CN110138188A - 一种基于全桥开关管的电流放大装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于全桥开关管的电流放大装置，包括：电流放大模块、控制模块、信号输送模块，其中：电流放大模块包括依次连接的支撑电容组、全桥开关组、多级LC滤波器和PWM输出隔离驱动，多级LC滤波器连接负载，控制模块包括控制IC单元、电流采样单元和保护单元，负载分别通过电流采样单元和保护单元连接于控制IC单元，控制IC单元通过所述PWM输出隔离驱动连接于全桥开关组；信号输送模块包括分别与与控制IC单元连接的控制电源输入、DA信号输入、AD信号输出和故障信号输出。本申请中电流放大后，不仅功率可以做到很大，而且谐波信号少，信号比较干净，全桥开关组电压更稳定，能够有效降低开关管损坏率，提高其寿命。

Description

一种基于全桥开关管的电流放大装置

技术领域

本申请涉及电力设备技术领域，尤其涉及一种基于全桥开关管的电流放大装置。

背景技术

随着特高压技术在电力系统中渗透率的提高，电力系统容量不断增大，电网在安全稳定运行方面所面临的挑战日益突出。检测变电站、电厂交流互感器及二次回路的正确性等等，对于电网安全运行的意义重大。近年来由于厂站交流二次回路存在各种潜在故障隐患，造成厂站故障频发，因此，有关厂站交流二次回路系统调试等工作成为电力系统安全稳定运行的重要任务。

有关厂站交流二次回路系统调试等工作必须有大电流发生设备，目前大电流的方法通常为大电流升流组合装置，升流组合装置包括升流器组、电容补偿系统、整流系统、电源控制系统及辅助设施。

上述大电流发生设备虽然能够实现上千安大电流的输出，但自动化程度不高，且输出的直流大电流不精密，无法对交流二次回路进行完整性和系统性测试。另外，大电流发生设备的体积和重量大、暂态特性差，进而致使其无法适用于户外变电站场所。

发明内容

本申请提供一种基于全桥开关管的电流放大装置，以解决现有技术中大电流发生设备电流输出精度低且暂态特性差的技术问题。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：

本申请实施例公开了一种基于全桥开关管的电流放大装置，所述电流放大装置包括：电流放大模块、控制模块、信号输送模块，其中：

所述电流放大模块包括依次连接的支撑电容组、全桥开关组、多级LC滤波器和PWM输出隔离驱动，所述多级LC滤波器连接负载，所述全桥开关组包括第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管及所述第四开关管的漏极和源极之间均并联有稳压电路，所述稳压电路包括互相并联的第一电容、第一电感和稳压二极管；

所述第一开关管的源极和所述第二开关管的漏极连接，所述第一开关管的漏极和所述第三开关管的漏极连接，所述第三开关管的源极和所述第四开关管的漏极连接，所述第二开关管的源极和所述第四开关管的源极连接，所述第一开关管的源极和所述第三开关管的源极分别连接于所述负载的两端；

所述控制模块包括控制IC单元、电流采样单元和保护单元，所述负载分别通过所述电流采样单元和所述保护单元连接于所述控制IC单元，所述控制IC单元通过所述PWM输出隔离驱动连接于所述全桥开关组；

所述信号输送模块包括控制电源输入、DA信号输入、AD信号输出和故障信号输出，所述控制电源输入、所述DA信号输入、所述AD信号输出和所述故障信号输出均与所述控制IC单元连接。

可选地，在上述基于全桥开关管的电流放大装置中，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管及所述第四开关管的漏极和源极之间均并联第二电容。

可选地，在上述基于全桥开关管的电流放大装置中，所述多级LC滤波器包括第二电感、第三电容以及电阻，输入信号电压连接所述第二电感的一端，所述第二电感的另一端连接所述第三电容的一端，所述第三电容与所述电阻并联，所述电阻的两端连接输出电压信号。

可选地，在上述基于全桥开关管的电流放大装置中，所述第二电感数值为600μH，第二电容的数值为4.7μF。

可选地，在上述基于全桥开关管的电流放大装置中，所述第二电感为铁硅铝磁芯，电感系数为0.284μH/N2。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请提供了一种基于全桥开关管的电流放大装置，所述电流放大装置包括：电流放大模块、控制模块、信号输送模块。所述电流放大模块包括依次连接的支撑电容组、全桥开关组、多级LC滤波器和PWM输出隔离驱动，所述多级LC滤波器连接负载。其中：所述全桥开关组包括第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管及所述第四开关管的漏极和源极之间均并联有稳压电路，所述稳压电路包括互相并联的第一电容、第一电感和稳压二极管，所述第一开关管的源极和所述第二开关管的漏极连接，所述第一开关管的漏极和所述第三开关管的漏极连接，所述第三开关管的源极和所述第四开关管的漏极连接，所述第二开关管的源极和所述第四开关管的源极连接，所述第一开关管的源极和所述第三开关管的源极分别连接于所述负载的两端。本申请中功率电流输入首先经过支撑电容组的储能平波，再通过全桥开关组将直流逆变为幅值、相位、频率可调的交流电流输出，最后经过多级LC滤波器滤波后，即可输出至整个瞬态电流发生装置的输出。

另外，所述控制模块包括控制IC单元、电流采样单元和保护单元，所述负载分别通过所述电流采样单元和所述保护单元连接于所述控制IC单元，所述控制IC单元通过所述PWM输出隔离驱动连接于所述全桥开关组。该控制IC单元将控制信号通过所述PWM输出隔离驱动传至全桥开关组，控制各相输出电流的幅值、相位和频率等。所述信号输送模块包括控制电源输入、DA信号输入、AD信号输出和故障信号输出，所述控制电源输入、所述DA信号输入、所述AD信号输出和所述故障信号输出均与所述控制IC单元连接。所述控制IC单元能够将回采的信号转化为AD信号通过通讯电路发送给人机交互界面用以监测输出情况。信号输送模块通过故障信号输出将过压、过流、开路、短路等故障情况输出，同时将故障情况上报控制IC单元，而控制IC单元将其转化为AD信号后，通过通讯电路发送给暂态电流输出装置的人机交互界面或上位机告警。本申请中电流放大装置通过电流放大模块供电，减小了电源本身的重量，进一步减小整个装置的体积和重量，具有较好的便携移动性和方便性，能够适用于室外变电站场所。本申请中电流放大后，不仅功率可以做到很大，而且谐波信号少，信号比较干净，全桥开关组电压更稳定，能够有效降低开关管损坏率，提高其寿命。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于全桥开关管的电流放大装置的基本结构示意图；

图2为本发明实施例提供的全桥开关组的电路原理图；

图3为本发明实施例提供的全桥开关组的部分电路原理图；

图4为本发明实施例提供的多级LC滤波器的电路原理图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部实施例。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，都应当属于本申请保护的范围。

参见图1，为本发明实施例提供的一种基于全桥开关管的电流放大装置的基本结构示意图，图2为本发明实施例提供的全桥开关组的电路原理图。结合图1和图2，本申请中的电流放大装置包括：电流放大模块1、控制模块2、信号输送模块3。电流放大模块1包括依次连接的支撑电容组11、全桥开关组12、多级LC滤波器13和PWM输出隔离驱动14，多级LC滤波器13连接负载4，全桥开关组12包括第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3及第四开关管T4，第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3及第四开关管T4的漏极和源极之间均并联有稳压电路，所述稳压电路包括互相并联的第一电容、第一电感和稳压二极管。第一开关管T1的源极和第二开关管T2的漏极连接，第一开关管T1的漏极和第三开关管T3的漏极连接，第三开关管T3的源极和第四开关管T4的漏极连接，第二开关管T2的源极和所述第四开关管T4的源极连接，所述第一开关管T1的源极和所述第三开关管T3的源极分别连接于所述负载4的两端。

本申请中功率电流输入首先经过支撑电容组11的储能平波，将母线电压波动降至最低避免母线电压波动，避免对输出精度造成影响。再通过全桥开关组12将直流逆变为幅值、相位、频率可调的交流电流输出，全桥开关组12输出为脉宽不同的方波，这个方波经过多级LC滤波器13后即可形成带有一定纹波电流的交流电流。而纹波电流的大小完全取决于多级LC滤波器13的选择，针对不同的需求可采用不同的选型或降低成本，或增加性能，具有相当的灵活性。经过多级LC滤波器13滤波后，即可输出至整个瞬态电流发生装置的输出。

控制模块2包括控制IC单元21、电流采样单元22和保护单元23，负载4分别通过电流采样单元22和保护单元23连接于控制IC单元21，控制IC单元21通过PWM输出隔离驱动14连接于全桥开关组12。该控制IC单元21将控制信号通过PWM输出隔离驱动14传至全桥开关组12，控制各相输出电流的幅值、相位和频率等。信号输送模块3包括控制电源输入31、DA信号输入32、AD信号输出33和故障信号输出34，控制电源输入31、DA信号输入32、AD信号输出33和故障信号输出34均与控制IC单元21连接。

由电流发生装置人机交互界面产生的D/A信号通过DA信号输入32发送至控制IC单元21，由控制IC单元21将其形成正弦脉宽调制波形SPWM，并将脉宽调制波形拆分成四路，分别供给全桥开关组12的四个桥臂用以控制输出波形。控制IC单元21能够通过电流采样单元22将回采的信号转化为AD信号通过AD信号输出33发送给人机交互界面用以监测输出情况。信号输送模块3通过故障信号输出将过压、过流、开路、短路等故障情况输出，同时将故障情况上报控制IC单元21，而控制IC单元21将其转化为AD信号后，通过AD信号输出33发送给暂态电流输出装置的人机交互界面或上位机告警。本申请中电流放大装置通过电流放大模块供电，减小了电源本身的重量，进一步减小整个装置的体积和重量，具有较好的便携移动性和方便性，能够适用于室外变电站场所。本申请中电流放大后，不仅功率可以做到很大，而且谐波信号少，信号比较干净，全桥开关组电压更稳定，能够有效降低开关管损坏率，提高其寿命。

参见图3，本发明实施例提供的全桥开关组的部分电路原理图。结合图3，第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3及第四开关管T4的漏极和源极之间均并联第二电容Co，第二电容Co进一步起到稳定电压的作用。

图4为本发明实施例提供的多级LC滤波器的电路原理图。由图4所示，多级LC滤波器13包括第二电感L、第三电容C以及电阻Ro，输入信号电压Vi连接第二电感L的一端，第二电感L的另一端连接第三电容C的一端，第三电容C与电阻Ro并联，电阻Ro的两端连接输出电压信号Vo。通过滤波器的信号频率由载波频率fs和基波频率fo组成，滤波器的主要用于滤除载波频率fs，而保留基波频率fo。而此滤波器载波频率远远高于基波频率，所以本申请选用多级LC滤波器。

滤波效果主要由截止频率决定，对于多级LC滤波器，截止频率为：

截止频率fc选择越高，滤波器成本越低体积越小，但是对载波频率的衰减越小，fc选择越低，滤波器成本越高，体积越大，但是对载波频率的衰减越大。一般的，对于截止频率fc的选择有经验公式：10fo＜10fc＜fs。也就是说，保证在载波频率fs处有-40dB的增益，而通带内fo的增益尽量小。考虑到存在提高基波频率的可能性，所以此处选择截止频率为：

对于滤波器有多种函数逼近方法，一般的，巴特沃斯滤波器通带内最为平坦，对器件要求较低，但是阻带频率衰减相对较小。对于一个二阶巴特沃斯滤波器有如下的归一化传递函数：

在进行反归一化时，将下式中的算子S用替换即可：

实际应用中，通过查找巴特沃斯基准滤波器归一化参数表即可简化计算过程。本申请中假设单一模块输出有功为5kW，输入为380V时，多级LC滤波器截止频率为7kHz，输出负载Ro有：

滤波器参数：

取整参数为：L＝500μH，C＝3μF

本申请中，考虑到死区时间、杂散参数、器件精度的影响，适当调整参数：L＝600μH，C＝4.7μF。本申请中，第二电感L为铁硅铝磁芯，电感系数为0.284μH/N2。

由于以上实施方式均是在其他方式之上引用结合进行说明，不同实施例之间均具有相同的部分，本说明书中各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。在此不再详细阐述。

需要说明的是，在本说明书中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的电路结构、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种电路结构、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的电路结构、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (5)

1.一种基于全桥开关管的电流放大装置，其特征在于，所述电流放大装置包括：电流放大模块(1)、控制模块(2)、信号输送模块(3)，其中：

所述电流放大模块(1)包括依次连接的支撑电容组(11)、全桥开关组(12)、多级LC滤波器(13)和PWM输出隔离驱动(14)，所述多级LC滤波器(13)连接负载(4)，所述全桥开关组(12)包括第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第三开关管(T3)及第四开关管(T4)，所述第一开关管(T1)、所述第二开关管(T2)、所述第三开关管(T3)及所述第四开关管(T4)的漏极和源极之间均并联有稳压电路，所述稳压电路包括互相并联的第一电容、第一电感和稳压二极管；

所述第一开关管(T1)的源极和所述第二开关管(T2)的漏极连接，所述第一开关管(T1)的漏极和所述第三开关管(T3)的漏极连接，所述第三开关管(T3)的源极和所述第四开关管(T4)的漏极连接，所述第二开关管(T2)的源极和所述第四开关管(T4)的源极连接，所述第一开关管(T1)的源极和所述第三开关管(T3)的源极分别连接于所述负载(4)的两端；

所述控制模块(2)包括控制IC单元(21)、电流采样单元(22)和保护单元(23)，所述负载(4)分别通过所述电流采样单元(22)和所述保护单元(23)连接于所述控制IC单元(21)，所述控制IC单元(21)通过所述PWM输出隔离驱动(14)连接于所述全桥开关组(12)；

所述信号输送模块(3)包括控制电源输入(31)、DA信号输入(32)、AD信号输出(33)和故障信号输出(34)，所述控制电源输入(31)、所述DA信号输入(32)、所述AD信号输出(33)和所述故障信号输出(34)均与所述控制IC单元(21)连接。

2.根据权利要求1所述的基于全桥开关管的电流放大装置，其特征在于，所述第一开关管(T1)、所述第二开关管(T2)、所述第三开关管(T3)及所述第四开关管(T4)的漏极和源极之间均并联第二电容(Co)。

3.根据权利要求1所述的基于全桥开关管的电流放大装置，其特征在于，所述多级LC滤波器(13)包括第二电感(L)、第三电容(C)以及电阻(Ro)，输入信号电压(Vi)连接所述第二电感(L)的一端，所述第二电感(L)的另一端连接所述第三电容(C)的一端，所述第三电容(C)与所述电阻(Ro)并联，所述电阻(Ro)的两端连接输出电压信号(Vo)。

4.根据权利要求3所述的基于全桥开关管的电流放大装置，其特征在于，所述第二电感(L)数值为600μH，第二电容(C)的数值为4.7μF。

5.根据权利要求3所述的基于全桥开关管的电流放大装置，其特征在于，所述第二电感(L)为铁硅铝磁芯，电感系数为0.284μH/N²。