CN105048838B - 一种单侧桥臂倍频驱动的三电平开关功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单侧桥臂倍频驱动的三电平开关功率放大器。其控制器可用于将外部电流给定信号和来自电流检测电路的电流反馈信号转换成相应的开关逻辑信号，电流反馈信号与电流检测电路检测到的电磁线圈负载的实际电流值成正比；光耦隔离及驱动电路的输入端与控制器的输出端对应连接，用于将来自控制器的各路开关逻辑信号隔离放大而形成用于驱动各H桥电路的各全控型开关器件的驱动信号；各H桥电路的各全控型开关器件的控制端与光耦隔离及驱动电路的输出端对应连接。本发明在获得三电平开关功放输出的低纹波特性的同时，单独提高了功放输出纹波中二次谐波分量的幅值，产生具有稳定输出的高频小信号源，集成了功率放大器和高频小信号源的功能。

Description

一种单侧桥臂倍频驱动的三电平开关功率放大器

技术领域

本发明涉及一种三电平开关功率放大器，适用于机电系统中需要高频小信号注入实现无传感器运行的场合，例如适宜于自传感主动电磁轴承。

背景技术

主动电磁轴承具有无摩擦、无需润滑、无污染、转速高等优点，近年来在航空航天、飞轮储能、涡轮透平机械、高速机床等领域发展很快。在有传感器主动电磁轴承系统中，为了实现系统的闭环反馈控制，必须在转子的各个自由度分别装配独立的位移传感器进行转子位置信号的实时检测。位移传感器的昂贵价格使得系统的成本难以降低，也增加了装配、维护的成本。此外，安装位移传感器所需的空间要求制约了电磁轴承尺寸的优化，传感器和执行器的位置不同也使得控制更为复杂。

自传感主动电磁轴承是近年来为解决上述问题而提出的新型电磁轴承。通过利用电磁轴承的电磁线圈的电感大小随转子位置改变而变化的特性，可以使得电磁线圈本身产生电磁力的同时实现位置传感器的功能，从而避免独立位置传感器的使用，实现主动电磁轴承的自传感运行。目前实现自传感主动电磁轴承的主要方法可分为电流斜率法和高频小信号注入法。其中，电流斜率法的动态特性好，但对系统硬件要求高且易受电流噪声影响。高频小信号注入法的精度高、可靠性好但需要额外的高频小信号源，利用传统的两电平PWM开关功放输出电流纹波中幅值相对较高的一次谐波分量可替代高频小信号源，但其整体高纹波特性会在电磁轴承中产生较大的损耗，且一次谐波的幅值不够稳定。传统三电平PWM开关功放输出的纹波含量显著低于两电平开关功放，但纹波中各谐波分量的幅值均达不到实现主动电磁轴承自传感运行的技术要求，故传统的两电平PWM开关功放和传统的三电平PWM开关功放均不能用于自传感主动电磁轴承。

发明内容

本发明的目的是提供一种单侧桥臂倍频驱动的三电平开关功率放大器，以克服现有技术的全部或部分缺陷。

本发明的发明构思是：在保持功放输出整体低纹波特性的同时，通过单独提高功放输出纹波中二次谐波分量的幅值，产生可用于主动电磁轴承等机电系统的自传感运行的高频小信号源。从而在降低系统损耗的同时实现磁轴承的自传感运行，进一步提高系统的性能、降低系统成本。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：本发明单侧桥臂倍频驱动的三电平开关功率放大器包括控制器、光耦隔离及驱动电路、功率变换电路和电流检测电路，功率变换电路包括H桥电路；所述控制器能够用于将外部电流给定信号和来自电流检测电路的电流反馈信号转换成相应的开关逻辑信号，所述电流反馈信号与电流检测电路检测到的电磁线圈负载的实际电流值成正比；光耦隔离及驱动电路的输入端与控制器的输出端对应连接，能够用于将来自控制器的各路开关逻辑信号隔离放大，从而形成用于驱动所述H桥电路的各全控型开关器件的驱动信号；所述H桥电路的各全控型开关器件的控制端与光耦隔离及驱动电路的输出端对应连接。

进一步地，本发明所述驱动信号对各所述H桥电路的第一个桥臂上的全控型开关器件以可变脉冲宽度的方式进行调制，所述驱动信号对第二个桥臂上的全控型开关器件以固定脉冲宽度的方式进行调制；第二个桥臂上的全控型开关器件完成一个导通、关断动作的时间周期是第一个桥臂上的全控型开关器件完成一个导通、关断动作的时间周期的一半。

进一步地，本发明所述控制器为DSP、FGPA数字控制器或者为能够实现响应功能的模拟电路。

进一步地，本发明所述控制器包括电流控制模块、PWM信号产生模块、上升沿触发模块、方波产生模块和A/D转换模块，所述A/D转换模块用于接收外部电流给定信号和电流反馈信号，A/D转换模块的输出端与电流控制模块的输入端相连，电流控制模块的输出端与PWM信号产生模块的输入端相连，上升沿触发模块的输入端与PWM信号产生模块的其中一个输出端相连，上升沿触发模块的输出端与方波产生模块的输入端相连，方波产生模块的每个输出端和PWM信号产生模块的每个输出端各与光耦隔离及驱动电路的一个输入端连接。

进一步地，本发明所述电流控制模块使用比例积分控制算法。

进一步地，本发明所述电流检测电路包括电流传感器和电平转换电路，电流传感器的原边与所述电磁线圈负载串联，电流传感器的副边与电平转换电路的输入端连接，电平转换电路的输出端与控制器的输入端连接。

进一步地，本发明还包括缓冲电路，所述光耦隔离及驱动电路的输入端经缓冲电路与控制器的输出端对应连接。

本发明单侧桥臂倍频驱动的三电平开关功率放大器(以下也可以简称为“功放”)与传统的两电平开关功率放大器相比，其优点在于：通过使用不同开关频率、不同形式的驱动信号控制功放中的H桥电路的不同桥臂上的全控型开关器件的导通、关断，选择性提高了功放输出纹波中的二次谐波分量的幅值，在形成类似于两电平功放输出中的高频小信号源的同时，也实现了功放三电平运行以降低功放输出整体纹波含量，进而降低了损耗；此外，H桥电路中的一个桥臂始终由两倍频方波形式的开关逻辑信号控制，保证了高频小信号的稳定输出，而高频小信号的频率提高了一倍，远离功放输出中控制电流分量所在的频域，也有利于信号的提取和处理。本发明功放与传统三电平开关功率放大器相比的优点在于：在功放内部集成了高频小信号源，利于简化自传感主动电磁轴承等机电系统的复杂度，提高可靠性。

附图说明

图1为本发明的单侧桥臂倍频驱动的三电平开关功率放大器的电路原理框图；

图2为缓冲电路和光耦隔离及驱动电路的电路原理图；

图3为功率变换电路和电流检测电路的电路原理图；

图4为本发明中的控制器输出的开关逻辑信号和功放输出的电压电流波形示意图。

具体实施方式

本发明单侧桥臂倍频驱动的三电平开关功率放大器主要包括控制器1、光耦隔离及驱动路3、功率变换电路4和电流检测电路5，功率变换电路4包括H桥电路4-1。其中，控制器1能够用于将外部电流给定信号和来自电流检测电路5的电流反馈信号转换成相应的开关逻辑信号，电流反馈信号与电流检测电路5检测到的电磁线圈负载的实际电流值成正比。光耦隔离及驱动电路3的输入端与控制器1的输出端对应连接，用于将来自控制器1的各路开关逻辑信号隔离放大，从而形成用于驱动H桥电路4-1的各全控型开关器件的驱动信号；H桥电路4-1的各全控型开关器件的控制端与光耦隔离及驱动电路3的输出端对应连接。

本发明还可进一步包括缓冲电路2，使光耦隔离及驱动电路3的输入端经缓冲电路2与控制器1的输出端对应连接，从而提高控制器1所输出的开关逻辑信号的稳定性。

在本发明中，外部电流给定信号是指来自上一级控制设备的决定功放需要输出的电流值的参考信号；电磁线圈负载是指机电设备中的用于产生电磁力的绕组线圈，如电磁轴承定子绕组线圈。

以下结合附图，以具体的实施例对本发明作进一步描述。

在图1所示的实施例中，本发明单侧桥臂倍频驱动的三电平开关功率放大器包括控制器1、缓冲电路2、光耦隔离及开关驱动电路3、功率变换电路4和电流检测电路5。其中，功率变换电路4含有H桥电路4-1。

控制器1接收外部设备提供的电流给定信号i_ref和电流检测电路5输出的电流反馈信号i_mea，其中，电流反馈信号i_mea是电流检测电路5对检测到的电磁线圈L(即电磁线圈负载)的实际电流进行正比例放大或缩小而得到与控制器1的输入电平相匹配的信号，使得其与控制器1。

控制器1根据接收到的电流给定信号i_ref和电流反馈信号i_mea产生相应的四路开关逻辑信号u_g1～u_g4，并将四路开关逻辑信号u_g1～u_g4输出后经缓冲电路2发送给光耦隔离及驱动电路3，光耦隔离及驱动电路3对输入的四路开关逻辑信号u_g1～u_g4进行放大、隔离，产生四路全控型开关器件的驱动信号u_d1～u_d4并发送到功率变换电路4，功率变换电路4中的H桥电路的四个全控型开关器件在驱动信号u_d1～u_d4的控制下完成相应的导通、关断动作，实现功率变换电路4的电磁线圈L中的电流的上升、不变或下降，电磁线圈L的实际电流值经电流检测电路5的测量、放大而生成实时更新的电流反馈信号i_mea并发送给控制器1，由此形成一个反馈控制回路。

作为本发明的一种实施方式，控制器1可通过单片FPGA数字电路实现，利用VHDL、Verilog等硬件描述语言编程实现控制器功能；此外，控制器1也可使用DSP数字控制器实现。

作为本发明的另一种实施方式，控制器1也可使用能够实现相应功能的模拟电路。作为其中的一种具体的示例，控制器1可以包括电流控制模块1-1、PWM信号产生模块1-2、上升沿触发模块1-3、方波产生模块1-4和A/D转换模块1-5。其中，A/D转换模块1-5同时接收来自上一级控制设备的外部电流给定信号i_ref和由电流检测电路5输出的电流反馈信号i_mea，并对这两路信号进行采样、保持和A/D转换而生成数字形式的电流给定信号i_ref(k)和电流反馈信号i_mea(k)发送至电流控制模块1-1，其中k表示当前采样时刻。电流控制模块1-1的输入端接收电流给定信号i_ref(k)和电流反馈信号i_mea(k)，并根据以下公式，通过PI控制算法计算得到控制信号u：

u(k)＝u(k-1)+(K_p+K_iT)e(k)-K_pe(k-1)

上式中，u(k)为当前采样时刻的控制信号的值；u(k-1)为上一采样时刻的控制信号的值；K_p和K_i分别为标准PI控制算法中的比例系数、积分系数，为保证系统稳定，可使K_p>0，K_i>0，K_p和K_i的具体取值可使用常规PI控制算法的参数整定方法获得；e(k)为当前采样时刻的电流跟踪误差信号，e(k)＝i_ref(k)-i_mea(k)；e(k-1)为上一个采样时刻的电流跟踪误差信号。

电流控制模块1-1发送当前采样时刻的控制信号u(k)给PWM信号产生模块1-2，PWM信号产生模块1-2产生周期为T_s的脉宽调制(PWM)形式的开关逻辑信号(简称“PWM开关逻辑信号”)。在一个开关周期T_s内，开关逻辑信号u_g1的高电平对应全控型开关器件T1的导通状态，u_g1的低电平则对应T1的关断状态，将全控型开关器件T1导通状态的持续时间表示为T_on，则PWM开关逻辑信号的占空比为α＝T_on/T_s，且0≤α≤1。PWM信号产生模块1-2输出的第一路PWM开关逻辑信号u_g1的占空比α与u(k)的大小成正比，第二路PWM开关逻辑信号u_g2与u_g1成互补关系，即：若u_g1为高电平，则u_g2为低电平；若u_g1为低电平，则u_g2为高电平。u_g2的占空比等于(1-α)。PWM信号产生模块1-2输出的两路PWM开关逻辑信号u_g1和u_g2依次经缓冲电路2、光耦隔离及驱动电路3进行信号隔离和放大后分别对应成为功率变换电路中的H桥电路的桥臂1上的全控型开关器件T1的驱动信号u_d1、全控型开关器件T2的驱动信号u_d2，驱动信号u_d1和u_d2分别被发送给功率变换电路4，进而通过控制全控型开关器件T1和T2的导通、关断来实现电磁线圈L(负载)的充放电，从而提高、维持或降低功放的输出电流。

同时，上升沿触发模块1-3接收开关逻辑信号u_g1并检测u_g1的上升沿，生成并发送同步触发信号到方波产生模块1-4，作为方波产生模块1-4的启动信号。相应地，方波产生模块1-4生成两路状态互补的方波形式的开关逻辑信号u_g3和u_g4，可看做占空比为0.5的特殊的PWM开关逻辑信号，但u_g3和u_g4的开关周期是u_g1和u_g2的一半，即T_s/2。开关逻辑信号u_g3和u_g4依次经缓冲电路、光耦隔离及驱动电路而实现信号隔离和放大后，对应地成为H桥电路4-1中的桥臂2上的全控型开关器件T3的驱动信号u_d3和全控型开关器件T4的驱动信号u_d4。

如图2所示，作为本发明的一种实施方式，缓冲电路2由八个与非门U1～U8组成，光耦隔离及驱动电路3由四个光耦U9～U12组成。控制器1产生并发送开关逻辑信号u_g1到缓冲电路2中的与非门U1的输入端，U1与U2串联，U2的输出端连接到光耦隔离及驱动电路3的光耦U9的输入端，H桥电路4-1中的全控型开关器件T1的驱动信号u_d1由光耦U₉输出。同理，控制器1输出的开关逻辑信号u_g2、u_g3和u_g4经缓冲电路2和光耦隔离及驱动电路3生成全控型开关器件T2、T3、T4的驱动信号u_d2、u_d3、u_d4的过程类似于全控型开关器件的T1驱动信号u_d1的生成过程，在此不再赘述。

如图3所示，功率变换电路4包括H桥电路。图3中，H桥电路4-1由四个全控型开关器件T1、T2、T3、T4和电压为U_dc的直流母线电源组成，其中全控型开关器件T1和T2组成桥臂1，T1和T2的连接中点为a点，a点连接电磁线圈L(即负载)的一端，该a点处的电压为u_a；全控型开关器件T3和T4组成桥臂2，T3和T4的连接中点为b点，b点连接电磁线圈L的另一端，b点处的电压为u_b，故电磁线圈L两端的电压(即负载电压)u_ab＝u_a-u_b；全控型开关器件T1的控制端接收光耦隔离及驱动电路3中的光耦U9输出的驱动信号u_d1，全控型开关器件T2的控制端接收光耦隔离及驱动电路3中的光耦U10输出的驱动信号u_d2，全控型开关器件T3的控制端接收光耦隔离及驱动电路3中的光耦U11输出的驱动信号u_d3，全控型开关器件T4的控制端接收光耦隔离及驱动电路3中的光耦U12输出的驱动信号u_d4。

如图3所示，电流检测电路5包括电流传感器5-1和电平转换电路5-2。其中，电平转换电路5-2是由集成运算放大器U13和电阻R₁、R₂、R₃组成的比例放大器。电流传感器5-1的原边与功率变换电路4的电磁线圈L串联；电流传感器5-1的副边输出与电磁线圈L中的实际电流大小成正比的电压信号，该电压信号经电阻R₁发送到集成运算放大器U₁₃的正输入端进行电平转换，从而由集成运算放大器U₁₃生成与控制器1的输入电平相匹配的电流反馈信号i_mea并发送给控制器1。

如图4所示，本发明的单侧桥臂倍频驱动的三电平开关功率放大器向电磁线圈L输出的电流处于上升、不变和下降三个工作状态时，四路开关逻辑信号和电磁线圈L的电压、电流信号的波形分别如图4中的第一、第二和第三个T_s时间段(按图4的从左到右的顺序)内的各信号波形所示。以下结合图4，对本发明所采用的单侧桥臂倍频驱动的三电平控制策略和输出特性进行说明。图4中，子图(a)-(h)依次为控制器1输出的开关逻辑信号u_g1的波形、开关逻辑信号u_g2的波形、开关逻辑信号u_g3的波形和开关逻辑信号u_g4的波形、桥臂1中a点处的电压u_a的波形、桥臂2中b点处的电压u_b的波形、加在电磁线圈L两端的电压u_ab(即负载电压)的波形、电磁线圈L的电流i_L和电磁线圈L的电流平均值的波形。其中，设置PWM信号产生模块1-2产生的开关逻辑信号u_g1和u_g2的开关周期为T_s，且u_g1和u_g2为高、低电平互补，即两者不能同时都为高电平或都为低电平。设置方波产生模块1-4产生的开关逻辑信号u_g3和u_g4的开关周期为T_s/2，且u_g3和u_g4也为高、低电平互补。当开关逻辑信号u_g1为高电平时，开关逻辑信号u_g1依次经缓冲电路2和光耦隔离及驱动电路3进行隔离、放大后生成驱动信号u_d1，驱动信号u_d1驱动H桥电路4-1的桥臂1上的全控型开关器件T1导通；由于开关逻辑信号u_g2与u_g1互补，故全控型开关器件T2关断，此时a点的电压u_a等于直流母线电压U_dc；同理，当开关逻辑信号u_g1为低电平时，全控型开关器件T1关断，T2导通，此时a点的电压u_a等于零。通过调整开关逻辑信号u_g1中的高电平时间占整个开关周期的比例(即占空比α＝T_on/T_s，0≤α≤1)，可以控制一个开关周期T_s内a点电压的u_a平均值在0到U_dc的范围内变化。类似的，当开关逻辑信号u_g3为高电平时，开关逻辑信号u_g3依次经缓冲电路2和光耦隔离及驱动电路3进行隔离、放大后生成驱动信号u_d3，驱动信号u_d3驱动H桥电路4-1的桥臂2上的全控型开关器件T3导通，由于开关逻辑信号u_g4与u_g3互补，故全控型开关器件T4关断，此时b点的电压u_b等于直流母线电压U_dc；同理，当开关逻辑信号u_g3为低电平时，全控型开关器件T3关断，T4导通，此时b点电压u_b等于零。由于方波形式的开关逻辑信号u_g3、u_g4的高电平、低电平时间相等，即占空比为0.5，故一个开关周期内b点的平均电压始终为U_dc/2。

以图4的第一个T_s时间段内的波形为例进行具体的说明：

在前1/4T_s时间段内，令控制器1输出的开关逻辑信号u_g1为高电平、u_g2为低电平，则全控型开关器件T₁导通，T₂关断，a点处的电压u_a等于直流母线电源电压U_dc；令开关逻辑信号u_g3为低电平、u_g4为高电平，则全控型开关器件T3关断，T4导通，b点处的电压u_b等于0，故加在电磁线圈L两端的电压u_ab＝u_a-u_b＝U_dc-0＝U_dc>0，此时直流母线电源向电磁线圈L快速充电，使电磁线圈L的电流i_L迅速上升。

在第1/4T_s-1/2T_s时间段内，令控制器1输出的开关逻辑信号u_g1为高电平、u_g2为低电平，则全控型开关器件T1导通，T2关断，加在桥臂1中点a处的电压u_a＝U_dc；令开关逻辑信号u_g3为高电平、u_g4为低电平，则全控型开关器件T3导通，T4关断，b点处的电压u_b＝U_dc，故加在电磁线圈L两端的电压u_ab＝u_a-u_b＝U_dc-U_dc＝0，此时直流母线电源与电磁线圈L之间不存在能量交换，使得电磁线圈L的电流i_L几乎不变，为续流状态。

在第1/2T_s-3/4T_s时间段内，令控制器1输出的开关逻辑信号u_g1为高电平、u_g2为低电平，则全控型开关器件T1导通，T2关断，加在桥臂1中点a处的电压u_a＝U_dc；令开关逻辑信号u_g3为低电平、u_g4为高电平，则全控型开关器件T3关断，T4导通，b点处的电压u_b＝0，故加在电磁线圈L两端的电压u_ab＝u_a-u_b＝U_dc-0＝U_dc，此时直流母线电源向电磁线圈L快速充电，使电磁线圈L的线圈电流i_L迅速上升。

对于最后的1/4T_s时间段，其中，在前T_on-3/4T_s时间段内，令控制器1输出的开关逻辑信号u_g1为高电平，u_g2为低电平，则全控型开关器件T1导通，T2关断，加在桥臂1中点a处的电压u_a＝U_dc；令开关逻辑信号u_g3为高电平、u_g4为低电平，则全控型开关器件T3导通，T4关断，b点处的电压u_b＝0，故加在电磁线圈L两端的电压u_ab＝u_a-u_b＝U_dc-U_dc＝0，此时直流母线电源与电磁线圈L之间不存在能量交换，使得电磁线圈L中的电流i_L几乎不变，为续流状态。在最后T_s-T_on时间段内，令控制器1输出的开关逻辑信号u_g1为低电平、u_g2为低电平，则全控型开关器件T1关断，T2导通，加在桥臂1的中点a处的电压u_a＝0；令开关逻辑信号u_g3为高电平、u_g4为低电平，则全控型开关器件T3导通，T4关断，b点处的电压u_b＝U_dc，故加在电磁线圈L两端的电压u_ab＝u_a-u_b＝0-U_dc＝-U_dc，此时电磁线圈L向直流母线电源回馈能量，电磁线圈L的电流i_L迅速减小。

由于在图4的第一个T_s时间段内，加在电磁线圈L两端的电压u_ab＝U_dc的时间长于u_ab＝-U_dc的时间，因此电磁线圈L两端的电压u_ab在该T_s时间段内的平均值大于零，电磁线圈的电流平均值上升。

由以上分析可知，通过控制四路开关逻辑信号u_g1、u_g2、u_g3和u_g4的高低电平变化，进而控制H桥电路的四个全控型开关器件T1、T2、T3和T4的导通和关断时间，可实现电磁线圈L两端的电压u_ab的三种电平状态，即+U_dc、0和-U_dc，使得本发明为一种三电平开关功放。

在上述分析中，只针对开关逻辑信号u_g1的占空比α的一个特定值进行了讨论。实际上，若满足0.5<α≤1，电磁线圈L的电流i_L的平均值均为上升状态，且α越大，电流上升越快，当α＝1时获得最大上升速率。

同理，可以分析图4中的第二、第三个T_s时间段内开关逻辑信号、电磁线圈L的电压、电磁线圈L的电流信号的变化情况。其中，在第二个T_s时间段内，开关逻辑信号u_g1的占空比α＝0.5，故电磁线圈L的电流平均值保持稳定。在第三个T_s时间段内，开关逻辑信号u_g1的占空比0≤α<0.5，故电磁线圈L的电流i_L的平均值为下降状态，α越小，电流下降越快，当α＝0时获得最大下降速率。

为了说明本发明的单侧桥臂倍频驱动的三电平开关功率放大器中所包含的高频小信号源，以下以T_s为周期，建立电磁线圈L两端的电压u_ab的傅里叶级数模型：

设

u_ab＝u_a(t)-u_b(t)

上式中，t表示当前时刻，a₀₁为u_a中的直流分量的幅值，a_n1为u_a中的第n次谐波余弦分量的幅值，b_n1为u_a中的第n次谐波正弦分量的幅值，a₀₂为u_b包含的直流分量的幅值，a_n2为u_b中的第n次谐波余弦分量的幅值，b_n2为u_b中的第n次谐波正弦分量的幅值，ω_s为开关角频率，ω_s＝2π/T_s。

仅考虑二次谐波，即取n≤2，根据图4(e)和图4(f)，并结合傅里叶分解的常用分解算法，计算可得：

以上式①至式③中，α＝T_on/T_s为开关逻辑信号u_g1的占空比，U_dc为直流母线电源的电压值；式③式中，等号右侧的第一项为直流分量，第二项为一次谐波分量，第三、第四项分别为二次谐波分量的余弦项和正弦项。由式①至式③可以看出，一次谐波分量的幅值随占空比的变化而变化，特别是当α接近0或1时纹波幅值会完全消失，因此作为高频小信号源不够稳定。

进一步将u_ab(t)中的二次谐波余弦、正弦分量合成可得如下式所示的二次谐波分量u₂(t)，该式即为高频小信号源的输出表达式。

其中，相角θ＝-arctan(sin(2πα))。

由以上高频小信号源的输出表达式可以看出，二次谐波分量的输出始终存在，即高频小信号源的输出频率f＝2ω_s/2π＝2/T_s。由此，实现功放输出纹波中二次谐波(频率为2/T_s)分量幅值的提高，产生了具有稳定输出的高频小信号源。

由上可见，本发明结合传统三电平PWM开关功放的控制原理和自传感主动电磁轴承的运行要求，令控制器1分别产生开关周期为T_s的两路PWM形式的互补的开关逻辑信号u_g1、u_g2和开关周期为T_s/2的两路方波形式的互补的开关逻辑信号u_g3、u_g4。通过在保证信号时序同步的前提下，将u_g1、u_g2和u_g3、u_g4隔离放大后分别驱动H桥电路不同桥臂上的全控型开关器件，设计出在保持功放输出低纹波特性的同时，提供频率为2/T_s的高频小信号输出的新型三电平开关功放，从而将三电平开关功放和高频小信号源集成在一起，有利于简化自传感主动电磁轴承等需要高频小信号注入的机电系统的复杂度，提高其可靠性。

Claims (7)

1.一种单侧桥臂倍频驱动的三电平开关功率放大器，其特征在于：包括控制器（1）、光耦隔离及驱动电路（3）、功率变换电路（4）和电流检测电路（5），功率变换电路（4）包括H桥电路（4-1）；

所述控制器（1）能够用于将外部电流给定信号和来自电流检测电路（5）的电流反馈信号转换成相应的开关逻辑信号，所述电流反馈信号与电流检测电路（5）检测到的电磁线圈负载的实际电流值成正比；

光耦隔离及驱动电路（3）的输入端与控制器（1）的输出端对应连接，能够用于将来自控制器（1）的各路开关逻辑信号隔离放大，从而形成用于驱动所述H桥电路（4-1）的各全控型开关器件的驱动信号；

所述H桥电路（4-1）的各全控型开关器件的控制端与光耦隔离及驱动电路（3）的输出端对应连接；

所述驱动信号对各所述H桥电路（4-1）的第一个桥臂上的全控型开关器件以可变脉冲宽度的方式进行调制，所述驱动信号对第二个桥臂上的全控型开关器件以固定脉冲宽度的方式进行调制；第二个桥臂上的全控型开关器件完成一个导通、关断动作的时间周期是第一个桥臂上的全控型开关器件完成一个导通、关断动作的时间周期的一半。

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：所述控制器（1）为DSP、FGPA数字控制器或者为能够实现相应功能的模拟电路。

3.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：所述控制器（1）包括电流控制模块（1-1）、PWM信号产生模块（1-2）、上升沿触发模块（1-3）、方波产生模块（1-4）和A/D转换模块（1-5），所述A/D转换模块（1-5）用于接收外部电流给定信号和电流反馈信号，A/D转换模块（1-5）的输出端与电流控制模块（1-1）的输入端相连，电流控制模块（1-1）的输出端与PWM信号产生模块（1-2）的输入端相连，上升沿触发模块（1-3）的输入端与PWM信号产生模块（1-2）的其中一个输出端相连，上升沿触发模块（1-3）的输出端与方波产生模块（1-4）的输入端相连，方波产生模块（1-4）的每个输出端和PWM信号产生模块（1-2）的每个输出端各与光耦隔离及驱动电路（3）的一个输入端连接。

4.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：所述电流控制模块（1-1）使用比例积分控制算法。

5.根据权利要求1、3或4所述的三电平开关功率放大器，其特征在于：

所述电流检测电路（5）包括电流传感器（5-1）和电平转换电路（5-2），电流传感器（5-1）的原边与所述电磁线圈负载串联，电流传感器（5-1）的副边与电平转换电路（5-2）的输入端连接，电平转换电路（5-2）的输出端与控制器（1）的输入端连接。

6.根据权利要求1、3或4所述的三电平开关功率放大器，其特征在于：还包括缓冲电路（2），所述光耦隔离及驱动电路（3）的输入端经缓冲电路（2）与控制器（1）的输出端对应连接。

7.根据权利要求5所述的三电平开关功率放大器，其特征在于：还包括缓冲电路（2），所述光耦隔离及驱动电路（3）的输入端经缓冲电路（2）与控制器（1）的输出端对应连接。