CN106533376A - 用于模块化串联的电磁轴承用的开关功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模块化串联的电磁轴承用的开关功率放大器。包括数字控制器、电流传感器、信号调理电路和至少一个功率模块，功率模块以模块化方式串联后的两端作为电压输入端，电流传感器和负载串联后作为输出端连接在功率模块中，电流传感器的输出端经信号调理电路与数字控制器连接，数字控制器连接各个功率模块，并控制各个功率模块之间的连接和每个功率模块的内部导通状态，用以达到开关功率放大器移植性的性能和需求。本发明能灵活选择投入使用实现开关功率放大器的最优性能，功率模块统一设计，更换方便，排除故障简单，在低电压工作场合用本发明比用高电压器件的功放器件的工作效率更高，损耗更小。

Description

用于模块化串联的电磁轴承用的开关功率放大器

技术领域

本发明涉及了一种开关器件，尤其是涉及一种用于模块化串联的电磁轴承用的开关功率放大器，属电磁轴承开关功率放大器领域技术。

背景技术

为了使支撑在电磁轴承上的旋转机械的转子系统具有良好的性能，迫切需求一种高效率高、工作频带宽、电流输出能力大的功率放大器。由于开关功率放大器的半导体功率开关器件工作在开关状态，损耗较小，且器件的功率等级也较高，因此目前被广泛应用于电磁轴承系统中。

常见的开关功率放大器主电路有两种：一种是采用半导体功率开关器件和二级管互补导通的半桥结构；另一种是每一个桥臂上均采用半导体功率开关器件的全桥结构。半桥结构开关功率放大器的电路结构相对简单，且无需考虑桥臂的直通问题，但由于受器件尤其是二级管功率等级的限制，只适合于中等电压的场合。全桥结构开关功率放大器的电路结构采用四个可控的半导体功率开关器件，结构相对复杂，控制桥臂开关时需要加死区时间来防止桥臂的直通。但由于半导体功率开关器件导通压降通常小于同等功率级别的二级管的导通压降，因此理论损耗比半桥结构要小，而且可以通过本发明提出的模块串联的方法满足高电压场合的需求。

为了使支撑在电磁轴承上的旋转机械的转子系统能够满足高速旋转运转状态下的动态特性，就需要提高开关功率放大器的响应速度，提高开关功率放大器的母线电压是提高开关功率放大器的响应速度的一个重要手段，而这又对开关功率放大器中的半导体功率开关器件提出了一个新的要求。为了使半导体功率开关器件满足在高电压等级下工作的需求，最简单的方法就是采用更高耐压的半导体功率开关器件来设计开关功率放大器。但是由于高电压等级的半导体功率开关器件的损耗要比低电压等级的半导体功率开关器件的损耗大，用该方法设计的开关功率放大器在低电压场合的性能并不是最好的，所以用这种方法设计的开关功率放大器，其使用可移植性较差。特别是，一旦开关功率放大器出现故障，检修或者重新制作都比较耗时。

因此，需要寻求一种以低电压等级的功率开关器件设计的开关功率放大器为基本功率模块，各个功率模块可以通过外部接线以及外部控制方便地实现功率模块串联，实现可以在不同的电压等级的场合选择对应数量的功率模块串联使用，使得整体的损耗最小。即使其中一个功率模块出现故障，也能立即更换一个新的功率模块投入使用，最终实现无论在什么场合，都实现开关功率放大器的高效率、高可靠度、高响应速度地工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足而提供了一种用于模块化串联的电磁轴承用的开关功率放大器，可通过外部简单接线和数字控制器对电磁继电器的控制实现模块化串联，解决传统开关功率放大器响应慢，可移植性差，排故困难等缺点。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括数字控制器、电流传感器、信号调理电路和至少一个功率模块，功率模块以模块化方式串联后的两端作为电压输入端，电流传感器和负载串联后作为输出端连接在功率模块中，电流传感器的输出端经信号调理电路与数字控制器连接，数字控制器连接各个功率模块，并控制各个功率模块之间的连接和每个功率模块的内部导通状态，用以达到开关功率放大器移植性的性能和需求。数字控制器可采用DSP等核心的控制电路。

单个所述功率模块包括四个半导体功率开关器件及其各自的驱动电路、两个电磁继电器及其各自的驱动电路与多个外部接线端口和均压器件，四个半导体功率开关器件以两个相串联的半导体功率开关器件为一组而分为两组半导体功率开关器件，其中第一组半导体功率开关器件两端作为电压输入端的两端，第二组半导体功率开关器件两端分别各串联一个电磁继电器后并联到电压输入端，第一组半导体功率开关器件中的两个半导体功率开关器件之间的引出端和第二组半导体功率开关器件中的两个半导体功率开关器件之间的引出端作为所述开关功率放大器输出端的两端。

所述的均压器件包括电阻R和电容C，电阻R和电容C并联连接在电压输入端。

所述数字控制器连接功率模块中的各个半导体功率开关器件和电磁继电器的驱动电路，通过半导体功率开关器件的驱动电路控制每个半导体功率开关器件的通断来控制每个功率模块的内部导通状态，同时通过电磁继电器的驱动电路控制其中电磁继电器的通断来控制各个功率模块之间的导通连接。

所述的电压输入端、第二组半导体功率开关器件两端的两个电磁继电器和输出端的两端作为所述功率模块的外部接线端口。

当多个所述功率模块串联时，相邻所述功率模块之间通过电磁继电器对应相连接，电流传感器和负载串联后连接在所有功率模块串联后位于中部的电磁继电器两端或者输出端上。

当只有一个功率模块使用时，电流传感器和负载串联后连接在该功率模块的输出端上。

当包括奇数个所述功率模块串联时，相邻所述功率模块之间通过电磁继电器对应相连接，电流传感器和负载串联后连接在所有功率模块串联后位于中间的功率模块的输出端上。

当包括偶数个所述功率模块串联时，相邻所述功率模块之间通过电磁继电器对应相连接，电流传感器和负载串联后连接在所有功率模块串联后位于中间的两个功率模块之间的电磁继电器两端上。

本发明中，各个功率模块分立设计，输入端、电流传感器和负载端为公共接线端的结构。

本发明可根据实际场合，利用数字控制器和接线点的连接，实现单个或者多个功率模块的串联使用。相邻功率模块之间通过接线点和电磁继电器方便地实现串联。

在低电压场合，可以只使用一个功率模块来实现最低的损耗，在高电压场合可通过对电磁继电器的控制和适当的外部接线方便地实现多个功率模块串联使用，因此本发明可实现在大范围电压等级场合都能得到性能较好的开关功率放大器。

当一个功率模块发生故障时，本发明利用外部接线可快速切除更换其中出故障的功率模块，快速排除系统的故障，而无需像图2所示的传统开关功率放大器无法替换或者只能替换整块器件。即使其中一个功率模块发生故障，也能立即更换同样的模块投入使用。最终实现无论在什么场合，都实现开关功率放大器的高效率、高可靠度、高响应速度地工作。

本发明的有益效果是：

本发明模块化串联开关功率放大器与传统开关功率放大器相比，有以下优点：能根据实际场合，灵活选择投入使用的功率模块数量，实现开关功率放大器的最优性能；功率模块统一设计，更换方便，排除故障简单；并且在低电压工作场合用本发明比用高电压器件的功放器件的工作效率更高，损耗更小。

附图说明

图1是本发明的整个开关功率放大器的结构示意图。

图2是本发明的背景技术中传统的开关功率放大器。

图3是本发明的单个功率模块电路结构示意图。

图4是本发明中考虑单个功率模块工作时的连接示意图。

图5是本发明中考虑两个功率模块串联投入使用时的连接示意图。

图6是本发明中考虑三个功率模块串联投入使用时的连接示意图。

图1中：a₁～h₁……a_n～h_n分别对应图3中的各个模块的a～h外部接线点，x、y是电流传感器和负载电感的外部接线点，q₁₁～q₁₄……q_n1～q_n4为对应模块半导体器件的开关信号，q₁₅、q₁₆……q_n5、q_n6为对应模块电磁继电器的控制信号；

图2中：(a)为全桥开关功率放大器电路，(b)为半桥开关功率放大器电路；

图3中：a、b、c、d、e、f、g、h为单个功率模块的接线点，R、C为均压电阻和电容，Q₁、Q₂、Q₃、Q₄为功率半导体开关器件，Q₅、Q₆为电磁继电器，q₁、q₂、q₃、q₄的驱动为半导体开关器件的驱动电路，q₅、q₆的驱动是继电器的驱动电路；

图4中：为了简化说明，忽略了图3中的均压和驱动部分，充电回路为a₁、Q₁₁、c₁、d₁、Q₁₄、h₁、g₁、b₁，放电回路为b₁、Q₁₃、c₁、d₁、Q₁₂、f₁、e₁、a₁；

图5中：充电回路为a₁、Q₁₁、Q₁₃、g₁、f₂、Q₂₂、Q₂₄、h₂、g₂、b₂，放电回路为b₂、Q₂₃、Q₂₁、e₂、h₁、Q₁₄、Q₁₂、f₁、e₁、a₁。

图6中：充电回路为a₁、Q₁₁、Q₁₃、g₁、e_2,、Q₂₁、c₂、d₂、Q₂₄、h₂、f₃、Q₃₂、Q₃₄、h₃、g₃、b₃，放电回路为b₃、Q₃₃、Q₃₁、e₃、g₂、Q₂₃、c₂、d₂、Q₂₂、f₂、h₁、Q₁₄、Q₁₂、f₁、e₁、a₁。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

本实例以单个功率模块运行、两个功率模块串联运行以及三个功率模块串联运行的情况下进行说明。本发明不仅仅限于一个、两个或者三个功率模块串联使用，以这三种电路为例只是为了说明单个以及模块化串联的接线方式和工作原理。

单个功率模块的电路结构如图3所示，该功率模块是由四个半导体功率开关器件组成的全桥结构，上下两边各有一个电磁继电器，输入侧有均压电容和电阻，各半导体功率开关器件以及电磁继电器都有其对应的驱动电路，设计多个接线点方便模块化连接。

具体来说，其中R、C为均压电阻和电容，Q₁、Q₂、Q₃、Q₄为功率半导体开关器件，Q₅、Q₆为电磁继电器，q₁、q₂、q₃、q₄的驱动为半导体开关器件的驱动电路，q₅、q₆的驱动是继电器的驱动电路。并且a、b、c、d、e、f、g、h为功率模块的外部接线点，a、b是电压输入端，c、d是输出端，e、f和g、h分别为两个电磁继电器的开关端口。

使用该模块时，需要结合图1中的电流传感器和以数字控制器为核心的控制电路，控制电路的一个作用是给出半导体功率开关器件的驱动信号，实现开关功率放大器的基本功能；另一个作用是控制各模块的电磁继电器的导通和关断，并且与外部接线相配合，可以方便地实现功率模块的串联投入和故障切除。

本发明的工作过程和原理为：

首先以一个功率模块的使用为例。如图4所示，在较低的电压场合中，以模块1为例，数字控制器给出电磁继电器的控制信号q₁₅和q₁₆，使得模块1中电磁继电器Q₁₅和Q₁₆处于导通状态。a₁、b₁与输入直流电压相连接，c₁与x相连接，d₁与y相连接。电流传感器输出的信号经过信号调整电路，输入到数字控制器的AD接口，通过数字控制器给出q₁₁～q₁₄的4个开关信号来控制功率放大器中的对应四个半导体功率开关器件，从而实现开关功率放大器的基本功能。当Q₁₁、Q₁₄导通时，电感处于充电状态，充电回路为a₁、Q₁₁、c₁、d₁、Q₁₄、h₁、g₁、b₁，此时Q₁₂、Q₁₃关断，关断的功率开关器件承受的电压为输入直流母线电压。Q₁₁、Q₁₄关断时，电感处于放电状态，放电回路为b₁、Q₁₃、c₁、d₁、Q₁₂、f₁、e₁、a₁，此时Q₁₂、Q₁₃导通，关断的功率开关器件承受的电压仍然为输入直流母线电压。考虑安全裕量，这里每个功率开关器件都需要能够承受1.5倍的输入直流母线电压。

应用在较高电压等级的磁轴承场合时，考虑两个功率模块串联使用，如图5所示。以模块1和模块2的串联为例，此时需要控制电磁继电器Q₁₅、Q₂₆为导通，Q₁₆、Q₂₅为关断，a₁、b₂连接输入直流母线电压，把g₁、e₂、x以及h₁、f₂、y对应连接，相当于模块1原本的继电器Q₁₆和模块2原本的继电器Q₂₅的部分作为功率放大器系统的整体负载端使用。此时Q₁₁、Q₁₃串联，串联后这两个开关驱动信号保持一致，相当于图4中的Q₁₁的驱动信号；Q₁₂、Q₁₄串联，串联后这两个开关驱动信号保持一致，相当于图4中的Q₁₂的驱动信号；Q₂₁、Q₂₃串联，串联后这两个开关驱动信号保持一致，相当于图4中的Q₁₃的驱动信号；Q₂₂、Q₂₄串联，串联后这两个开关驱动信号保持一致，相当于图4中的Q₁₄的驱动信号；

同理，Q₁₁、Q₁₃、Q₂₂、Q₂₄导通时，电感处于充电状态，充电回路为a₁、Q₁₁、Q₁₃、g₁、f₂、Q₂₂、Q₂₄、h₂、g₂、b₂，此时Q₁₂、Q₁₄、Q₂₁、Q₂₃关断，关断的串联功率开关器件整体承受的电压为输入直流母线电压。Q₁₁、Q₁₃、Q₂₂、Q₂₄关断时，电感处于放电状态，放电回路为b₂、Q₂₃、Q₂₁、e₂、h₁、Q₁₄、Q₁₂、f₁、e₁、a₁。此时Q₁₂、Q₁₄、Q₂₁、Q₂₃导通，关断的串联功率开关器件整体承受的电压仍然为输入直流母线电压。假设功率开关器件完全一样(若不能完全一样，也可用大阻值电阻进行均压)，则每个功率开关器件承受的电压为直流母线电压的0.5倍，考虑1.5倍的安全裕量，这里每个功率开关器件都需要能够承受0.75倍的输入直流母线电压。

进一步提高电压等级时，考虑三个模块串联使用，如图6所示。以模块1、模块2和模块3的串联为例，此时需要控制电磁继电器Q₁₅、Q₃₆为导通，Q₁₆、Q₂₅、Q₂₆、Q₃₅为关断，a₁、b₃连接输入直流母线电压，把g₁、e₂相连，h₁、f₂相连，g₂、e₃相连，h₂、f₃相连，c₂、d₂分别与电流传感器以及负载端的x、y相连。此时Q₁₁、Q₁₃、Q₂₁串联，串联后这两个开关驱动信号保持一致，相当于图4中的Q₁₁的驱动信号；Q₁₂、Q₁₄、Q₂₂串联，串联后这两个开关驱动信号保持一致，相当于图4中的Q₁₂的驱动信号；Q₂₃、Q₃₁、Q₃₃串联，串联后这两个开关驱动信号保持一致，相当于图4中的Q₁₃的驱动信号；Q₂₄、Q₃₂、Q₃₄串联，串联后这两个开关驱动信号保持一致，相当于图4中的Q₁₄的驱动信号；

同理，Q₁₁、Q₁₃、Q₂₁、Q₂₄、Q₃₂、Q₃₄导通时，电感处于充电状态，充电回路为a₁、Q₁₁、Q₁₃、g₁、e_2,、Q₂₁、c₂、d₂、Q₂₄、h₂、f₃、Q₃₂、Q₃₄、h₃、g₃、b₃，此时Q₁₂、Q₁₄、Q₂₂、Q₂₃、Q₃₁、Q₃₃关断，关断的串联功率开关器件整体承受的电压为输入直流母线电压。同理，Q₁₁、Q₁₃、Q₂₁、Q₂₄、Q₃₂、Q₃₄关断时，电感处于放电状态，放电回路为b₃、Q₃₃、Q₃₁、e₃、g₂、Q₂₃、c₂、d₂、Q₂₂、f₂、h₁、Q₁₄、Q₁₂、f₁、e₁、a₁，此时Q₁₂、Q₁₄、Q₂₂、Q₂₃、Q₃₁、Q₃₃导通，关断的串联功率开关器件整体承受的电压为输入直流母线电压。每个功率开关器件承受的电压为直流母线电压的0.33倍，考虑1.5倍的安全裕量，这里每个功率开关器件都需要能够承受0.5倍的输入直流母线电压。

四个以上的功率模块串联使用原理与上述相同，这里不再赘述。需要提出的是，奇数个模块投入使用时，对应模块的c、d端接负载，偶数个模块投入使用时，对应相邻两个模块之间的电磁继电器接线端接负载。当其中一个模块故障时，可以通过更改外部接线和控制继电器的通断状况，直接把整个故障模块切除，再投入使用一个全新的模块，在紧急使用的场合排除故障比较方便。综上所述，本发明的用于模块化串联的电磁轴承用开关功率放大器能够根据所需要的特定场合，选择合适的模块数量投入使用，从而使得开关功率放大器的性能达到最优，弥补了传统开关功率放大器可移植性不强等缺点。

以上实施例只是本发明的一个具体的实施电路原理图，并不以此限定本发明的保护范围。任何基于本发明所作的等效变换电路，均属于本发明保护范围。

Claims (7)

1.一种用于模块化串联的电磁轴承用的开关功率放大器，其特征在于：包括数字控制器、电流传感器、信号调理电路和至少一个功率模块，功率模块以模块化方式串联后的两端作为电压输入端，电流传感器和负载串联后作为输出端连接在功率模块中，电流传感器的输出端经信号调理电路与数字控制器连接，数字控制器连接各个功率模块，并控制各个功率模块之间的连接和每个功率模块的内部导通状态，用以达到开关功率放大器移植性的性能和需求。

2.根据权利要求1所述的一种用于模块化串联的电磁轴承用的开关功率放大器，其特征在于：单个所述功率模块包括四个半导体功率开关器件及其各自的驱动电路、两个电磁继电器及其各自的驱动电路与多个外部接线端口和均压器件，四个半导体功率开关器件以两个相串联的半导体功率开关器件为一组而分为两组半导体功率开关器件，其中第一组半导体功率开关器件两端作为电压输入端的两端，第二组半导体功率开关器件两端分别各串联一个电磁继电器后并联到电压输入端，第一组半导体功率开关器件中的两个半导体功率开关器件之间的引出端和第二组半导体功率开关器件中的两个半导体功率开关器件之间的引出端作为所述开关功率放大器输出端的两端。

3.根据权利要求1所述的一种用于模块化串联的电磁轴承用的开关功率放大器，其特征在于：所述的均压器件包括电阻R和电容C，电阻R和电容C并联连接在电压输入端。

4.根据权利要求1所述的一种用于模块化串联的电磁轴承用的开关功率放大器，其特征在于：所述数字控制器连接功率模块中的各个半导体功率开关器件和电磁继电器的驱动电路，通过半导体功率开关器件的驱动电路控制每个半导体功率开关器件的通断来控制每个功率模块的内部导通状态，同时通过电磁继电器的驱动电路控制其中电磁继电器的通断来控制各个功率模块之间的导通连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于模块化串联的电磁轴承用的开关功率放大器，其特征在于：所述的电压输入端、第二组半导体功率开关器件两端的两个电磁继电器和输出端的两端作为所述功率模块的外部接线端口。

6.根据权利要求1所述的一种用于模块化串联的电磁轴承用的开关功率放大器，其特征在于：当多个所述功率模块串联时，相邻所述功率模块之间通过电磁继电器对应相连接，电流传感器和负载串联后连接在所有功率模块串联后位于中部的开关或者输出端上。

7.根据权利要求1所述的一种用于模块化串联的电磁轴承用的开关功率放大器，其特征在于：当只有一个功率模块串联时，电流传感器和负载串联后连接在功率模块串联的输出端上；

当包括奇数个所述功率模块串联时，相邻所述功率模块之间通过电磁继电器对应相连接，电流传感器和负载串联后连接在所有功率模块串联后位于中间的功率模块的输出端上；

当包括偶数个所述功率模块串联时，相邻所述功率模块之间通过电磁继电器对应相连接，电流传感器和负载串联后连接在所有功率模块串联后位于中间的两个功率模块之间的电磁继电器两端上。