CN104734523A - 一种水冷式开关功放结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水冷式开关功放结构，所述功放结构包括由下至上设置在机柜内部的直流电源组件、电感滤波组件、控制模块和功率模块；所述直流电源组件，获取电网中的三相交流电，并将其整流为直流电发送到所述功率模块；所述电感滤波组件，用于对所述功率模块的输出信号进行抗干扰滤波处理；所述控制模块依据所述输出信号和给定信号，对功率模块进行反馈控制，调节其内部全控器件的开通和关断，以调整所述输出信号；所述冷却回路组件，用于对所述功率模块和直流电源组件进行散热。与现有技术相比，本发明提供的一种水冷式开关功放结构，通过并联水冷散热方式来带走全控器件工作产生的热量，结构简单可靠，冷却效率高，提高了功放效率。

Description

一种水冷式开关功放结构

技术领域

本发明涉及一种功率放大器，具体涉及一种水冷式高压功率放大器。

背景技术

开关功放是大推力电动振动试验系统的重要组成部分，它为振动台提供电源，使振动台运动部件按照设定的轨迹进行振动。开关功放由于效率高、输出功率大、可靠性高等优点，已经完全取代线性功放，广泛应用于中、大推力振动试验系统。随着科学技术的发展，要求更大推力电动振动台为卫星、导弹等大型设备进行整机可靠性试验，因此电动振动台的吨位越做越大，这就要求开关功放的输出功率越来越大。目前国内外开关功放都是采用风冷散热方式，单柜输出功率一般为70KVA，通过多柜并联的方式获得大功率输出，能够满足30t以下振动台的需求。但是如今50t乃至70t振动台要求功放输出功率达到MVA，往往需要十几个功放柜并联，传统风冷开关功放的冷却效果差、噪声大、体积大、成本高等缺点暴露无遗，而且大量功放柜并联造成的功放均流效果差、可靠性低等问题也亟待解决。因此，需要提供一种新的冷却效果好、输出功率大的开关功放。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种水冷式开关功放结构，所述功放结构包括由下至上设置在机柜内部的直流电源组件、电感滤波组件、控制模块和功率模块；

所述直流电源组件，获取电网中的三相交流电，并将其整流为直流电发送到所述功率模块；

所述电感滤波组件，用于对所述功率模块的输出信号进行抗干扰滤波处理；

所述控制模块依据所述输出信号和给定信号，对功率模块进行反馈控制，调节其内部全控器件的开通和关断，以调整所述输出信号。

优选的，所述功率模块包括逆变单元、驱动电路、解调电路和水冷散热器；

所述逆变单元，用于将所述直流电源组件输出的直流电调节为脉冲型交流电；

所述驱动电路，向所述逆变单元发送驱动信号，开通或断开逆变单元的全控器件，从而调整功率模块的输出信号；

所述解调电路，用于对所述脉冲型交流电进行滤波；

优选的，所述功率模块设置在一个长方体框架内，所述长方体框架包括前面板、后面板、底板和两个侧面板；所述前面板设置有两个冷却风扇；

所述水冷散热器设置在所述后面板一侧，且安装在与后面板垂直的中线上；

所述逆变单元包括两个全控器件单元，所述全控器件单元分别设置在水冷散热器的两侧面上；

所述驱动电路的数目为二，分别设置在所述水冷散热器与侧面板之间；

所述解调电路的数目为四，依次布置在邻近前面板的一侧；

优选的，所述控制模块包括信号处理电路，以及第一PWM调制电路和第二PWM调制电路；

所述第一PWM调制电路，接收所述功率模块的输出信号和所述给定信号；

所述信号处理电路，比较所述输出信号和给定信号，依据二者的差值向所述功率模块发送调制信号；

所述第二PWM调制电路，将所述调制信号发送到功率模块，控制全控器件的开通和关断；

优选的，所述直流电源组件包括启动电路、整流桥和电容箱；

所述启动电路，用于控制交流接触器的通断，以实现功放结构的软启动；

所述整流桥，将启动电路输出的三相交流电压转换为直流电压；

所述电容箱，用于滤除所述整流桥输出的直流电压中的交流分量；

优选的，所述整流桥包括水冷散热器，以及三个由整流二极管组成的整流单元；

所述整流单元均设置在水冷散热器的同一个侧面上；

优选的，所述水冷散热器包括散热板、水嘴和堵件；

所述散热板上设置有呈M形布置的水路；

所述散热板的进水口和出水口分别安装一个水嘴，其他开口端均嵌入堵件密封；

所述水嘴通过压片固定在所述散热板上；

优选的，所述水嘴包括通过螺帽连接的水管嘴和转接头；所述水管嘴的一端为球形结构，所述转接头内部包括一个圆锥形孔，所述螺帽与转接头螺纹连接，将所述球形结构压紧在圆锥形孔内部；

所述转接头与散热器的散热板连接，用于将外部冷却水引入散热板；

所述水管嘴，用于连接软管。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

1、本发明技术方案中，设置有水冷散热器的功率模块结构，能够最大限度利用功率模块内部空间和水冷散热器的散热表面，布局结构紧凑，使得输出功率最大化；

2、本发明技术方案中，设置有水冷散热器的整流电路，相较于风冷散热方式，冷却效果更好，占用空间更小；

3、本发明提供的一种水冷式开关功放结构，采用体积较小的水冷散热器，节省了大量空间，再加上紧凑的布局，使得同样大小的功率模块箱输出功率达到风冷功放的4倍；

4、本发明提供的一种水冷式开关功放结构，通过并联水冷散热方式来带走全控器件工作产生的热量，这种结构简单可靠，冷却效率高，提高了功放效率。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1：本发明实施例中一种水冷式开关功放结构的结构图；

图2：本发明实施例中功率模块的俯视图；

图3：本发明实施例中功率模块的立体图；

图4：本发明实施例中整流桥的立体图；

图5：本发明实施例中水冷散热器的俯视图；

图6：图5中水嘴的结构图；

图7：本发明实施例中水冷式开关功放结构的冷却水回路示意图；

其中，1：功率模块；2：控制模块；3：电容箱；4：启动电路；5：整流单元；6：功率模块的输出保险；7：共模电感；8：滤波电路；9：水冷散热器；91：散热板；92：水嘴；93：压片；94：堵件；921：水管嘴；922：螺帽；923：转接头；10：水冷散热器；101：整流桥的散热板；102：整流桥的水嘴；103：整流桥的堵件；104：支架；11：风扇；12：驱动电路；13：全控器件单元；14：解调电路；15：后面板；16：功率模块进水口；17：功率模块PWM调制信号线；18：功率模块输出信号线；19：前面板；20：进出水分流管。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的一种水冷式开关功放结构，解决了风冷开关功放冷却效果差和并联机柜多的问题，结构紧凑、能够获得大功率输出。

一、如图1所示，本实施例中水冷式开关功放结构包括冷却回路组件，以及由下至上设置在机柜内部的直流电源组件、电感滤波组件、控制模块2和功率模块1。

直流电源组件，获取电网中的三相交流电，并将其整流为直流电发送到功率模块1。

电感滤波组件，用于对功率模块1的输出信号进行抗干扰滤波处理。

控制模块2依据功率模块1的输出信号和给定信号，对功率模块1进行反馈控制，调节其内部全控器件的开通和关断，以调整所述输出信号；

冷却回路组件，包括水冷散热器9和水冷散热器10，用于对功率模块1和直流电源组件进行散热。

1、功率模块；

包括逆变单元、驱动电路12、解调电路14和冷却回路组件中的水冷散热器9。本实施例中水冷散热器9的厚度为20mm。

(1)逆变单元，用于将直流电源组件输出的直流电调节为脉冲型交流电。

(2)驱动电路12，向逆变单元发送驱动信号，开通或断开逆变单元的全控器件，从而调整功率模块1的输出信号。包括驱动芯片、控制信号接口电路、电源滤波电路、输入信号调理电路、错误信号处理电路、死区时间生成电路、全控器件接口电路、有源箝位电路、过流保护电路和全控器件吸收电路。本实施例中驱动芯片采用2SC0435T驱动芯片，全控器件采用IGBT。

①：控制信号接口电路；

用于将控制模块输出的调制信号一分为二，分别发送到功率模块中逆变单元的两个全控器件单元，同时也可以交换使能信号和保护信号。其中，

使能信号指的是，使全控器件开通的信号；

保护信号指的是，驱动芯片给出的错误信号经处理传送给控制模块的信号。

②：电源滤波电路；

包括一个电容阵列，用于滤除驱动芯片电源上的杂波信号。

③：输入信号调理电路；

对控制信号接口电路传输的调制信号滤波后，将其发送到驱动芯片。具体为接收控制信号接口电路传输过来的PWM信号，然后进行滤波、触发处理后传送给驱动芯片，具有抗干扰，提高PWM波形的陡峭度的作用。

④：全控器件接口电路；

依据驱动芯片输出的驱动信号，开通或断开逆变单元中的全控器件。

⑤：全控器件吸收电路；

用于吸收全控器件在开通和断开时产生的尖峰电压；

⑥：有源钳位电路；

用于钳住全控器件的集电极电位。

⑦：过流保护电路；

检测全控器件中集电极与发射极之间的电位，将该电位发送到驱动芯片。驱动芯片对电位与阈值电压进行比较，若电位超过阈值电压，则关断全控器件，从而保护全控器件不会因过流或者短路而烧毁，提高系统可靠性。

⑧：错误信号处理电路；

接收驱动芯片传输的错误信息，并将错误信息通过控制信号接口电路发送到控制模块；错误信号包括电源欠压信号、全控器件短路信号和全控器件过流信号。具体为错误信号处理电路接收驱动芯片传输过来的错误信息，然后进行上拉、钳位、缓冲处理后传送给控制信号接口电路。其作用是最终准确无误的将错误信号实时传送给控制模块。

⑨：死区时间生成电路；

用于向驱动芯片提供死区时间，防止全控器件的上下桥臂直通。

(3)解调电路，

用于对逆变单元输出的脉冲型交流电滤波，生成最终的输出信号。

(4)功率模块1设置在一个长方体框架内，该长方体框架包括前面板19、后面板15、底板和两个侧面板；前面板19设置有两个冷却风扇11。

水冷散热器9设置在后面板15一侧，且安装在与后面板15垂直的中线上；

逆变单元包括两个全控器件单元13，全控器件单元13分别设置在水冷散热器9的两侧面上；

驱动电路12的数目为二，分别设置在水冷散热器9与侧面板之间；

解调电路14的数目为四，依次布置在邻近前面板19的一侧。

如图2和3所示，水冷散热器9立式安装在功率模块的后面板上，进出水口从功率模块后面板15连接，由直流电源组件提供的直流电以及控制模块2传送过来的PWM调制信号也都从后面板15接入，而功率模块1的输出信号从前面板19连接，这种方式结构紧凑、连接方便，空间利用率高。

2、控制模块

1、包括信号处理电路，以及第一PWM调制电路和第二PWM调制电路。

第一PWM调制电路，接收功率模块的输出信号和给定信号。

信号处理电路，比较输出信号和给定信号，依据二者的差值向功率模块发送调制信号。

第二PWM调制电路，将调制信号发送到功率模块，控制全控器件的开通和关断。

2、本实施例中，水冷式开关功放结构包括4个功率模块，上述功率模块并联连接，控制模块设置在4个功率模块的中间，这样能够使控制模块到每一个功率模块的传输线尽量短，从而获得更好的均流效果。

3、直流电源组件

包括启动电路4、整流桥5和电容箱3。直流电源组件提供的直流电以及控制模块2传送过来的PWM调制信号线17也都从功率模块1后面板15接入，而功率模块1的输出信号线18从功率模块前面板19连接，这种方式结构紧凑、连接方便，空间利用率高。

(1)启动电路4，用于控制交流接触器的通断，以实现本实施例中功放结构的软启动；

整流桥5，将启动电路输出的三相交流电压转换为直流电压；

电容箱3，用于滤除整流桥输出的直流电压中的交流分量。

(2)如图4所示，整流桥5包括冷却回路组件中的水冷散热器10，以及三个由整流二极管组成的整流单元；整流单元均设置在水冷散热器的同一个侧面上。

整流桥5采用螺钉固定在水冷散热器的散热板101上，散热板101与支架104采用螺纹连接，支架104与直流电源组件的机箱采用螺纹连接。

4、电感滤波组件

包括功率模块输出保险6、共模电感7和滤波电路8，用于对功率模块1的输出进行抗扰滤波处理，最后输出到电动振动台。

本实施例中，电感滤波组件位于机柜的正下方，分为4层，每层对应连接一个功率模块1，这样能够使功率模块输出信号线18尽量短，减小干扰。功率模块输出保险6安装在电感滤波组件的正前方，这样方便安装和维护。

二、水冷散热器

1、如图5所示，包括散热板、水嘴和堵件。其中，

在散热板91上加工呈M形布置的水路；散热板91的进水口和出水口分别安装一个水嘴92，其他开口端均嵌入堵件94密封。水嘴92通过压片93固定在散热板91上。

2、如图6所示，水嘴92包括通过螺帽922连接的水管嘴921和转接头923。其中，

转接头923与散热板91连接，用于将外部冷却水引入散热板91；

水管嘴921，用于连接软管。

螺帽922与转接头923之间采用螺纹连接，从而将水管嘴921球头部分压紧到转接头923的圆锥孔中，这种连接方式密封性好，使得全控器件单元13工作时更加安全可靠。散热板91与转接头923之间采用螺纹连接，两个全控器件单元13采用螺钉固定在散热板91上，散热板91通过压片93固定在功率模块1内。

3、本实施例中，散热板采用铝合金材料机制成，水嘴采用不锈钢材料制成。

4、图4所示整流桥的水冷散热器10中的散热板101与图5所示散热板91结构相同，水嘴102与图5和图6所示水嘴92结构相同，堵件103与图5所示堵件94结构相同。

三、冷却回路；

冷却回路组件也位于机柜后面，供水管道紧靠机柜后门，冷却水从机柜后面接入。如图7所示，水路采用并联结构，循环的冷却水通过固定在机柜上的进水分流管20经过软管流入各个散热器中，再流经软管通过出水分流管20流出，从而将全控器件以及整流桥产生的热量带走。进水分流管和出水分流管采用不锈钢材料焊接而成，两者结构相同。图5为进水分流管水流示意图，箭头方向为水流方向。这种冷却方式结构简单，安装方便，冷却效率高，成本较低。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (8)

1.一种水冷式开关功放结构，其特征在于，所述功放结构包括由下至上设置在机柜内部的直流电源组件、电感滤波组件、控制模块和功率模块；

所述直流电源组件，获取电网中的三相交流电，并将其整流为直流电发送到所述功率模块；

所述电感滤波组件，用于对所述功率模块的输出信号进行抗干扰滤波处理；

所述控制模块依据所述输出信号和给定信号，对功率模块进行反馈控制，调节其内部全控器件的开通和关断，以调整所述输出信号。

2.如权利要求1所述的功放结构，其特征在于，所述功率模块包括逆变单元、驱动电路、解调电路和水冷散热器；

所述逆变单元，用于将所述直流电源组件输出的直流电调节为脉冲型交流电；

所述驱动电路，向所述逆变单元发送驱动信号，开通或断开逆变单元的全控器件，从而调整功率模块的输出信号；

所述解调电路，用于对所述脉冲型交流电进行滤波。

3.如权利要求2所述的功放结构，其特征在于，所述功率模块设置在一个长方体框架内，所述长方体框架包括前面板、后面板、底板和两个侧面板；所述前面板设置有两个冷却风扇；

所述水冷散热器设置在所述后面板一侧，且安装在与后面板垂直的中线上；

所述逆变单元包括两个全控器件单元，所述全控器件单元分别设置在水冷散热器的两侧面上；

所述驱动电路的数目为二，分别设置在所述水冷散热器与侧面板之间；

所述解调电路的数目为四，依次布置在邻近前面板的一侧。

4.如权利要求1所述的功放结构，其特征在于，所述控制模块包括信号处理电路，以及第一PWM调制电路和第二PWM调制电路；

所述第一PWM调制电路，接收所述功率模块的输出信号和所述给定信号；

所述信号处理电路，比较所述输出信号和给定信号，依据二者的差值向所述功率模块发送调制信号；

所述第二PWM调制电路，将所述调制信号发送到功率模块，控制全控器件的开通和关断。

5.如权利要求1所述的功放结构，其特征在于，所述直流电源组件包括启动电路、整流桥和电容箱；

所述启动电路，用于控制交流接触器的通断，以实现功放结构的软启动；

所述整流桥，将启动电路输出的三相交流电压转换为直流电压；

所述电容箱，用于滤除所述整流桥输出的直流电压中的交流分量。

6.如权利要求5所述的功放结构，其特征在于，所述整流桥包括水冷散热器，以及三个由整流二极管组成的整流单元；

所述整流单元均设置在水冷散热器的同一个侧面上。

7.如权利要求3或6任一项所述的功放结构，其特征在于，所述水冷散热器包括散热板、水嘴和堵件；

所述散热板上设置有呈M形布置的水路；

所述散热板的进水口和出水口分别安装一个水嘴，其他开口端均嵌入堵件密封；

所述水嘴通过压片固定在所述散热板上。

8.如权利要求1所述的功放结构，其特征在于，所述水嘴包括通过螺帽连接的水管嘴和转接头；所述水管嘴的一端为球形结构，所述转接头内部包括一个圆锥形孔，所述螺帽与转接头螺纹连接，将所述球形结构压紧在圆锥形孔内部；

所述转接头与散热器的散热板连接，用于将外部冷却水引入散热板；

所述水管嘴，用于连接软管。