化产品，可靠性低。利用相移SPWM技术的三电平开关功结构过于复杂，用于中小型主动电磁轴承明显不合适。此外利用全数字技术的开关功放虽然能达到比较好的性能，但硬件成本太高，需要高速的数模转换器和数字控制器，对于中小型功率放大器，它们的价格占了功率放大器的大部分成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单，成本低，性能优越的三电平双电流滞环功率放大器。

本发明的三电平双电流滞环功率放大器，包括：

误差比较模块，用于电流参考信号与电流反馈信号的误差比较，其正负输入端分别与电流参考信号及电流反馈信号相连；

PI电流控制器模块，PI电流控制器模块的输入端与误差比较模块的输出端相连；

双电流滞环比较模块，用于将电流误差信号与设定的内外双滞环环宽作比较产生开关脉冲信号，包括两个滞环比较器、两个电平转换电路和多路模拟开关，第二滞环比较器的滞环宽度是第一滞环比较器滞环宽度的1.5～5倍，两个滞环比较器的输入端分别与PI电流控制器模块的输出端相连，第一滞环比较器的输出端经第一电平转换电路与多路模拟开关的输入端相连，第二滞环比较器的输出端经第二电平转换电路与多路模拟开关的控制端相连；

光耦隔离驱动模块，用于将输入的开关脉冲信号隔离放大，光耦隔离驱动模块的输入端与多路模拟开关的输出端相连；

功率变换模块，包括H桥电路和电磁线圈，H桥电路的控制端与光耦隔离及驱动模块的输出端相连，H桥电路的输出端与电磁线圈相连。

电流反馈模块，包括电流传感器和比例放大器，电流传感器的原边与功率变换模块的电磁线圈相连，电流传感器的副边连接比例放大器的输入端，比例放大器输出的电流反馈信号连接到误差比较模块的负输入端。

工作时，误差比较模块通过比较电流参考信号和由电流传感器反馈回来的实际电流信号得到误差信号；PI电流控制器模块对电流误差信号进行比例微分处理；双滞环电流模块根据PI电流控制器模块输出的误差信号与设定的双电流滞环环宽比较，产生开关脉冲信号；光耦隔离驱动模块将输入的开关脉冲信号进行隔离和进一步放大；光耦隔离驱动模块输出信号输入到功率变换模块中H桥电路的控制端，通过控制H桥电路中的全控型开关管的通断来控制电磁线圈中电流的大小；电流反馈模块中的电流传感器将电磁线圈中的电流大小转换成电压信号，通过比例放大器，反馈到误差比较模块中的负输入端。通过本功率放大器，实现了在电磁线圈中产生与给定电流参考信号相应的电流。

本发明是一种基于三电平双电流滞环控制的开关功率放大器，具有电路结构简单，成本低，性能优越的特点。本发明通过将传统电流滞环控制与三电平调制相结合，既有滞环控制电路结构简单，电流跟踪性能好，成本低廉，又具有三电平调制具有的电流纹波小，控制精度高，输出谐波含量低的优点。该三电平双电流滞环功率放大器可应用于各种需要控制输出电流的场合中，诸如主动电磁轴承或激振器等电磁机构的功率放大部分。

附图说明

图1是三电平双电流滞环控制型功率放大器装置结构框图；

图2是误差比较模块和PI电流控制器模块的电路原理图；

图3是双电流滞环比较模块和光耦隔离驱动模块的电路原理图；

图4是功率变换模块和电流反馈模块的电路原理图；

图5是另一种功率变换模块的H桥电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1，本发明的三电平双电流滞环功率放大器，包括：

误差比较模块1，用于电流参考信号与电流反馈信号的误差比较，其正负输入端分别与电流参考信号及电流反馈信号相连；

PI电流控制器模块2，PI电流控制器模块2的输入端与误差比较模块1的输出端相连；

双电流滞环比较模块3，用于将电流误差信号与设定的内外双滞环环宽作比较产生开关脉冲信号，包括两个滞环比较器3-1、3-2、两个电平转换电路3-3、3-4和多路模拟开关3-5，第二滞环比较器3-2的滞环宽度是第一滞环比较器3-1滞环宽度的1.5～5倍，两个滞环比较器3-1、3-2的输入端分别与PI电流控制器模块2的输出端相连，第一滞环比较器3-1的输出端经第一电平转换电路3-3与多路模拟开关3-4的输入端相连，第二滞环比较器3-2的输出端经第二电平转换电路3-4与多路模拟开关3-5的控制端相连；

光耦隔离驱动模块4，用于将输入的开关脉冲信号隔离放大，光耦隔离驱动模块4的输入端与多路模拟开关3-4的输出端相连；

功率变换模块5，包括H桥电路5-1和电磁线圈L，H桥电路5-1的控制端与光耦隔离及驱动模块4的输出端相连，H桥电路5-1的输出端与电磁线圈L相连。

电流反馈模块6，包括电流传感器6-1和比例放大器6-2，电流传感器6-1的原边与功率变换模块5的电磁线圈L相连，电流传感器6-1的副边连接比例放大器6-2的输入端，比例放大器6-2输出的电流反馈信号连接到误差比较模块1的负输入端。

误差比较模块1和PI电流控制器模块2的电路原理图如图2所示，图示实例中，误差比较模块1是由集成运算放大器U01、电阻R1-R5和电位器Rpot组成的减法电路。PI电流控制器模块2是由集成运算放大器U02、电阻R6、R7、R8及电容C1组成的比例积分环节构成。集成运算放大器U01正输入端经电阻R1接电流参考信号，负输入端经电阻R2接反馈电流信号，通过调节电位器Rpot的大小可以改变误差比较模块的增益。集成运算放大器U01的输出端经电阻R7与集成运算放大器U02的负输入端相连。

双电流滞环比较模块3和光耦隔离驱动模块4的电路原理图如图3所示，图示实例中，双电流滞环比较模块3中的第一滞环比较器由双极性电压比较器U03A和电阻R9、R10、R13、R15组成，第二滞环比较器由双极性电压比较器U03B和电阻R11、R12、R14、R16组成，第一电平转换电路由二极管D1和电阻R17组成，二极管D1的负极与电阻R17的一端相连，电阻R17的另一端接地，第二电平转换电路由二极管D2和电阻R18组成，二极管D2的负极与电阻R18的一端相连，电阻R18的另一端接地。双极性电压比较器U03A的输出端与二极管D1的正极相连，二极管D1负极连到多路模拟开关U04的两个输入端S1A和S2B脚，双极性电压比较器U03B的输出端与二极管D2的正极相连，二极管D2的负极连到多路模拟开关的控制端A0脚。多路模拟开关的第三个输入端S2A脚接+15V，第四个输入端S1B脚接地。多路模拟开关输入端有S1A、S2A和S1B、S2B两组，分别对应输出端DA和DB。多路模拟开关的控制端A0脚电平的状态决定DA的输出方式，当A0为低电平时，输出端DA对应输入端S1A，当A0为高电平时，输出端DA对应输入端S2A，输出端DB同理。光耦隔离驱动模块由4个与非门U05A、U05B、U05C、U05D和两个光耦U06、U07组成。与非门U05A和U05D串联后的输入端接多路模拟开关的DA脚，输出端与一个光耦U06的输入端相连，与非门U05B和U05C串联后的输入端接多路模拟开关的输出端DB，输出端与另一个光耦U07的输入端相连。

功率变换模块5和电流反馈模块6如图4所示，功率变换模块5包括H桥电路和电磁线圈L。图示实例中，H桥电路由两个全控型开关管Q1、Q2和两个二极管D1、D2组成，全控型开关管Q1的控制端与光耦U06的输出端D_Q1、D_Q1_G相连，全控型开关管Q2的控制端与光耦U07的输出端D_Q2、D_Q2_G相连。电流反馈模块6包括电流传感器6-1和由集成运算放大器U08和电阻R19、R20、R21组成的比例放大器。电流传感器原边和功率变换模块的电磁线圈L串联，电流传感器6-1的副边经电阻R19与集成运算放大器U08的正输入端相连，集成运算放大器U08的输出端与误差比较模块1中的集成运算放大器U01负输入端相连。

这里，功率变换模块中的H桥电路或者也可如图5所示，由四个全控型开关管Q1、Q2、Q3、Q4组成，全控型开关管Q1和Q4的驱动信号互补，全控型开关管Q2和Q3的驱动信号互补。

工作原理如下：

在说明双电流滞环比较模块3工作原理前先作几点说明

(1)下文所说的误差信号与两个滞环比较器滞环宽度大小相等时，都是指滞环比较器输出会发生跳转的情况；

(2)下文所说的输出为0是零电平，输出为1是正电平。

工作时，误差比较模块1中的集成运算放大器U01将电流参考信号与电流反馈信号进行比较得到电流误差信号，电流误差信号经过PI电流控制器模块2的比例积分处理，输入到双电流滞环比较模块3；

电平转换电路的设置是为了将滞环比较器的输出的有正负电平的双极性信号转换成正电平或者零电平的单极性信号输入多路模拟开关，两路电平转换电路的工作原理是相同的，现以二极管D1和电阻R17构成的第一电平转换电路为例，当第一滞环比较器的输出为正电平时，二极管D1开通，二极管D1的负端输出为正电平，当第一滞环比较器输出为负电平时，二极管D1截止，二极管D1负端输出为零电平。

双电流滞环比较模块的工作情况分为两大类：

第一类的工作情况是分电流迅速增加和电流续流两个阶段，包括以下三种情况：

情况1：当误差信号比两个滞环比较器的负滞环宽度都要小的时候，两个滞环比较器输出均为正电平，这时控制端A0＝1，输出端DA对应输入端S2A为1，输出端DB对应输入端S2B为1，功率变换模块中的全控型开关管Q1、Q2都导通，电磁线圈L两端的电压为+U_DC，线圈电流增加；

情况2：当误差信号增大到与第一滞环比较器的正滞环宽度相等时，第一滞环比较器的输出跳转为0，第二滞环比较器此时输出仍然是1，这时控制端A0＝1，输出端DA对应输入端S2A为0，输出端DB对应输入端S2B为1，功率变换模块中的全控型开关管Q1关断，全控型开关管Q2导通，电磁线圈电流沿D2→电磁线圈→Q2→D2流动，该状态的电流是依靠线圈中储存的能量作续流，但会有一部分能量被电路上的电阻消耗，所以线圈电流会慢慢减小；

情况3：当误差信号减小到等于第一滞环比较器的负滞环宽度大小时，工作状况同情况1。

第二类的工作情况是分电流迅速减小和电流续流两个阶段。包括以下三种情况；

情况1：当误差信号比两个滞环比较器的正滞环宽度都要大时，两个滞环比较器输出均为低电平，这时控制端A0＝0，输出端DA对应输入端S1A为0，输出端DB对应输出S1B为0，功率变换模块中的全控型开关管Q1、Q2均关断，电磁线圈L两端的电压为-U_DC，电流迅速减小；

情况2：当误差信号减小到等于第一滞环比较器(3-1)的负滞环宽度时，第一滞环比较器输出跳转为1，这时控制端A0＝0，输出端DA对应输入端S1A为1，输出端DB对应输入端S1B为0，功率变换模块中的全控型开关管Q1导通，全控型开关管Q2关断，电流沿Q2→电磁线圈→D2→Q2流动，线圈电流处于续流状态；

情况3：当误差信号增大到等于第一滞环比较器的正滞环宽度时，工作状况同情况1。

这两类工作状态之间的转换过程如下：

当处于第一类工作状态的续流阶段时，误差信号与第一类情况3不同，没有减小反而继续增大，当误差信号等于第二滞环比较器的正滞环宽度时，第二滞环比较器的输出跳转为0，这时两个滞环比较器输出均为低电平，控制端A0＝0，输出端DA对应输入端S1A为0，输出端DB对应输入端S1B为0，功率变换模块中的全控型开关管Q1、Q2均关断，电磁线圈L两端的电压为-U_DC，电流迅速减小，同第二类情况1；

同样当处于第二类工作状态的续流阶段时，误差信号与第二类情况3不同，没有增大反而继续减小，当误差信号等于第二滞环比较器的负滞环宽度时，第二滞环比较器的输出跳转为1，这时两个滞环比较器输出均为高电平，控制端A0＝1，输出端DA对应输入端S1A为1，输出端DB对应输入端S1B为1，功率变换模块中的全控型开关管Q1、Q2均导通，电磁线圈L两端的电压为+U_DC，线圈电流增加，同第一类情况1。

比例积分处理后的电流误差信号经过双电流滞环比较模块产生开关脉冲信号输入到光耦隔离驱动模块，经光耦隔离驱动模块将输入的开关脉冲信号隔离放大后去控制功率变换模块中的全控型开关管Q1、Q2的通断，从而实现电磁线圈中电流大小的控制，电流传感器将电磁线圈中的电流信号转换成相应的电压信号，经过一个同相比例放大器反馈到误差比较模块中的集成运算放大器U01的负输入端，通过改变同相比例放大器的增益，可调节电流反馈环节的增益。

Claims (4)

1.三电平双电流滞环功率放大器，其特征是包括：

误差比较模块(1)，用于电流参考信号与电流反馈信号的误差比较，其正、负输入端分别与电流参考信号及电流反馈信号相连；

PI电流控制器模块(2)，PI电流控制器模块(2)的输入端与误差比较模块(1)的输出端相连；

双电流滞环比较模块(3)，用于将电流误差信号与设定的内外双滞环环宽作比较产生开关脉冲信号，包括两个滞环比较器(3-1、3-2)、两个电平转换电路(3-3、3-4)和多路模拟开关(3-5)，第二滞环比较器(3-2)的滞环宽度是第一滞环比较器(3-1)滞环宽度的1.5～5倍，两个滞环比较器(3-1、3-2)的输入端分别与PI电流控制器模块(2)的输出端相连，第一滞环比较器3-1的输出端经第一电平转换电路3-3与多路模拟开关3-4的输入端相连，第二滞环比较器3-2的输出端经第二电平转换电路3-4与多路模拟开关3-5的控制端相连；

光耦隔离驱动模块(4)，用于将输入的开关脉冲信号隔离放大，光耦隔离驱动模块(4)的输入端与多路模拟开关3-4的输出端相连；

功率变换模块(5)，包括H桥电路(5-1)和电磁线圈(L)，H桥电路(5-1)的控制端与光耦隔离及驱动模块(4)的输出端相连，H桥电路(5-1)的输出端与电磁线圈(L)相连；

电流反馈模块(6)，包括电流传感器(6-1)和比例放大器(6-2)，电流传感器(6-1)的原边与功率变换模块(5)的电磁线圈(L)相连，电流传感器(6-1)的副边连接比例放大器(6-2)的输入端，比例放大器(6-2)输出的电流反馈信号连接到误差比较模块(1)的负输入端。

2.根据权利要求1所述的三电平双电流滞环功率放大器，其特征是功率变换模块(5)中的H桥电路(5-1)由两个全控型开关管(Q1、Q2)和两个二极管(D1、D2)组成，或者由四个全控型开关管(Q1、Q2、Q3、Q4)组成。

3.根据权利要求1所述的三电平双电流滞环功率放大器，其特征是第一电平转换电路(3-3)由二极管(D1)和电阻(R17)组成，二极管(D1)的负极与电阻(R17)的一端相连，电阻(R17)的另一端接地。

4.根据权利要求1所述的三电平双电流滞环功率放大器，其特征是第二电平转换电路(3-4)由二极管(D2)和电阻(R18)组成，二极管(D2)的负极与电阻(R18)的一端相连，电阻(R18)的另一端接地。

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