CN105703630A - 一种基于多h桥模块级联的数字探针电源 - Google Patents

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章辉
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Abstract

本发明公开了一种基于多H桥模块级联的数字探针电源，包括AC/DC模块、DC/DC模块和H桥模块，所述AC/DC模块的输入源为单相交流电源，所述AC/DC模块的输出端并联有N个DC/DC模块，每个所述DC/DC模块均与一个H桥模块直流侧连接，本发明探针电源操作简单，且可将输出波形在屏幕上显示出来，让用户放心了解设置波形是否正确。

Description

一种基于多H桥模块级联的数字探针电源
技术领域
本发明涉及中小功率多电平逆变电源领域，具体为一种基于多H桥模块级联的数字探针电源。
背景技术
探针电源本质上是一种高电压高功率的信号发生器。但与常规信号发生器不同的是：输出的信号种类较多，不仅仅是常见的信号。其输出信号幅值和频率都具有很强的随机性。常见的探针电源采用高压线性电源方案。该方案主要采用高压运算放大器、无源器件、三极管等构成。
目前用于托卡马克装置的线性探针电源虽然能够实现多种信号的输出，且响应速度也很快。但其也存在如下不足：
1.该探针电源采用的是运算放大器的结构，属于线性电源，故可知该电源损耗较大，效率低。采用这种结构的电源，单路只能输出一种类型的波形，且为了满足输出快速性要求，只能采用多路复选的方式来实现各种随机信号波形的输出，这无疑会增加设备的复杂度和成本。
2.该探针电源的主体器件均为模拟器件，模拟器件对噪声比较敏感。且该电源工作环境存在恒定的磁场，该磁场会对模拟器件造成影响，使设备的稳定性较低。故对设备的EMC要求较高，会增加设备成本。
3.该探针电源的构成器件为高压运算放大器和无源器件，这些器件均存在温漂效应。即参数会随着温度的变化而发生漂移。会使输出电压波形不是所期望的波形。
4.采用运算结构电源，当输出不同电压等级的电压波形时，其精度很难保证一致，故为了保证较高精度的电压输出，通常采取分档的方式，这同样也会增加设备的成本，同时由于器件数量较多，也会降低整个系统的稳定性。
5.该探针电源通常通过手动调整电位器的电阻来实现不同电压等级的电压输出。这种方式会使得输出电压易受电位器线性度和精度的影响，会使输出电压波形不够平稳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多H桥模块级联的数字探针电源，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于多H桥模块级联的数字探针电源，包括AC/DC模块、DC/DC模块和H桥模块，所述AC/DC模块的输入源为单相交流电源，所述AC/DC模块的输出端并联有N个DC/DC模块，每个所述DC/DC模块均与一个H桥模块直流侧连接。
优选的，所述H桥模块的数量与DC/DC模块的数量相等，且N个所述H桥模块的交流侧均与线性补偿单元连接。
优选的，所述AC/DC模块为先整流再调压的结构。
优选的，所述N的取值范围为：N≥4，且N为整数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：此基于多H桥模块级联的数字探针电源结构简单，本发明探针电源输出波形质量高，由于采用多阶梯波输出，可知输出波形的谐波成分较低；本发明探针电源控制策略采用载波相移技术，该技术可以用较低的开关频率实现较高的等效开关频率，从而可以减小输出滤波电感的尺寸和容量，降低成本和噪音；本发明探针电源采用多模块级联的方式，可以降低单个模块的耐压等级。而随着耐压等级的降低，模块尺寸和体积均可降低，便于安装；本发明探针电源装置的整机效率较高。在非满量程输出时，可根据所需输出电压的等级，将不必要的模块给旁路，以保证工作中的H桥模块处于较高的效率状态；本发明探针电源故障处理能力强，该电源采用的H桥模块具有冗余特性，当设备中某一H桥模块出现故障后，可直接将该模块切除，同时提高其他工作中的H桥模块的输出电压，以保证总的输出电压值不变；本发明探针电源操作简单，且可将输出波形在屏幕上显示出来，让用户放心了解设置波形是否正确。
附图说明
图1为本发明实施例一结构示意图；
图2为可双向流动DC/DC模块结构示意图；
图3为功率只能单向流动的AC/DC模块结构示意图；
图4为功率可双向流动AC/DC模块结构示意图；
图5为H桥模块结构示意图；
图6为本发明实施例二结构示意图。
图中：1AC/DC模块、2DC/DC模块、3H桥模块、4线性补偿单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种基于多H桥模块级联的数字探针电源，包括AC/DC模块1、DC/DC模块2和H桥模块3，AC/DC模块1的输入源为单相交流电源，AC/DC模块1的输出端并联有N个DC/DC模块2，每个DC/DC模块2均与一个H桥模块3直流侧连接，AC/DC模块1为先整流再调压的结构，N的取值范围为：N≥4，且N为整数，本实施例采用多H桥模块3级联的结构，且每个H桥模块3直流侧均由独立的直流DC/DC模块供电，该直流电源采用双向隔离DC/DC全桥拓扑结构，如图2所示，该结构不仅可以实现电压等级的调整，还可以实现功率的双向流动，便于后端H桥模块3不工作时将功率传递至前端，以保证人员的安全，这些DC/DC模块2输入端均并接于AC/DC模块1，且该AC/DC模块1的输入源为单相交流电源，该AC/DC模块1采用的是先整流再调压的结构，根据功率是否能双向流动又可分为两种实现方式，且结构图分别如图3、图4所示；H桥模块3结构图如图5所示，初始相位为0的三角载波与调制波相比较所得的驱动波形来驱动左半桥上开关管S1，与其相互补得驱动信号来驱动同一桥臂的下管S1’，初始相位为π的三角载波与调试波相比较所得的驱动波形来驱动右半桥的下管S2’，与其互补的驱动信号来驱动同一桥臂的上管S2，其余各H桥模块3中各开关管驱动波形产生和上述方式类似，只需将初始相位分别改为kπ/N(k＝1，……，N-1)，π+kπ/N；为了实现多种高精度随机信号电压波形的输出，控制方法采用载波相移控制，所谓载波移相控制是指对于N个(N≥4)H桥模块3级联多电平设备，采用2N个相位不同，但频率和幅值相同的双极性三角波与期望输出电压波形进行比较，产生2N组驱动波形以驱动各H桥模块3中的开关管，使各个H桥模块3均输出幅值相同，相位不同的电压波形，然后再将这N组电压波形进行叠加而合成出所期望的电压波形，从而降低谐波含量。
实施例二
请参阅图6，本实施例其他技术特征与实施例一相同，其不同在于：H桥模块3的数量与DC/DC模块2的数量相等，且N个H桥模块3的交流侧均与线性补偿单元4连接，本实施例主要针对波形质量要求更高的应用场合，为了完成这一要求，相比于图1的结构该方案增加线性补偿单元4，线性补偿单元4主要用来补偿电压输出单元因滤波造成的电压波形丢失等问题，该单元由OP放大器单元和后级电流放大单元组成，其中OP放大器单元可实时输出补偿所需电压值，电流放大单元主要用来放大前端OP放大器单元输出电流以匹配当前时刻所需电流值，虽然线性电源效率不高，但该单元输出电压值远低于级联模块的输出电压，故该单元对整个系统的效率的影响可忽略不计。
由于本发明采用高性能数字信号处理芯片，因此可输出多种随机信号电压波形，也可通过上位机输入用户所期望的信号波形；本发明采用了载波移相控制，使得等效开关频率较高。这使得输出电压波形的精度较高；本发明可通过多种方式来提高输出电压的精度。比如增加H桥模块，调节各H桥模块直流侧电压等级，提高开关管的开关频率等；本发明的实施例二采用了主电压输出单元和线性补偿单元串联输出的形式，采用该方案后该电源系统不仅效率高，还具有很宽的带宽和很好的波形质量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于多H桥模块级联的数字探针电源，包括AC/DC模块(1)、DC/DC模块(2)和H桥模块(3)，其特征在于：所述AC/DC模块(1)的输入源为单相交流电源，所述AC/DC模块(1)的输出端并联有N个DC/DC模块(2)，每个所述DC/DC模块(2)均与一个H桥模块(3)直流侧连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于多H桥模块级联的数字探针电源，其特征在于：所述H桥模块(3)的数量与DC/DC模块(2)的数量相等，且N个所述H桥模块(3)的交流侧均与线性补偿单元(4)连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于多H桥模块级联的数字探针电源，其特征在于：所述AC/DC模块(1)为先整流再调压的结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于多H桥模块级联的数字探针电源，其特征在于：所述N的取值范围为：N≥4，且N为整数。
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